Стабильность запуска тиратрона с холодным катодом при высоких анодных напряжениях
В работе представлены результаты исследования тиратрона с холодным катодом типа ТПИ1-10к/50 с новым узлом запуска. Определены особенности горения вспомогательного тлеющего разряда в новом узле запуска. Проведены испытания тиратрона в различных схемах запуска. В ходе работы получена наносекундная стабильность срабатывания тиратрона в данных схемах запуска.
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………. 11
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………………………………. 14
1.1 Общий принцип работы тиратрона с холодным катодом…………………………. 14
1.2 Конструктивные особенности тиратрона ТПИ1-10к/50 ………………………….. 16
1.3 Сильноточный разряд в основном разрядном промежутке тиратрона ……… 18
1.4 Вспомогательный тлеющий разряда в узле запуска
тиратрона ТПИ1-10к/50 ………………………………………………………………………….. 22
1.5 Методы запуска тиратрона с холодным катодом …………………………………….. 27
1.6 Особенности работы тиратрона с высоко-эмиссионной таблеткой в узле
запуска …………………………………………………………………………………………………… 31
1.7 Постановка задачи …………………………………………………………………………………. 35
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ……………………………………………………………. 36
2.1 Экспериментальная установка ………………………………………………………………… 36
2.2 Конструктивные особенности прототипа отпаянного тиратрона ТПИ1-
10к/50 с новым узлом запуска ………………………………………………………………… 37
2.3 Методики измерений …………………………………………………………………………….. 39
2.3.1 Измерение статических пробивных напряжений основного разрядного
промежутка в целом и секций тиратрона в отдельности ………………………….. 39
2.3.2 Получение вольтамперные характеристики вспомогательного разряда в
узле запуска …………………………………………………………………………………………… 41
2.4 Методы запуска тиратрона с новым узлом запруска ……………………………….. 43
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………………………………. 47
3.1 Напряжения статического пробоя основного промежутка тиратрона в целом
и секций по отдельности ………………………………………………………………………… 47
3.2 Вольтамперные характеристики вспомогательного тлеющего разряда …… 50
3.3 Схемы запуска тиратрона при высоких анодных напряжениях ……………….. 54
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ …………………………………………………………………………….. 61
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………………. 62
4.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………………. 64
4.3 Инициализация научно-технического проекта ………………………………………… 66
4.3.1 Технико-экономическое обоснование проведения научно-технического
исследования………………………………………………………………………………………….. 66
4.3.2 Оценка научно-технического уровня исследования ……………………………… 67
4.4 Планирование работ по научно-техническому исследованию …………………. 69
4.5 Бюджет научно-технического исследования …………………………………………… 72
4.5.1 Расчёт материальных затрат на реализацию проекта…………………………….. 72
4.5.2 Расчет капитальных вложений на реализацию проекта…………………………. 73
4.5.3 Расчёт оплаты труда работников ………………………………………………………….. 74
4.6 Оценка ресурсной и организационной эффективности исследования ………. 76
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ…………………………………………………….. 79
5.1 Профессиональная социальная безопасность ………………………………………….. 79
5.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть при
проведении исследования ………………………………………………………………………. 79
5.1.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия опасных
и вредных факторов ……………………………………………………………………………….. 81
5.2 Экологическая безопасность …………………………………………………………………… 87
5.2.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду …………….. 87
5.2.2. Анализ «жизненного цикла» объекта исследования …………………………….. 87
5.2.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды …………………… 87
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………… 88
5.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при проведении
исследований …………………………………………………………………………………………. 88
5.3.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС ……………………………………………………… 89
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности………….. 91
5.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства …………………. 91
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны…………….. 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 94
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………………. 96
Приложение I …………………………………………………………………………………………………. 99
Ключевой задачей импульсной электроэнергетики является передача в
нагрузку импульсной электрической энергии. В процессе коммутации большое
внимание уделяется коммутаторам, поскольку именно они во многом
определяют качество передаваемого импульса. В роли коммутаторов в
импульсных источниках напряжений используются газоразрядные или
полупроводниковые приборы.
Газоразрядные приборы представляют собой большую группу
коммутаторов. Как правило, эти приборы используются для коммутации
высоковольтных импульсов при токах на уровне десятков-сотен килоампер.
Среди большого разнообразия газоразрядных коммутаторов следует
выделить коммутаторы низкого давления – тиратроны с холодным катодом. В
зарубежной литературе эти приборы получили название «pseudospark switches»,
или «псевдоискровые разрядники». Такое название эти приборы получили из-за
особенности развития в них газового разряда [1-3]. Импульсный разряд низкого
давления по своим характеристикам напоминает искровой разряд атмосферного
давления. Именно поэтому авторы работ [1-3] присвоили этому разряду
называние «псевдоискровой».
Конструкция тиратрона с холодным катодом в значительной степени
напоминают конструкцию классического водородного тиратрона с накаленным
катодом. Однако в данном типе тиратронов накаленный катод отсутствует.
Благодаря холодному катоду, данные тиратроны имеют некоторые
преимущества по сравнению с классическими: отсутствие нагретого до
температуры свыше 800 ºС катода обеспечивает в прикатодной области,
ответственной за формирование разряда, в 2–3 раза большую плотность
водорода, что создает условия для снижения времени коммутации. Отсутствие
постоянной эмиссии электронов ускоряет процесс деионизации промежутка
после окончания импульса тока. Одновременно это упрощает конструкцию
тиратрона, устраняет дополнительный нагрев – отпадает необходимость в
источнике питания нагревателя и принудительном охлаждении прибора.
Диапазон рабочих давлений газа в приборе соответствует левой ветви
кривой Пашена, когда длина свободного пробега электрона для реакции
ионизации превышает длину основного межэлектродного промежутка. В таких
условиях пробой в промежутке не может инициироваться одиночными
электронами. Для инициирования пробоя необходим значительный поток
электронов в промежуток со стороны катода. Этот поток обеспечивается за счет
специального узла запуска тиратрона, который обычно располагается в
заземленной катодной полости. Разнообразные методы запуска тиратронов
описаны в работах [1, 4].
В ранних публикациях представлены результаты исследований разряда и
конструкций тиратронов, полученные на разборных макетах. К настоящему
времени созданы отпаянные металлокерамические приборы, которые
производятся кампанией Импульсные технологии, г. Рязань
[http://www.pulsetech.ru]. Описание первых образцов этих приборов приведено в
работе [1]. В приборах серии ТДИ используются узлы запуска на основе разряда
по поверхности диэлектрика или полупроводника, а в приборах серии ТПИ
применяется узел запуска с использованием вспомогательного стационарного
слаботочного тлеющего разряда.
Условия горения вспомогательного тлеющего разряда в значительной
степени определяют характеристики тиратрона в целом [5, 9]. Это, в частности,
относится к пробивному напряжению, к времени запаздывания пробоя в
основном промежутке относительно момента приложения импульса запуска, к
частоте следования импульсов. Поэтому выбору режимов горения
вспомогательного разряда и конструкции электродной системы прибора
уделяется большое внимание.
При определенных условиях в тиратронах с холодным катодом удается
получить малое время запаздывания пробоя в основном промежутке
относительно момента приложения импульса запуска и наносекундную
стабильность в разбросах времен запаздывания [1, 4, 6]. Это позволяет
использовать тиратроны в сложных электрофизических системах, где требуется
параллельная работа большого количества приборов. В качестве примера можно
привести публикации [7, 8], где описан линейный индукционный ускоритель и
схема импульсного модулятора ускорителя для получения максимального
напряжения 2.5 МВ. В схеме применены тиратроны с холодным катодом типа
TПИ1-10к/50 (максимальный ток 10 кА при анодном напряжении до 50 кВ). В
режиме параллельной работы включаются 96 приборов.
Обеспечение наносекундной стабильности при параллельном
срабатывании большого количества приборов представляет собой серьезную
проблему. Это особенно относится к условиям, когда давление газа в приборе
должно быть низким, чтобы обеспечить высокое анодное напряжение [4].
В тиратронах, исследуемых в данной работе, используется узел запуска
на основе стационарного вспомогательного тлеющего разряда. Для облегчения
зажигания вспомогательного разряда, в узле запуска применяется так
называемая высокоэмиссионная таблетка. Её использование позволяет
значительно снизить напряжение зажигания и горения вспомогательного
разряда. Однако недостатком таких узлов запуска является то, что свойства
таблетки могут меняться в процессе работы тиратрона. Вместе с этим, меняется
и режим горения вспомогательного разряда, что приводит к существенному
разбросу времен запаздывания срабатывания тиратрона [9].
Для решения указанной проблемы был разработан прототип тиратрона
ТПИ1-10к/50 с новым узлом запуска без использования высоко-эмиссионной
таблетки. В настоящей работе представлены результаты исследования данного
тиратрона. Изучены особенности горения вспомогательного разряда в новом
узле запуска. Проведены испытания тиратрона в различных схемах запуска при
высоких анодных напряжениях. Для исследуемых схем запуска была получена
наносекундная стабильность срабатывания тиратрона ±2 нс.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Целью данной ВКР являлось испытание прототипа тиратрона с холодным
катодом и выбор условий горения вспомогательного разряда и схем запуска,
обеспечивающих наносекундную стабильность срабатывания тиратрона. В
результате работы были определены особенности работы модернизированного узла
запуска, а также проведены испытания данного тиратрона в различных схемах
запуска.
В рамках литературного обзора был проведён анализ конструкции
тиратрона с узлом запуска на основе вспомогательного тлеющего разряда и
принцип его работы в различных схемах запуска. Рассмотрены механизмы
развития сильноточного разряда в основном разрядном промежутке и
вспомогательного разряда в узле запуска. Рассмотрены различные схемы запуска
тиратронов с холодным катодом и определены их отличительные особенности.
Установлены проблемы, связанные с узлом запуска серийно-выпускаемых
тиратронов типа ТПИ1-10к/50. Приведено описание конструкции
модернизированного тиратрона ТПИ1-10к/50.
Проведенный литературный обзор и анализ текущих исследований в
области импульсных разрядов низкого давления применительно к тиратронам с
холодным катодом свидетельствуют о том, что существует необходимость
дальнейших исследований в этой области, направленных на модернизацию
конструкции тиратронов.
В третьем разделе настоящей работы рассмотрены особенности
вольтамперных характеристик и даны рекомендации по поводу выбора режима
горения вспомогательного разряда в узле запуска. Представлены данные по
стабильности срабатывания исследуемого тиратрона в различных схемах запуска.
Отличительной особенностью первой схемы запуска является относительно
большое время запаздывания срабатывания тиратрона 400 нс, при этом разброс
этих времен для 50 импульсов составляет ±4 нс. Во второй схеме была получена
стабильность 110 ± 3нс. В третьей схеме запуска была получена стабильность
запуска 87 ± 2.5 нс. Наиболее оптимальной можно считать именно третью схему,
не только благодаря наилучшим характеристикам стабильности по сравнению с
остальными, но и потому что в этой схеме не происходит ответвление тока
вспомогательного разряда в цепь запуска благодаря использованию конденсатора
СТ, через который подается импульс запуска.
Проведенный анализ научно-технического уровня исследования, в рамках
раздела «финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»,
показал, что исследование имеет высокую значимость для прикладных и научно-
исследовательских областей импульсной техники, однако не используется в
широком спектре отраслей.
В рамках раздела «социальная ответственность» определены опасные и
вредные факторы, имеющие место в работе с экспериментальным стендом.
Разработаны профилактические меры по предотвращению чрезвычайных ситуаций
при работе c экспериментальным стендом, а также необходимые меры
безопасности.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (158 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (44 отзыва)
4.4 (93 отзыва)
4.8 (30 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
