ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 537.527.9

17-я Международная конференция

«Газоразрядная плазма и ее применения»

Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025

Моделирование электрических полей трехэлектродного
разрядника в сжатом газе с «искажением поля»
и сравнение его коммутационных характеристик
с двухэлектродным разрядником на самопробое

Г.Н. Курапов, А.А. Бухаркин, М.В. Журавлёв,
П. Глумац, Е.А. Курапова, Г.Е. Ремнёв

Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, проспект Ленина, дом 30.

Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.

Аннотация. В статье рассмотрены особенности конструктивного исполнения трехэлектродного разрядника с искажением поля по результатам итерационного расчёта конфигурации и результаты исследования его временных характеристик в сравнении с двухэлектродным разрядником на самопробое и трехэлектродным разрядником без расчета и выравнивания электрического поля в искровом промежутке. Конструкция разрядника обеспечивает поочередный пробой промежутков в условиях перенапряжения и неоднородной напряженности электрического поля определяемой специальной формой электродов. Разрядник входит в состав разрабатываемого экспериментального стенда по генерации пучков нейтронов мощными импульсными ускорителями заряженных частиц. При непрерывной работе ускорителя порядка 10^6 циклов остро встает проблема обеспечения требуемой эрозионной стойкости электродов коммутатора и стабильности формирования разряда без ухудшения коммутационных характеристик. Несмотря на многолетние исследования, универсального решения этих проблем не найдено. Исходя из вышесказанного возникла необходимость проведения данной работы, связанной с разработкой таких разрядников. Коммутируемое напряжение лежало в диапазоне 147,5 ÷ 304,5 кВ с максимальной величиной коммутируемого тока – до 87 кА. В результате исследований показано, что введение искажающего электрода в искровой промежуток при конфигурировании электрического поля снижает пробивное напряжение незначительно (7,3 ÷ 12,8 %). Определен джиттер времени срабатывания относительно времени начала подачи зарядного импульса. Разрядник обеспечивал формирование ветвистой структуры искрового канала, что обеспечивало снижение эрозии электродов, времени коммутации и падения напряжения на искровом промежутке.

Ключевые слова: трехэлектродный разрядник, разрядник с «искажением поля», искровой разрядник в газе высокого давления, время запаздывания разряда, многоканальность, неоднородность поля, пробивное напряжение.

Финансирование: Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-19-00614).

Автор для переписки: Курапов Григорий Николаевич, kurapov@tpu.ru

Литература

1. Mesyats G. A. Repetitively pulsed high-current accelerators with transformer charging of forming lines / G. A. Mesyats, S. D. Korovin, A. V. Gunin [et al.] // Laser and Particle Beams. – 2003. – Vol. 21, No. 2. – P. 197-209. – https://doi.org/10.1017/S0263034603212076.

2. Rostov V. V. High-Current Pulsed-Repetitive Electron Accelerator "Sinus-320": Formation and Diagnostics of a Wide-Aperture Beam / V. V. Rostov, V. V. Barmin, V. F. Landl [et al.] // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62, No. 7. – P.1253-1259. – https://doi.org/10.1007/s11182-019-01842-5

3. Meek J. M. Electrical Breakdown of Gases / J. M. Meek, J. D. Craggs / / Oxford: Clarendon Press, 1953. – 542c.

4. Козлов Б. А. Времена срабатывания искровых разрядников-обострителей при давлениях до 140 атмосфер / Б. А. Козлов, Д. С. Маханько // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. – 2023. – № 84. – С.234-245. – https://doi 10.21667/1995-4565-2023-84-234-245

5. Bykov N. M. Operating features of a high-voltage spark gap switch with gas blow normal to the breakdown path in a repetitively pulsed mode / N. M. Bykov, A. V. Gunin, S. D. Korovin, Yu. D. Korolev // Instruments and Experimental Techniques. – 2008. – Vol. 51, No. 6. – P.838-845. – https://doi.org/10.1134/S0020441208060110

6. Ландль Н. В. Стабильность срабатывания двухэлектродных разрядников высокого давления в режиме самопробоя при напряжениях несколько сотен киловольт / Н. В. Ландль, Ю. Д. Королев, В. В. Ростов // Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) / Tomsk, Russia. 2024. С.406 – 411.

7. Воробьев Г. А. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов / Г. А.Воробьев, Г. А. Месяц // М., Госатомиздат, 1963.

8. Kharlov V. A. Arc Motion and Electrode Erosion in High-Current Rail Spark Gaps / A. V. Kharlov // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2010. – Vol. 38, No. 9. P.2474-2478. – https://doi.org/10.1109/TPS.2010.2052929

9. Engel T. G. Review of the mechanisms of electrode and insulator erosion and degradation in high current arc environments / T. G. Engel, S. L. Wester, M. Kristiansen and A. L. Donaldson // IEEE Transactions on Magnetics. –1995. – Vol. 31, No. 1. – P.709 – 713. – https://doi.org/10.1109/20.364606

10. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов / Месяц Г. А. – М.: Советское радио, 1974. – 256с.

11. Martin J. C. Multichannel gaps. Aldermaston, Berks, 1970, SSWA(JCM).

12. Bell W. R. Tarantula—100 kV pinch discharge apparatus for studying shock waves / W .R. Bell, A. E. Bishop, H. J. Crawley, G. D. Edmonds [et al.] // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers Volume 113, Issue 12. – https://doi.org/10.1049/piee.1966.0365

13. Ковальчук Б. М. Сильноточные наносекундные коммутаторы / Б. М. Ковальчук, В. В. Кремнев, Ю. Ф. Поталицын. – Новосибирск: Наука, 1979. – 175 с.

14. Bluhm H. Pulsed Power Systems: Principles and Applications / H. Bluhm / Springer. – 2006. – https://doi.org/10.1007/3-540-34662-7

15. Маханько Д. С. Электрическая прочность конструкции неуправляемого разрядника-обострителя на напряжение до 500 кВ / Д. С. Маханько // Вестник Рязанского Государственного Радтотехнического Университета. – 2021. – №78. – С.188-197. – https://DOI 10.21667/1995-4565-2021-78-188-197

16. Гохберг Б. М. Элегаз — электрическая газовая изоляция / Б. М. Гохберг // «Электричество». – Москва: Госэнергоиздат. – 1947. – №3. – С.15.

Для цитирования:

Курапов Г.Н., Бухаркин А.А., Журавлёв М.В., Глумац П., Курапова Е.А., Ремнёв Г.Е. Моделирование электрических полей трехэлектродного разрядника в сжатом газе с «искажением поля» и сравнение его коммутационных характеристик с двухэлектродным разрядником на самопробое. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.12