Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Modeling, calculation and comparison of switching characteristics of a self-triggered two-electrode spark gap and a field-distortion three-electrode gaps

G.N. Kurapov1, A.A. Bukharkin1, M.V. Zhuravlev1, P. Glumac1, E.A. Kurapova1, G.E. Remnev1

1 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.12 UDC 537.527.9 EDN WONDGX

Abstract

The article discusses the design features of a three-electrode spark gap with field distortion based on the results of an iterative calculation of the configuration and the results of a study of its time characteristics in comparison with a two-electrode spark gap and a three-electrode spark gap without calculating and equalizing the electric field in the spark gap. The design of the gap provides alternating breakdown of gaps under conditions of overvoltage and a sharp inhomogeneous electric field strength determined by the special shape of the electrodes. The spark gap is part of an experimental stand under development for the generation of neutron beams by powerful pulsed accelerators of charged particles. Taking into account the continuous operation of the accelerator about 106 repetitions, the problem of ensuring the required erosion resistance of the commutator electrodes and the stability of discharge formation without deterioration of switching characteristics is acute. Despite many years of research, no universal solution to these problems has been found. Based on the above, it became necessary to carry out this work related to the development of such gaps. The switching voltage was in the range of 147.5 - 304.5 kV with a maximum switching current of up to 87 kA. It is shown that the introduction of a distorting electrode into the spark gap during the configuration of the electric field reduces the breakdown voltage slightly (7.3-12.8%). The jitter of the response time relative to the start time of the charging pulse has been determined. The spark gap ensured the formation of a branched structure of the spark channel, which reduced electrode erosion, switching time, and voltage drop across the spark gap.

  • three-electrode spark gap
  • spark gap with field distortion
  • spark gap in high-pressure gas
  • Discharge delay time
  • Multichannel discharge
  • field heterogeneity
  • breakdown voltage
Аннотация (на русском)

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

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 106 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.

For citation

Kurapov G.N., Bukharkin A.A., Zhuravlev M.V., Glumac P., Kurapova E.A., Remnev G.E. Modeling, calculation and comparison of switching characteristics of a self-triggered two-electrode spark gap and a field-distortion three-electrode gaps // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.12

References

  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.