Искровые разрядники своими руками

Искровой разрядник на 10..12 кВ

«Вот еще, чепуха какая. Берем две проволоки, сгибаем навстречу друг-другу и БА-БАХ. » — скажет кто-то и будет «в корне неправ». В большинстве случаев Вас не устроят ни скорость срабатывания двухострийного разрядника, ни потери напряжения на нем. А еще грохот, наводящий соседей на мысль о терроризме, а еще обгорание электродов и, соответственно, рост напряжения срабатывания.
Для наукообразных развлечений нужна конструкция посерьезнее.
Для понимания смысла конструкции полезно напомнить закон Теплера. Он, конечно устарел, и был неоднократно уточнен и дополнен современной наукой, но зато он прост и позволяет сразу выявить суть. А утверждает закон Теплера следующее: «Омическое сопротивление искры в газе R в определенный момент времени t прямо пропорционально ее длине l и обратно пропорционально прошедшему через искру к этому моменту времени электрическому заряду Q.» Т.е. R

l/Q(t). От давления газа сопротивление искры (при постоянной ее длине) зависит мало.
Чем плохо большое сопротивление искры? Во-первых, конечно, потери: в тепло уходит ни много ни мало W=RI^2 мощности. (Где I — Ток в цепи разрядника.) Напряжение на нагрузке (на лазерной камере, ускорительной трубке, первичной обмотке катушки тесла или что Вы еще собираетесь питать через разрядник) тоже снизится (на dU=RI). Вырастет постоянная времени разряда накопительных емкостей (tau=RC) и тд и тп. Значит длину искры (а с ней и сопротивление и индуктивность разрядника) надо всеми силами сокращать.
Если предположить, что напряжение питания схемы задано и неизменно, что можно сделать для уменьшения длины искры?

• поднять давление газа в разряднике (способ очень эффективный и все серьезные разрядники работают с давлением в несколько атмосфер, но конструкция становится сложной — необходима повышенная прочность, герметизация, ниппеля, компрессор и т.д.)
• заменить газ на более электропрочный (тоже хороший способ, но элегаз SF6 самодельщику вряд ли доступен, фреон, как выяснилось, непригоден. остается SO2, но это на любителя)
• еще можно выровнять электрическое поле.

Известно, что для воздуха при зазорах порядка 10 мм пробой между остриями наступает при напряженности поля E=10 кВ/см, между шарами при E=20 кВ/см, а в однородном поле — при E=30 кВ/см. То есть выровняв поле можно вдвое-втрое снизить сопротивление (и индуктивность) искры. Поэтому, в идеале, электроды в разряднике должны иметь профиль Роговского или Ченга, но это сложно. Ограничимся сферой достаточного диаметра. В качестве сферического электрода оказалось удобно использовать мебельный болт со сферической шляпкой. В качестве второго электрода с успехом работает плоскость (в качестве плоского электрода используем обрезок алюминиевого уголка с шириной стороны не менее 30 мм — чтобы поместился корпус разрядника).
Корпусом разрядника служит горлышко от пластиковой бутылки и крышка от этой же бутылки. Корпус получается герметичным, что подавляет шум, а заодно и разборным (доступным для чистки). Все детали показаны на рисунке.

Пластиковый корпус крепится к алюминиевой плоскости приклеиванием. Поначалу это делалось с помощью эпоксидки и результат был нестабилен. Позже выяснилось, что удобнее и надежнее клеить на термоклей («глюган»).
Для приклеивания насверлите по периметру будущего клеевого шва много отверстий диаметром по 2 мм. В процессе приклеивания термоклей затечет в них и образует столбики, на которых, как на заклепках, будет надежно держаться вся конструкция.

Отрежьте горлышко от пластиковой бутылки, вырованяйте срез, и приклейте к алюминиевому уголку. Перед приклейкой уголок (плоский электрод) желательно подогреть градусов до шестидесяти (горячий на ощупь). Наклейка без дополнительного прогрева дает меньшую прочность, что снизит предельные давления (пропускаемые энергии) выдерживаемые разрядником.

По центру пластиковой крышки аккуратно просверлите отверстие диаметром на 0.5-1.0 мм меньшим, чем диаметр болта, используемого в качестве электрода. На торце болта нарежьте шлиц под отвертку с крупным жалом. Шлиц пригодится в дальнейшем для регулировки разрядника. Вкрутите болт резьбой в крышку.

Дальше остается только собрать разрядник.

И поставить в схему, где он будет использоваться.

Вот и все.
Собрав разрядник, подключите его к мультиметру, включенному на измерение сопротивления (омов). Вкручивайте болт разрядника до тех пор, пока мультиметр не зарегистрирует короткое замыкание. Отметьте нулевое положение разрядника. В дальнейшем Вы от него будете отсчитывать количество оборотов болта разрядника, когда будете выставлять требуемое напряжение пробоя.

Описанный разрядник не является управляемым. До некоторой степени это компенсируется тем, что он регулируемый. Если у Вас есть отвертка с длинной и хорошо изолированной ручкой, регулировку удается делать «на ходу.» С другой стороны — не приходится заморачиваться над схемой запуска.

Что еще неплохо бы знать о разрядниках?

1. Разрядник имеет довольно малую начальную проводимость сразу после пробоя.
   Из закона тепплера следует, что надо как можно быстрее пропустить через него достаточный электрический заряд — прогреть плазму искры. Для этого параллельно разряднику с наименьшей возможной индуктивностью включают малоиндуктивный конденсатор (так называемый обострительный конденсатор).
2. Искра имеет конечную скорость развития (около 1 мм в наносекунду), поэтому разрядник имеет конечное время срабатывания, и чем больше длина искры в нем (чем больше рабочее напряжение) тем больше время срабатывания разрядника. Поэтому воздушный разрядник, скажем, на 30 кВ (длина искры более 10 мм) в принципе не способен обеспечить время включения менее 10 нс. И чем больше рабочее напряжение, тем положение хуже. Не спешите, однако, хвататься за насос и поднимать давление. Существуют и менее инфернальные способы борьбы с этим.
   Время развития искры может быть уменьшено с ростом электрического поля, но заметным это уменьшение становится только когда напряженность поля значительно превышает пробойные значения (при т.наз. «перенапряжениях на разряднике»). Этот эффект эксплуатируется в многозазорных разрядниках, по сути представляющих собой множество обычных разрядников, включенных последовательно. Грубо процесс срабатывания многозазорного разрядника можно описать так: после пробоя одного из зазоров все остальные оказываются перенапряженными и в них во всех (одновременно!) начинает развиваться искра. Чем большее количество зазоров оказывается замкнутыми, тем под большим перенапряжением оказываются «отстающие» и тем быстрее в них развивается процесс пробоя. В итоге получается, что многозазорный разрядник срабатывает всего в полтора-два раза медленнее, чем одиночный разрядник с зазором, равным зазору одного из зазоров многозазорного разрядника, и намного быстрее, чем одиночный разрядник с зазором, равным сумме зазоров многозазорного разрядника. Т.е. десятизазорный разрядник по скорости срабатывания эквивалентен обычному, но с давлением 5-7 атмосфер.
3. Точечная искра, длиной в единицы миллиметров, имеет довольно малую индуктивность (единицы наногенри), и если ток быстро сбегается к ней по широким шинам и быстро разбегается после нее в широкие шины, то вклад разрядника в общую индуктивность контура невелик. (Хорошо сделанный точечный разрядник вносит в контур

10 наногенри.) Однако и этого бывает много. В таких случаях используют разрядники, дающие возможность искре быстро разрастись в стороны, или даже дающие возможность одновременного образования множества параллельных искр. В одномерном случае это — рельсовые разрядники. Ничего сложного в этом нет. Электроды рельсового разрядника это стержни или трубки, установленные параллельно друг другу. Подвод тока делается шинами, шириной во всю протяженность электродов.
Комбинация этих двух методов — многозазорный рельсовый разрядник — все преимущества, недостаток один — сложно. Кроме того мне пока не удалось придумать конструкцию такого разрядника, одновременно и простую и герметичную и надежную и регулируемую. Макет четырехзазорного рельсового разрядника, сбросанный на скорую руку из пяти жал от паяльника показан на рисунке.

Выглядит непредставительно, да и работает не очень (быстро загрязняется продуктами эрозии электродов) но применение даже такого макета значительно повышает выход излучения из воздушного азотного лазера атмосферного давления.

Разрядник из мебельного болта и горлышка от бутылки хорошо работает до 10..12 кВ. При больших напряжениях можно было бы применить мебельный болт с большей высотой шляпки, но это до тех пор пока он пролазит через бутылочное горлышко. Да и пробой по краям оставляет напыление, приводящее к снижению рабочего напряжения. Если у вас есть доступ к так называемым колпачковым гайкам (иногда еще называются орешковыми гайками) для напряжений 20-30 кВ используйте следующую конструкцию:

Разрядник на 20..30 кВ

• В качестве основания используйте кусок уголка с шириной стороны 50 мм.
• В качестве электрода используйте болт на М16 с колпачковой гайкой под эту же резьбу.
• В качестве корпуса подойдет кусок канализационной трубы (диаметром 40 мм для 20 кВ и диаметром 50 мм для 30+ кВ).
• А в качестве контактного шлейфа — кусок жести от консервной банки или алюминия от пивной.

Ниже показана последовательность сборки. Она практически не отличается от того, что делали для разрядника из бутылочного горлышка. Только размеры всех деталей больше.

Если контактный шлейфик режете из лакированной жести или алюминия, не забудьте его целиком тщательно зачистить от лака по всей поверхности — это снизит потери. А вот анодирование с алюминия можно снимать только по месту — потери на анодировании малы.

Дальше остается только собрать разрядник.

Разрядник неплохо работает при длине искры до 10 мм (в корпусе из 40 мм трубы) и до 15 мм (в корпусе из 50 мм трубы), что соответствует напряжениям свыше 30 кВ.

При энергиях разряда до 10 Дж разрядника хватает на несколько тысяч импульсов, после чего его необходимо вскрывать и чистить корпус изнутри.

При энергиях разряда в 120 Дж разрядника хватает на несколько десятков импульсов (ближе к сотне) после чего необходимо чичтить.

Рельсовый разрядник

Как и обещалось, вот гайд по сборке самодельного регулируемого двухзазорного рельсового разрядника.
Для его сборки потреьуются: пара хромированных цилиндрических дверных ручек, подходящий кусок (куски) алюминиевого уголка, алюминиевый стержень (или медный или бронзовый) диаметром около 10 мм (подойдет и трубка, кстати, но придется чуть изменить способ крепления). Также потребуется немного пластика для корпуса, пара болтиков с гаечками и разного рода слесарный инструмент.

Все проводники (дверные ручки, стержень и уголки) в разряднике должны быть как можно прямее. С гнутыми деталями разрядник не будет работать правильно. Вместо алюминиевого уголка здесь использованы уголковые плинтуса. Кризис ресурсов, что возьмешь. Будем надеяться, что Вам повезет больше.

Отрежьте алюминиевый уголок в размер используемых дверных ручек с небольшим запасом (на стенки корпуса). Скруглите углы уголка и ручек.

Если есть анодированные детали — удалите анодирование. Зашлифуйте поверхность ручек. Слишком блестящая поверхность электродов приводит к задержке пробоя и, соответственно, к разбросу напряжения срабатывания. Это не есть хорошо, в особенности когда рабочее напряжение находится вблизи порога пробоя Ваших конденсаторов. Remove anodizing from the angle stocks (if exists) andgrind the surface of doorhandles. Просверлите крепежные отверстия.

Установите дверные ручки-электроды на уголки.

Теперь нужно собрать коробочку — корпус разрядника. Неплохие результаты дает сборка на глюгане (термоклее из клеевого пистолета). Подсказка: места будущей склейки покройте тонким слоем глюгана и прожарьте ручной газовой горелкой. Такое «лужение» значительно облегчит склеивание и упрочнит клеевой шов.

Сделайте днище. Отрежте прямоугольный кусок пластика, длиной в размер уголка и шириной, вычисляемой по формуле:

Использованные мной дверные ручкм имеют высоту 16.3 мм (при диаметре цилиндрической части 11 мм), диаметр использующегося медного стержня 10 мм. И поскольку хочется, чтобы этот разрядник имел полный зазор, варьируемый в пределах 3..6 мм (каждый из зазоров по полтора миллиметра) нужно взять ширину днища равной w = 16.3*2+2*1.5+10 = 45.6 мм.
Потребуется затратить определенные усилия, чтобы вырезать днище более менее точно в размер и чтобы оно при этом имело ровные стороны и прямоугольную форму. Но оно того стОит.

Приклейте днище к электроду как показано на фото и приклейте боковые стенки.

Затем приклейте противоположный электрод.

В боковых стенках профрезеруйте регулировочные пазы. Вовсе необязательно использовать фрезерный станок. Достаточно оьычной ручной дрели. Хотя вот иметь пальчиковую фрезу диаметром 3 мм тут не помешает. Если нет фрезы — пользуйтесь обычным сверлом. Это менее удобно но вполне выполнимо.

На этом фото показан медный стержень, который вскоре станет центральным электродом.

С торцов стержня просверлите отверстия под крепежные болты и нарежьте в них резьбу.

В этом варианте резьба и винты используются на М3, но и М4 сойдет.

Не забудьте зашлифовать стержень и скруглить концы.

Установите центральный электрод, пропустив крепежные болты через боковые стенки. Свободную площадь прорезей имеет смысл чем-нибудь прикрыть, чтобы разрядник при работе не орал как бешеный пес, попавший под машину. В качестве закрывашек неплохо использовать кусочки пластика с наклеенной на них боксерской резиной.

Следущая важная часть разрядника это его крышка. Она может быть и непрозрачной, но с прозрачной все куда проще и интереснее.

Прорежьте в верхней крышке четыре паза, как на левом фото. Ширина каждого из пазов должна быть чуточку больше чем половина от максимального полного зазора разрядника. Фото ниже показывает зачем это надо. Поскольку разрядник в этом примере предназначен для зазоров от 3 до 6 мм (7.8..15.6 кВ) то пазы должны быть шириной 3+ мм.

На этом фото показано, как использовать сверла для выставления зазора разрядника. Каждое сверло здесь имеет диаметр 3 мм. Отсюда полный выставленный зазор равен 6 мм.

Когда закончите с выставлением зазора залепите пазы звукоизолирующим материалом. Неплохие результаты дает толстый двусторонний скотч на основе пенорезины, используемый в качестве утеплителя окон.

Запустив разрядник остается только плнастроить его. Процедура настройки напоминает юстировку открытого воздушного азотного лазера. Слегка постукивая по болтам, на которых держится центральный электрод добейтесь, чтобы при срабатывании разрядника зажигалась не одна жирная искра где-нибудь скраю, а хотя бы несколько искр более менее распределенных вдоль электродов. Когда закончите — подтяните болты. Разрядник готов к использованию.

На правом фото показан небольшой воздушный лазер с этим разрядником. Тут не особо хватило место и Вам придется поверить на слово, что этот лазер способен возбуждать раствор родамина 6Ж до генерации на расстояниях до полуметра безо всяких линз. Для кумарина это соответствует растоянию более одного метра. С точечным разрядником результаты куда хуже.

Источник