2. Устройство и принцип действия

Конструкция типичного разрядника представляет собой два плоских дисковых электрода, разделенных диэлектрической вакуумной оболочкой из керамики (рис. 1). Приборы обычно наполняются инертными газами и их смесями до давления от 102 до 106 Па. Характерные значения параметров газоразрядного промежутка: расстояние - до 1 см, площадь - порядка 1 см Минимальные габариты 8,26 мм (диаметр и высота разрядников «кнопочной» конструкции), максимальные - 120220 мм. В проводящее состояние разрядники переходят в результате возникновения газового разряда. В зависимости от назначения прибора разряд может быть тлеющим (на миллиамперный диапазон токов), дуговым (амперы и килоамперы) или искровым (килоамперы).

Рис. 1. Защитный металлокерамический разрядник «кнопочной» конструкции

Основные физические процессы в тлеющем разряде: развитие электронных лавин, выход электронов из катода под действием ионов и фотонов, перераспределение потенциала в промежутке за счет ионного пространственного заряда, приводящее к формированию узкой прикатодной области с большой напряженностью поля. Характерные величины напряжения горения разряда - сотни вольт.

В дуговом разряде определяющую роль играет термоэмиссия электронов с поверхности катода, разогретого ионной бомбардировкой. Дуговому разряду в сравнении с тлеющим присущи более низкие значения напряжения горения - десятки вольт. Для разрядников характерна «неустановившаяся форма дугового разряда», при которой до высокой температуры быстро разогревается не весь катод, а лишь его микроучасток, в пределах которого возможны плавление и испарение вещества.

Разряд в таких условиях может развиваться в расширяющемся облаке пара материала катода. Для обеспечения необходимой долговечности разрядников в таких случаях особое внимание уделяется выбору катодного материала. Основные требования к нему - низкая работа выхода электронов и сравнительно малая теплота испарения. Одним из распространенных материалов является алюмосиликат цезия, заполняющий поры прессованной губки из никелевого порошка. В сильноточных (до 150 кА) коммутационных разрядниках катод выполняется в виде медной пленки, нанесенной на подслой молибдена.

Искровой разряд развивается при очень высокой интенсивности размножения электронов в лавине, с существенной генерацией фотонов, способных ионизировать молекулы газа. Разряд формируется в виде «стримеров», визуально наблюдаемых как искры. Развитию стримеров физически соответствует быстрое перемещение фронта ионизированного газа, обусловленное тем, что после ухода на анод части электронов лавины положительный пространственный заряд «втягивает» в основной разрядный канал «дочерние» электронные лавины, зарождающиеся перед фронтом в результате фотоионизации газовых молекул.

Достоинства разрядников: широкий диапазон значений рабочих напряжений и токов, устойчивость к токовым перегрузкам, простота конструкции и технологии изготовления, способность нормально функционировать в условиях радиации и высокой (до 300 оС) температуры окружающей среды. Достоинства определяют широкое применение разрядников: в настоящее время выпускается около 50 типов приборов. Обозначение типов обычно включает букву «Р» и номер разработки, например неуправляемый защитный разрядник Р-150. В обозначении некоторых типов указываются две буквы и номер. Например, РУ-73 - управляемый трехэлектродный разрядник; РО-49 - разрядник обостритель для рентгеновских приборов; РК-160 - коммутирующий разрядник.