ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Создание газоразрядных коммутирующих приборов нового поколения для импульсной энергетики и организация их производства». «Разработка полностью безнакальных коммутирующих приборов»

Рекомендуемая область пременения

-источники питания лазерных систем;
-испытательная радиотехническая аппаратура;
-природоохранная аппаратура и плазмохимия – в электрофильтрах очистки экологически опасных газопылевых выбросов предприятий промышленности и энергетики, в источниках питания мощных установок по производству озона, в технологиях дезактивации высокотоксичных веществ и пр.;
-радиолокация, в том числе сверхширокополосные радиолокационные средств нового поколения (РЛС ХХI века) без использования традиционных СВЧ приборов;
-технологические установки в экологически чистых, энергосберегающих и роботизированных производствах – для магнитно-импульсной, электрогидравлической и гидроимпульсной обработки материалов;
-нанотехнологии, в том числе нанобиотехнологии;
-телевизионные и радиопередатчики, и пр. мощная радиотехническая аппаратура-системы кроубарной защиты;
-ускорительная техника и установки термоядерного синтеза;
-электромагнитные метатели для перспективных систем вооружений;
-геология и нефтедобыча – в сейсморазведке, установках электробурения, установках для очистки нефтезаборных устройств и повышения дебита нефтяных скважин посредством возбуждения при разряде мощных ударных волн;
-электрофизика и микроэлектроника в установках «плазменный фокус» (мощные источники рентгеновского и нейтронного излучения);
-нетермальное воздействие сильных электрических полей на медико-биологические объекты с целью:дебактеризации питьевой воды и сточных вод (бытовых и промышленных); пастеризации продуктов питания (новая технология, разработанная по заказу Армии США, обеспечивающая наивысшие параметры по эффективности сохранения пищевых качеств и минимуму энергозатрат); лечения злокачественных опухолей;
-нетермальное воздействие сильных электрических полей на материалы с целью повышения эффективности извлечения из руд драгоценных и редких металлов.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – обеспечение потребностей перспективной техники и технологии в коммутирующих приборах.

Результатом проведенной в России (Компанией ООО «ИТ») работы, явилось создание и внедрение в производство ряда компактных и надежных тиратронов ТДИ и ТПИ, которые сочетают лучшие свойства современных искровых, ртутных игнитронных, вакуумных разрядников, классических тиратронов. Высокие эксплуатационные качества новых тиратронов обусловлены тщательной научной проработкой совместно с академическими институтами России и Германии физики процессов разряда при низком давлении наполняющего газа и технологически простой конструкцией с низкой себестоимостью в производстве, большим сроком службы. Данная работа обеспечила приоритет России, как в области высоковольтных коммутирующих приборов, так и в области создания перспективных технологий и специальной техники, разрабатываемой в интересах обороны и безопасности страны, а также при широком использовании в различных сферах науки, связи, медицины, прогрессивных экологически безопасных технологий, и пр.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Единственными приборами, успешно конкурирующими с ГКП, РИР и ИМЛ являются твердотельные коммутаторы (ТТК), лишенные накаливаемого элемента и соответственно его недостатков. Необходимо отметить, что конкуренция со стороны ТТК, срок службы которых достигает 20 тыс. часов и более, привела к тому, что – в 90-х годах прошлого века, мировые объемы производства ИВТ, РИР и ИМЛ резко снизились. В то же время полностью оправданной является замена ЭВП и ГРП только в относительно маломощных устройствах, коммутирующих малые напряжения и плотности токов. Высоковольтные же сборки ТТК пока весьма дороги. Поэтому ведущие фирмы – производители тиратронов продолжают разработки мощных и сверхмощных коммутаторов с ненакаливаемым катодом.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

При разработке PSS, как и других приборов с разрядом низкого давления, необходимо удовлетворять комплексу противоречивых требований. Специфические проблемы связаны также с эрозией электродов. Помимо напыления материала электродов на стенки камеры для сильноточных PSS  характерно то, что эрозия катода происходит главным образом вблизи отверстий. В результате вокруг отверстия образуется углубление в виде воронки, а толщина плоской части катода в сечении отверстия уменьшается. Это влечет за собой снижение пробивного напряжения.

Для предотвращения нежелательных явлений при эрозии электродов в основном была разработана серия тиратронов типа ТПИ, принципиально отличающихся от тиратронов ТДИ-типа. По существу эти приборы аналоги классических тиратронов, работающих в схеме с заземленным, но с холодным (плазменным) катодом. Катод основного промежутка в исходном состоянии с катодом камеры запуска через сопротивление R_T. Основное напряжение при этом приложено к зазору анод-сетка. Во вспомогательной камере, состоящей из полости В и кольцевого анода А горит слаботочный тлеющий разряд. При приложении импульса запуска положительной полярности к сопротивлению R_T ток основного разряда замыкается с анода D через отверстия в электроде С, который по сути играет роль сетки, на внутреннюю полость заземленного электрода В.

Применительно к коммутаторам важными задачами являются снижение напряжения зажигания вспомогательного тлеющего разряда и снижение прямого падения напряжения в коммутирующем приборе, особенно на начальных стадиях развития основного разряда. Одним из способов решения проблемы является использование специальных материалов, обеспечивающих низкую работу выхода электронов. Для этого в тиратроне ТПИ внутри полости В размещена вставка из композиционного материала (cesiumaluminateimpregnatedtungsten) с высокой эмиссионной способностью. Вставка представляет собой полный цилиндр с внутренним диаметром 8 мм.

В процессе горения стационарного тлеющего разряда роль полого катода играет как полость В, так и внутренняя поверхность эмиссионной вставки. За счет ионного распыления в полости В появляются пары цезий содержащего материала, которые также осаждаются на стенки полости. В результате ВАХ стационарного разряда существенно модифицируется по сравнению со случаем отсутствия вставки. Прежде всего, разряд характеризуется пониженным напряжением зажигания и низким напряжением горения . В широком диапазоне токов напряжение горения практически не зависит от силы тока и составляет менее 150 В, что соответствует значению падения в классических тиратронах с накаливаемым катодом. При малых токах имеет место режим сверхплотного тлеющего разряда, а при больших токах - дуги с катодным пятном. Эрозии в зависимости от длительности импульса и амплитуды тока подвергается в основном либо эмиссионная вставка, либо внутренняя поверхность и кромки электрода В, т.е. электрода, который вынесен из промежутка DCи его состояние практически не влияет на электропрочность прибора. В результате эрозия электрода С оказывается незначительной и время жизни прибора весьма существенно увеличивается. Практически ресурс такого прибора зависит от массы катода, заложенной при его изготовлении. В связи с тем, что для большинства режимов коммутации известен расход массы на единицу коммутируемого заряда, то можно выбрать требуемый срок службы. Ресурсные испытания тиратрона ТПИ1-0,2к/12 показали его возможность по обеспечению срока службы не менее 20 тыс. часов, что в 10 раз более ресурса тиратрона с накаливаемым катодом ТГИ1-50/6 в аналогичном режиме и соответствует наработке новейших твердотельных коммутаторов (ТТК). Еще существеннее эта разница в режимах с субмикросекундными длительностями импульсов. Достоинствами по сравнению с ТТК данных PSS является возможность работы с высокой частотой следования импульсов с малым временем развития разряда (около 2 нс при токах до 1 кА и напряжении до 20 кВ) и временем восстановления электрической прочности менее 1 мкс, при большой перегрузочной способности, низкая стоимость, а недостатками - большее напряжение управления (несколько киловольт), малые значения среднего коммутируемого тока (0.1-0.2 А). Однако отметим, что PSS находятся в стадии своего развития и устранение этих недостатков принципиально возможно уже в ближайшее время.

Для ТЗС типа ТДИ применяются также различные способы уменьшения эрозии катода. Они основаны на применении новых электродных материалов и уменьшении плотности тока или времени воздействия дуги на участки электродов за счет увеличения скорости ее перемещения. Для этого необходимо создание условий сохраняющих диффузную форму разряда или распределение тока дуги по нескольким каналам, не допуская линчевания и объединения каналов за счет перемещения дуги в течение импульса тока. Конструкция отпаянных разрядников ТДИ1-150к/25 . Анод и катод изготовлены в виде чашеобразных электродов с плоскопараллельными рабочими поверхностями. В катоде имеются 4 отверстия диаметром 4 мм, расположенные на окружности D40 мм. Использованы реэнтрантная компоновка основных электродов - катода и анода, «сэндвичевая» конструкции катода и узел управления с полупроводниковым поджигателем. Компоновка электродов задает направления тока проходящего по ним так, что действие силы Лоренца приводит к выталкиванию каналов из боковых частей в основной рабочий промежуток, препятствуя движению к керамической стенке.

«Сэндвичевый» катод выполнен из двух относительно тонких слоев материалов с различными значениями теплоты сублимации на массивной медной подложке. Верхний медный (или композитный - медь в вольфрамовой пористой основе, медь- карбид кремния) слой, обращенный к аноду, обладает минимальным ее значением, под ним расположен слой с большим значением теплоты сублимации. Работа такого катода происходит следующим образом. В начальный период, как и обычно, под действием разряда происходит локальное разрушение легкоплавкого медного слоя на рабочей поверхности по окружности отверстия катода. Медь испаряется с этого участка с последующим высвобождением лежащего под ним слоя более тугоплавкого металла, что приводит к ухудшению условий испарения. Поскольку разряду энергетически выгоднее гореть на меди, создается ситуация, при которой разрядный канал перемещается по тонкому постоянно напыляемому слою меди на участок рабочей поверхности, где исходный слой еще не выработан. С течением времени вырабатывается почти весь поверхностный слой из меди не затрагивая более глубоких слоев. Выполнение рабочей поверхности катода из легкоплавкого материала создает условия для увеличения срока службы прибора и обеспечивает гладкую, без обрывов и резких колебаний форму импульса тока.

В режимах с низкой рабочей частотой и большим коммутируемым в импульсе зарядом наиболее выгодно использование в устройстве поджига полупроводящего материала. Имея относительно низкое сопротивление, этот материал, сравнительно с диэлектрическим материалом, менее подвержен изменению своих характеристик в условиях напыления проводящих пленок при работе прибора. Кроме того, инициирование пробоя между электродами, контактирующими с полупроводником, не требует обеспечения большой напряженности поля при малых межэлектродных расстояний, как в случае пробоя по диэлектрику. В устройстве запуска PSS ТДИ1-150к/25 использован цилиндрической формы поджигатель из поликристаллического карбида-нитрида бора (либо карбида кремния) , смонтированный на керамической пластине с двумя электродами , имеющими пружины и соединенными с металлической пластиной . На среднюю часть электродов намотана медная проволочка. За счет поликристаллической структуры поджигатель имеет шероховатую поверхность со множеством выступов, которые

образуют с витками медной проволоки большое количество точек контакта, каждый со своим переходным сопротивлением. При подаче напряжения отрицательной полярности на электрод 3, ток пускового импульса протекает через объем полупроводящего цилиндра, на пружинный контакт. В точках контакта возникают микроискры, которые являются центрами для инициирования разряда между электродом 3 и внутренней поверхностью катода. Из плазмы этого разряда через катодные отверстия электроны инжектируются в промежуток между катодом и анодом PSS. В процессе работы постепенно материал поджигателя и электрода 3 испаряется, однако за счет упругих свойств проволоки 4 постоянство их контакта сохраняется длительное время. С данным устройством поджига обеспечивается широкий диапазон рабочих напряжений генератора водорода, время запаздывания менее 0,1 мкс и джиггер менее 4 нс.

Основные характеристики тиратронов ТПИ и ТДИ

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Разработки новых тиратронов велись в первую очередь с целью обеспечения технологической аппаратуры надежными, долговечными и недорогими коммутирующими приборами. Отсутствие постоянно подключенного накала, большие сроки службы, миниатюрность, высокая перегрузочная способность, низкая стоимость и пр. позволяет этим тиратроном успешно конкурировать как с известными коммутаторами-тиратронами с накаливаемым катодом и разрядниками, так и с новейшими твердотельными приборами.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Тиратроны, как типа ТДИ и ТПИ, так и ТПУ, снабженные патентованным встраиваемым устройством «СРНВ» способны работать в безнакальном варианте. В результате достигнута цель иметь принципиально новые коммутаторы, сочетающие лучшие качества тиратронов, вакуумных и искровых разрядников, а также твердотельных приборов. Использованное решение существенно улучшает эксплуатационные характеристики приборов (в том числе обеспечивает увеличение диапазона рабочих температур окружающей среды и стабильности работы), упрощает схемные решения при работе с высоким потенциалом катода (катода и анода), позволяет иметь мгновенную готовность к работе.

Новые потребительские свойства продукции

- снижение стоимости устройства (например, у источников питания ячейки Поккельса на основе PSS ТПИ1-0,2к/12 стоимость при одинаковых технических параметрах с ячейкой на основе ТТК меньше почти в 5 раз, а размеры и вес меньше в 2 раза)
- большие сроки службы
- миниатюрность
- высокая перегрузочная способность
- конкурентоспособность тиратронов как с известными коммутаторами (тиратронов с накаливаемым катодом и разрядниками), так и с новейшими твердотельными приборами.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Осуществляется аппробация разработки.

Предлагаемые инвестиции

Объём инвестиций, период окупаемости (для инновационного проекта). Объемы потребления мощных высоковольтных коммутирующих приборов различных типов во всем мире составляют сотни тысяч приборов в год. При средней цене прибора 700 USD рынок оценивается не менее 200 млн. USD.
Инвестиции в разработку и постановку на производство приборов производились из собственных средств, из договоров на опытно-конструкторские разработки с организациями, заинтересованными в приобретении необходимых приборов. В период 1997-2002 год с целью оптимизации конструкции и расширения технических возможностей PSS исследования проводились по программе "Наука для мира" (Science for Peace Programme SfP-972580) с финансированием Научным комитетом НАТО.
Производство тиратронов ООО "Импульсные технологии" с 2001 до 2003 года велось малыми партиями ввиду экспериментального и опытного характера применения новых и развивающихся технологий, использующих эти приборы. Однако с 2004 года произошло существенное увеличение потребности, т. к. на ряде предприятий закончились испытания опытных установок и начался серийный выпуск. Объектом реализации сторонним покупателям и заказчикам по итогам выполнения проекта будут готовые изделия, блоки для их управления, сервисные услуги.
Производственный цикл изготовления тиратронов составляет 1 -2 месяца. Время оборота денежных средств от оплаты сырья и комплектующих до получения выручки от реализации готовой продукции - около 3-х месяцев.
В настоящее время инвестиции сторонних организаций привлекать не планируется.

Рынки сбыта

В Росси ООО «Импульсные технологии» ведет разработки и обладает исключительным правом на производство тиратронов типа ТДИ и ТПИ, зафиксированном выдачей 3-х патентов РФ. Разработка с 1990 года имеет мировой приоритет.
О высоком качестве приборов ООО «Импульсные технологии» говорит факт поставок, начиная с 2003 года в Японию тиратронов ТДИ1-50к/50 для новой электронно-пучковой технологии финишной обработки материалов, признанной там одной из самых перспективных технологий по итогам 2003 г. ООО ИТ является единственной российской компанией, стабильно поставляющей в Японию компоненты электронной техники.

Возможность и эффективность импортозамещения

Возможна замена продукции фирмы «ES2V Technologies» тиратронами НХ3020, принадлежащей General Electric Co и тиратронов, выпускаемых фирмой Alston Vakuumschalttechnik GmbH (Germany).

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

60

Дата поступления материала

28.09.2006