ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 71
Скачиваний: 0
Т. Б. Фогельсон, Л. Н. Бреусова, Л. Н. Вагин
Импульсные
водородные
тиратроны
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974
УДК 621.385.337.8:546.11
Фогелъсон Т. Б., Бреусова Л. Н., Вагин Л. Н. Импульсные водо родные тиратроны. М., «Сов. радио», 1974, 212 с.
Рассматриваются основные физические процессы, происходящие в импульсных водородных тиратронах, которые являются комму тирующими приборами импульсных схем. Приводятся принципы конструирования отдельных блоков тиратронов. Ряд глав книги по свящается описанию электрических характеристик импульсных ти ратронов и выбору электрических параметров приборов при про^. ектированин импульсной аппаратуры. Излагаются особенности при менения тиратронов в различных схемах.
Книга предназначена для инженеров-электровакуумщнков, про ектирующих импульсные тиратроны, радиотехников, радиофнзиков и физиков-экспернментаторов, применяющих эти приборы в аппа ратуре. Она также может быть полезна аспирантам и студентам старших курсов радиотехнических вузов и факультетов электронной техники.
132 рис., 1 табл., библ. |
119 назв. |
|
|
|
|
|
||
|
I |
|
- |
|
|
|
|
|
Редакция литературы по: электронной |
технике |
i |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
; |
|
|
|
L |
V |
Jl'., |
, |
,. .= |
i |
|
|
Таисия Борисовна <Ьп»Алн£щ'- |
|
|
’*£__ |
|
|
|||
Лия Николаевна |
Бреусова |
|
|
|
|
|
|
|
Лев Николаевич |
Вагин |
|
|
|
|
|
|
|
ИМПУЛЬСНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ ТИРАТРОНЫ |
|
|
|
|
||||
Редактор Т. А. Борисова |
|
|
|
Cf |
|
|
|
|
Художественный редактор 3. Е. Вендрова |
|
|
|
|
||||
Обложка художника В. В. Волкова |
|
|
|
|
|
|||
Технический редактор 3. Н. Ратникова |
|
|
|
|
|
|||
Корректоры: М. Ф. Белякова, И. Г. Багрова |
|
|
|
|
||||
Сдано в набор 31/VII 1973 г. |
Подписано |
в печать |
15/II |
1971 |
г. Т-00977 |
|||
Формат 81 X 108/зг |
Бумага типографская |
№ 2 |
|
|
|
|||
Объем 11,13 уел. п. л., 11,590 уч.-изд. л. |
|
|
|
|
|
|||
Тираж 4500 экз. |
Зак. 357 |
Цена 58 коп. |
|
|
|
|
||
Издательство «Советское радио», |
Москва, |
Главпочтамт, |
а/я |
693 |
Набрано в московской типографии № 13 Согазполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 107005, Москва, Б-5, Денисовский пер., 30.
Отпечатано в типографии изд-ва «Советское радио» Зак. 1186
30407-044
Ф046 (01)-74
© Издательство «Советское радио», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ |
|
|
Импульсные водородные |
тиратроны применяются |
|
в импульсных схемах |
в качестве коммутирующих при |
|
боров, обладающих |
высокой |
стабильностью включе |
ния, малым временем восстановления электрической прочности и малыми потерями мощности. Первоначаль но эти приборы применялись, в основном, в модулято рах радиолокационных станций.
Импульсные тиратроны не единственные коммути рующие приборы. Для этой цели служат и другие газо разрядные приборы: искровые разрядники различных типов, отпаянные газоразрядные приборы высокого дав ления, а также вакуумные модуляторные лампы [1]. В последнее время стали применяться твердотельные приборы — тиристоры.
Вакуумные модуляторные лампы используются в схе мах с частичным разрядом накопительной емкости и имеют ряд преимуществ перед газоразрядными прибо рами всех типов. К этим преимуществам относятся: спо собность работать при любой частоте следования им пульсов тока (наибольшая частота ограничивается лишь допустимой средней мощностью), возможность регулиро вания длительности импульса и промежутка между им пульсами со стороны низкого напряжения (в цепи сет ки). Однако вакуумные модуляторные лампы имеют очень низкий к. п. д. из-за большого расхода мощности на накал катода и потерь на аноде. Потери в приборах составляют 20—36%. Кроме того эти приборы обладают сравнительно низким коэффициентом управления по мощности, для них требуются сложные мощные подмо дуляторы питания управляющей сетки и высокие запи рающие напряжения экранной сетки.
Газоразрядные коммутирующие приборы всех типов применяются в так называемых линейных модуляторах. Накопитель энергии в этих модуляторах представляет собой искусственную длинную линию. Отпаянные двух электродные приборы высокого давления, искровые воз-
3
душные разрядники и тригатроны имеют ограниченное применение из-за сравнительно небольшой долговечно сти вследствие эрозии электродов и недостаточно высо кой стабильности зажигания разряда.
Импульсные тиратроны являются наиболее совершен ными коммутирующими приборами, применяемыми в ли нейных модуляторах. Они имеют высокий к. п. д., дости гающий в тиратронах средней и большой мощности 98— 99%. Коэффициент управления по импульсной мощно сти примерно равен 104. Тиратрон управляется по сет ке простейшим генератором, к форме импульса кото рого не предъявляются жесткие требования. Частота следования импульсов тока при использовании импульс ных тиратронов достигает нескольких тысяч импульсов в секунду, а стабильность зажигания тиратрона очень велика; разброс во времени фронта импульса тока не превышает (2—3) X10-9 с.
В последнее время область применения импульсных тиратронов значительно расширилась. Они используют ся в ускорителях заряженных частиц, в лазерной технике и в ключевых генераторах различных типов, в том чис ле в генераторах с ударным возбуждением колебатель ного контура. Затухающие колебания, возникающие в схемах ударного возбуждения, успешно применяются для индукционного нагрева и в навигационной технике.
При создании импульсных тиратронов потребовалось дополнительное изучение целого ряда вопросов техниче ской физики, как-то: возникновение электрического раз ряда при низких давлениях (левая ветвь кривой Пашена), автоэлектронная эмиссия в присутствии газа, тер моэлектронная эмиссия оксидного катода в условиях им пульсного разряда, процесс развития разряда в тира троне, методы создания постоянного давления газа и др. Материалы, посвященные этим вопросам, изложе ны в отдельных статьях, отчетах, диссертациях, обзорах. В учебниках по электровакуумным и ионным приборам [2, 3] импульсным тиратронам уделены очень небольшие разделы и многие вопросы в них не рассматриваются. Книга Т. А. Ворончева «Импульсные тиратроны» [4], выпущенная в 1958 г., содержит описание физических процессов, обоснование конструкции и характеристики небольшой серии маломощных импульсных тиратронов.
В настоящей книге авторы предприняли попытку об общить литературные данные и опыт исследования
4
физических процессов и создания импульсных тиратро нов. Материал расположен следующим образом.
ВI главе приводятся общие сведения об импульсных тиратронах. В главах II—VI рассматриваются физиче ские процессы, происходящие в тиратроне в течение им пульсного цикла, и работа оксидного катода в условиях: импульсного разряда в водороде.
Вглаве VII описываются потери мощности в тира троне, VIII глава посвящена созданию источника водо рода в тиратроне. В главе IX дается описание конструк ции, в главе X приведены электрические характеристи ки тиратронов. В главе XI рассмотрены некоторые во просы, связанные с применением тиратронов.
Восновном все расчеты выполнены в системе СИ, но для некоторых случаев использованы и внесистемные разрешенные единицы.
Главы II, V, VII, разделы IX.2 и Х.4, Х.5, Х.7, Х.8,
Х.9 написаны Л. Н. Бреусовой. Главы IV и VI, разделы IX.4 и Х.6 написаны Л. Н. Вагиным. Главы I, III, VIIГ
и XI, а также разделы IX.1, IX.3, IX.5 и X.l, Х.2, Х.З
написаны Т. Б. Фогельсон.
Ценные советы и постоянное внимание при работе над книгой оказывал проф. |Б. Н. Клярфельд. |
Авторы приносят благодарность: академику Н. Д. Девяткову за поддержку работы, Э. И. Подольской, Л. Б. Рукевич и В. А. Ольчевой, выполнившим ряд ис следований, и Г. В. Фединой за помощь в оформлении рукописи. Авторы также благодарны проф. Л. А. Сена:
иО. П. Григорьеву, взявшим на себя труд ознакомиться'
срукописью и сделать ряд замечаний. Авторы будут признательны читателям за все критические замечания: и предложения, которые послужат дальнейшему усо вершенствованию книги. Замечания можно направлять в изд-во «Советское радио» по адресу: Москва, Глав почтамт, а/я 693.
Глава I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ
ТИРАТРОНАХ
J.1. ТИРАТРОНЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ И ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ХАРАК ТЕРИСТИКАМИ ЗАЖИГАНИЯ
Управляемые газоразрядные приборы с накаленным катодом — тиратроны по принципу отпирания можно разделить на две основные группы. К первой группе от носятся тиратроны, отпирание которых происходит при уменьшении отрицательного потенциала сетки, благода ря чему электроны, выходящие из катода, получают в пространстве между сеткой и анодом энергию, доста точную для ионизации газа. Характеристикой зажигания таких тиратронов является зависимость Ua = f(Uc), где Ua— напряжение анода, a Uc — напряжение сетки. Их можно назвать тиратронами с отрицательной характери стикой зажигания (отпирания) или с «потенциальным» управлением.
В эту группу входят тиратроны, предназначенные для преобразования тока в выпрямительных и инвертор ных схемах, а также релейные тиратроны. Для них со отношение между максимальным и средним током, отбираемым от тиратронов, не превышает 6—ь (харак терное соотношение для вентилей). Поскольку плотно сти тока в этом случае невелики, обычно не следует опа саться разрушения катода под действием мойной бом бардировки. Приборы наполняются тяжелыми инертны ми газами (аргон, криптон, ксенон) и ртутью. Выбор газа объясняется, в значительной мере, низким потен циалом ионизации, благодаря чему удается получить сравнительно низкое падение напряжения на тиратроне.
Тиратронам с отрицательной характеристикой зажи гания посвящено много обзорных статей, учебников, на пример, [2, 3, 5]. Рассмотрение этой группы приборов не входит в нашу задачу.
Ко второй группе относятся импульсные тиратроны, отпирание которых основано на другом принципе. В этих тиратронах анод столь сильно экранируется сеткой от
6
катода, что независимо от потенциала сетки поле анода к катоду не проникает. Отпирание происходит, когда ме жду катодом и сеткой возбуждается вспомогательный разряд и плотность плазмы в области сетки, в которую проникает поле анода, достаточна для распространения проводимости на весь тиратрон. Эти приборы можно на звать тиратронами с положительной характеристикой, отпирания или с «токовым» управлением.
Импульсныетиратроны были предложены Гермесхаузеном [1,6] и появились через 15 лет после изобре тения тиратрона с отрицательной характеристикой [5]. В них отношение амплитуды тока к его среднему значе нию обычно больше ста и может достигать нескольких тысяч. Длительность импульса находится в пределах от долей микросекунды до сотни микросекунд. Длитель ность фронта импульса тока составляет доли микросе кунды. Так как газовый разряд в импульсном тиратроне развивается за время 10~7— 10-8 с, процесс развития разряда мало влияет на форму импульса тока.
Восстановление электрической прочности в импульс ных тиратронах происходит в течение нескольких единиц или десятков микросекунд, благодаря чему частота сле дования импульсов тока может достигать нескольких тысяч в секунду. Импульсные тиратроны обладают вы сокой электрической прочностью. Существуют тиратро ны, работающие при напряжении анода 50—100 кВ..
1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТИРАТРОНОВ
Принципиальная схема линейного модулятора с им пульсным тиратроном приведена на рис. 1.1. Работа схе мы протекает следующим образом. Формирующая ли ния заряжается от выпрямителя через зарядный дрос сель и диод Л\. В период заряда напряжение на аноде тиратрона Л нарастает по линейному или косинусои дальному закону; при заряде через диод часть времени между импульсами напряжение анода имеет постоянное максимальное значение. При отпирании тиратрона энер гия, накопленная в формирующей линии, разряжается через тиратрон на нагрузку Rn. После прохождения им пульса тока к аноду прикладывается отрицательное на пряжение, возникающее на формирующей линии за счет рассогласования ее волнового сопротивления и сопро-
7
тивления нагрузки. Отрицательное напряжение сущест вует в течение времени, достаточного для восстановле ния электрической прочности тиратрона.
Рис. 1.1. Принципиальная схема включения импульсного тиратрона:
В — выпрямитель, ФЛ —формирующая линия, ^зар —зарядный дроссель, Л 1 —зарядный диод, Л —тиратрон, RH—нагрузка, ГПН — генератор поджигающих импульсов, R —сопротивление утечки, Сп —переходная емкость.
Высокая электрическая прочность и малое время раз вития разряда — требования противоречивые, удовлетво рить которым, равно как и обеспечить малое время вос становления электрической прочности, удается в тиратро нах, которые по конструкции отличаются от тиратронов с отрицательной характеристикой зажигания. На рис. 1.2 приведено схематическое изображение импульсного ти ратрона. Анод 2 окружен экраном 9, имеющим потен циал сетки. Диск сетки 3 с отверстиями для прохожде ния тока расположен под анодом. Экранирующий диск сетки 4, препятствует проникновению поля анода в ка тодную область, благодаря чему создается высокая элек трическая прочность тиратрона. Экранирующий диск как бы делит тиратрон на две области: катодную и анодно-сеточную.
Отпирание тиратрона происходит после возбуждения вспомогательного разряда между катодом и сеткой, ко торый создает определенную плотность заряженных час
тиц в щели сетки а—б. Все |
то |
время, пока развивает |
ся разряд между катодом |
и |
сеткой, тиратрон не |
проводит ток. Предварительная ионизация значительной части разрядного пространства способствует ускорению времени 'коммутации — длительности перехода тиратро на из непроводящего состояния в состояние горения раз ряда с высокой проводимостью. Разделение разрядного
8
пространства тиратрона на анодно-сеточную и катодную области способствует ускорению восстановления элек трической прочности тиратрона после прохождения им
пульса тока. |
|
и напряжения на тиратроне в тече |
||||||||
Изменение тока |
||||||||||
ние одного |
импульсного |
цикла |
приведено |
на рис. 1.3. |
||||||
Цикл |
разделен |
|
на |
не |
|
|
|
|
||
сколько периодов, каж |
|
|
|
|
||||||
дый |
из |
которых |
имеет |
|
|
|
|
|||
собственный масштаб вре |
|
|
|
|
||||||
мени. |
предразрядный |
не |
|
|
|
|
||||
В |
|
|
|
|
||||||
проводящий |
период |
все |
|
|
|
|
||||
анодное напряжение при |
|
|
|
|
||||||
ложено между |
сеткой и |
|
|
|
|
|||||
анодом тиратрона. Про |
|
|
|
|
||||||
межуток |
|
анод |
— сетка |
|
|
|
|
|||
(«анодная камера») ти |
|
|
|
|
||||||
ратрона |
должен |
обла |
|
|
|
|
||||
дать в этот период высо^ |
|
|
|
|
||||||
кой электрической |
проч |
Рис- 12- |
|
|
||||||
ностью. Появление про- |
Схематический чертеж |
|||||||||
водимости |
|
между |
сеткой |
|
импульсного тиратрона-. |
|||||
и анодом |
может |
приве |
] —овод анода, 2 — анод, 3 — диск сет |
|||||||
ки, 4 — экранирующий диск, 5 —верх |
||||||||||
сти к нарушению нор |
ний |
экран |
катода, |
6 —эмиттнрующая |
||||||
поверхность |
катода, |
7 — подогреватель,- |
||||||||
мального импульсного ре |
8 — тепловой экран катода, 9 —экран. |
|||||||||
жима, |
так |
как потенциал |
|
|
|
|
сетки относительно катода повышается, что может вы звать ионизацию пространства катод — сетка и в ряде случаев преждевременное отпирание тиратрона. Появ ление проводимости между анодом и сеткой до прихо да поджигающего импульса недопустимо также из-за роста тепловых потерь и разрушения электродов.
Период сеточного запуска (период разряда в проме жутке катод— сетка) начинается с момента приложения к сетке импульса напряжения. После того, как проводи мость пространства между сеткой и катодом достигнет критической величины, появляется анодный ток и начи нается период коммутации. Запаздывание момента воз никновения анодного тока по отношению к началу сеточ ного импульса должно характеризоваться высокой ста бильностью во времени от импульса к импульсу, так как ею определяется синхронизация импульсных процессов, связывающих все устройство, в которое включен тира трон.
а