Файл: Фогельсон, Т. Б. Импульсные водородные тиратроны.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 71

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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