ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 69
Скачиваний: 0
на весьма приближенно, так как точное измерение в ти ратроне не представляется возможным.
Падение напряжения, на оксидном слое, &U0i!C, зави сит в первую очередь от температуры оксидного слоя, резко убывая с ростом ее, от анодного тока, а также ка чества оксидного слоя. Величина Ai/0KC равна 30—100 В при наибольшей амплитуде тока.
Катодное падение потенциала, ДUK. Для хорошо ак тивированного катода, имеющего температуру 800— 850° С, катодное падение потенциала имеет значение 15—20 В. Низкая плотность газа около горячего катода приводит в ряде тиратронов к повышению AUK до
25—35 В.
Падение напряжения на столбе ДНСТ и в отверстиях
Д£/отв в тиратронах большой мощности даже при токах в несколько тысяч ампер обычно не превышает 30—50 В и 20—80 В, соответственно. В некоторых случаях, кото рые будут более подробно разобраны в дальнейшем из ложении, падение ДЙ0Тв может составить много десят ков вольт.
Анодное падение потенциала AUa для разряда в во дороде в большинстве случаев положительно и имеет величину порядка 10—20 В.
Наибольшая часть общего падения напряжения на тиратроне приходится на катод и прилегающую к нему область разряда: сумма AU0Kc, AUKи ДНСТ составляет обычно 60—70% от всего падения напряжения.
V.2. ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВОДОРОДА
Прохождение значительного тока через тиратрон вы зывает по ряду причин изменение плотности водорода. Одна из причин разрежения газа — разогрев электродов. На электродах тиратрона: катоде, сетке, экранах и ано де при прохождении тока выделяется значительное коли чество тепла, вследствие передачи металлу кинетической энергии электронов н ионов, скрытого тепла рекомбина ции, тепла ассоциации атомного водорода в молекуляр ный, от нагретого разрядом водорода. В общем балансе тепловыделения существенную роль играет накал като да, большая часть мощности которого передается сетке путем излучения и теплопроводности. Разогрев отдель ных электродов меняет плотность прилегающего газа.
90
Как известно, если рассматриваемый объем охвачен со всех сто рон электродом, имеющим температуру Т, то плотность газа в этом объеме d T относится к плотности газа d0, находящегося при ком натной температуре, как
d Tld t = TJT |
(V.2) |
в случае, -когда XHj < А где I—расстояние между стенками, XHj ■— дли на свободного пробега молекулы водорода. Для случая, когда XHi > I, т. е. для очень низкого давления имеет место соотношение
■dTl d0 = / f j T . |
(V.3) |
В водородном тиратроне давление имеет промежуточное значение
и |
I, но во всяком случае соседство с горячим электродом |
или |
нагрев водорода разрядом вызовут местное понижение плот |
ное ж |
газа. |
При нагрузке импульсным током на постоянную температуру электродов накладывается быстро меняющееся приращение темпе ратуры поверхностного слоя электрода. При больших импульсных токах эти перегревы ведут к существенным динамическим колеба ниям плотности газа.
Нагрев поверхности электрода к концу импульса тока длитель
ностью тп определяется выражением |
|
|
Д7’ = ( 2 |
у Д / ^ Г ) / ^ |
(V.4) |
Здесь <7 = 0,24 P j S — удельная |
импульсная тепловая |
нагрузка, а = |
= Л/ср — температуропроводность материала электрода, X — коэф |
||
фициент его теплопроводности, с — теплоемкость и |
р — удельная |
|
плотность. |
|
|
Оценим импульсный нагрев поверхности анода, наибольший на участках, расположенных против отверстий сетки. Для ориентиро вочного расчета примем, что при своем перемещении по отверстиям сетки (см. § V.4) разряд загружает одно отверстие в среднем около 0,5 мкс через каждые 4—5 мкс, а одновременно загружены разря дом 5 отверстий. Тогда при амплитуде тока 5000 А, длительности импульса 20 мкс и анодном падении 30 В повышение температуры «рабочего» участка медного анода составит к концу импульса около 100° С, молибденового анода — около 200° С.
Следующей причиной перегрева водорода и одновре менно причиной понижения его плотности является на грев газа током вследствие передачи кинетической энер гии электронов и ионов при упругих столкновениях с молекулами водорода [65, 69]. Разрежение происходит наиболее сильно в местах, где плотность тока имеет наибольшее значение, а именно: вблизи центральных областей отверстий сетки.
В разряде низкого давления наблюдается увеличение плотности газа у анода, вызванное передачей импульса, направленного в сторону анода от электронов молеку лам («электрофорез» газа) [66,67].
Наконец, ионы газа перемещаются из объема к стен кам, разгоняясь в поперечном электрическом поле. После
91
нейтрализации на стенках атомы возвращаются в объем, но уже со значительно меньшими тепловыми скоростями. В результате у стенок создается избыток молекул по сравнению с центральной областью разрядного про странства [68—70]. В своем движении к стенкам ионы увлекают также молекулы водорода (действие эффекта перезарядки), что создает дополнительный перепад плотности газа. Скорость движения ионов в электриче ском поле больше тепловой скорости молекул, поэтому даже при небольшом ионном токе на стенку возникает заметный поперечный градиент плотности газа. (В водо роде этот эффект может быть особенно велик, посколь ку ионный ток на стенку обратно пропорционален корню квадратному из массы нона.)
Таким образом от точки к точке разрядного пути плотность газа претерпевает сложные изменения, кото рые могут существенно сказаться на устойчивой работе тиратрона.
V.3. ГРАДИЕНТ ПОТЕНЦИАЛА В ОДНОРОДНОМ ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ СТОЛБЕ РАЗРЯДА В ВОДОРОДЕ И ДЕЙТЕРИИ
Падение напряжения на однородном столбе дуги оп ределяется как произведение продольного градиента потенциала в плазме С на длину столба /, А£/ст = Е1.
В импульсном разряде низкого давления с длитель ностью протекания тока от долей микросекунды до де сятков миллисекунд становятся существенными такие проявления инерционности газового разряда при его развитии, как время установления градиента поля, кон центрации электронов п ионов, плотности газа по длине и сечению трубки. Условно можно разделить инерцион ность этих процессов на имеющую «электрическую» и «тепловую» природу.
Так, при зажигании разряда в длинной трубке сна чала возникает вдоль оси узкий пучок ионизированного газа, затем с нарастанием тока канал разряда расши ряется. В этот период «электрического» установления разряда быстро повышается концентрация заряженных частиц в объеме и снижается как общее падение напря жения на трубке, так и продольный градиент потенциала в положительном столбе. В зависимости от разрядных условий процесс снижения общего падения напряжения может затягиваться до нескольких микросекунд. Значи-
92
телы-ю медленнее происходит изменение характеристик разряда, связанное с изменением плотности газа по се чению трубки, вызванным нагревом газа проходящим током.
В водороде, как и в ряде других молекулярных га зов, градиент потенциала возрастает приблизительно пропорционально плотности газа. «Тепловая» инерцион
ность установления плотности газа в разряде |
приводит |
к тому, что в водороде, а также в дейтерии, |
значения |
градиента потенциала при постоянном и импульсном токах (длительность импульса единицы микросекунд) различаются между собой, а именно: значение Е при коротких импульсах, когда плотность газа по сечению не успевает понизиться, превосходит значение Е на по стоянном токе.
На рис. V.1 дана зависимость продольного градиента потенциала в однородном столбе водорода и дейтерия от силы тока при питании разряда постоянным и импульс-
в водороде и дейтерии.
Диаметр трубки 18,5 мм; |
------- при питании разряда постоянным током;-------- |
при* |
|
питании разряда прямоугольными |
импульсами тока длительностью 30 |
мкс: |
|
1) р = 133,3 H/ai* (1 мм |
рт . ст.); 2) |
р = 80 Н/м5 (0,6 мм рт. ст.); 3) р = |
40 Н/м» |
|
(0,3 |
мм рт. ст.). |
|
ным током [71, 72]. Измеренное Е представляет собой усредненную по длине столба величину и не учитывает изменения градиента потенциала в пределах каждой из
93
страт, возникающих в водороде при р^> 33 Н/м2 (>0,25 мм рт. ст.). Пока постоянный ток не превышает 10-2 А, градиент потенциала имеет почти постоянное значение (отсутствие заметного нагрева и изменения плотности газа), с увеличением тока до 1—3 А значение Е для каждого давления газа спадает почти вдвое (на грев газа и изменение его плотности). Связь градиента потенциала со значениями давления газа р, тока I и диаметра трубки D, выражается эмпирическим соотно
шением [71]: |
|
Е = [{р +А)!А) [5 |/D n r i/( 2 / + |
у /д й П ) + |
+ 1 ID], |
(V.5) |
где /1 = 0,05 и В = 0,6 —• безразмерные |
величины. |
Соотношение справедливо для изменения р в преде лах от 0,05 до 3 мм рт. ст. (от 7 до 400 Н/м2) для трубок с диаметром D от 1,05 до 3,2 см при изменении тока от 3-10-3 до 3 А. Из формулы (V.5) следует, что в указан ном диапазоне р, D и / закон подобия для водорода соблюдается не полностью: выполнение закона подобия требует, чтобы значение Е/р являлось функцией произ ведения pD и не зависело ни от диаметра трубки, ни от давления в отдельности, а также не менялось от силы разрядного тока (т. е. от ступенчатых процессов). В дей ствительности же, хотя экспериментальные точки хорошо ложатся для различных D на кривую E/ p=f(pD), при росте тока от нескольких миллиампер до 3 А значения Ejp убывают примерно на 50%.
В импульсном режиме градиенты потенциала совпа дают с градиентами, измеренными при питании разряда постоянным током лишь до токов менее 0,01 А. При больших токах значения Е в импульсном режиме начи нают превышать значения Е, полученные в стационар ном режиме, и тем более сильно, чем меньше длитель ность импульса тока. Степень снижения Е в течение импульса зависит от амплитуды тока (т. е. от мощности, выделяющейся в разряде) и от начального давления газа. Снижение Е в водороде и дейтерии вызывается главным образом разрежением газа по оси столба и ■перераспределением плотности газа в поперечном сече нии столба. Нагрев водорода в результате нагрева сте нок трубки в течение импульса по приближенным рас четам уступает нагреву газа в объеме и удалению газа из объема в виде ионов. Ступенчатая ионизация газа, которая является основным фактором, снижающим Е
внеоне и аргоне* практически отсутствует в водороде
[71].В дейтерии в том же диапазоне давлений газа разрядных токов градиент потенциала в однородном
столбе в V 2 раз меньше, чем в водороде [72].
V.4. ПРОХОЖДЕНИЕ РАЗРЯДНОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ СЕТКИ. ОБРЫВ ТОКА
Перепад потенциала в сужении разрядного столба.
Проходя через отверстия сетки и огибая экраны сетки
икатода, столб дуги на относительно коротком пути между катодом и анодом неоднократно меняет сечение
ипретерпевает резкие изгибы. Каждое такое нарушение однородности столба вызывает изменение его свойств на значительной длине с обеих сторон от места нарушения однородности.
Втрубке с переменным сечением постоянному значе нию разрядного тока соответствуют разные плотности
тока в широкой и узкой ее части: возникают плазмы с разной концентрацией заряженных частиц и различной скоростью их движения. На границе между плазмами образуется перепад потенциала *. В случае резкого' уменьшения диаметра разрядной трубки перепад потен циала создается двойным электрическим слоем, распо ложенным с катодной стороны сужения: объемный избы точный заряд электронов сосредоточивается с катодной стороны сужения, за ним в сторону анода потенциал пространства резко повышается. Пройдя скачок потен циала, электроны ускоряются. Это приводит к усилению ионизации газа. Вновь возникшие электроны быстро удаляются к аноду, и в устье сужения образуется объ емный заряд остающихся в избытке ионов.
Повышение концентрации заряженных частиц и на правленных к аноду скоростей электронов обеспечивает требуемый рост плотности тока в сужении. Скачок потен циала на сужении растет с увеличением силы тока,, уменьшением сечения суженной части и с понижением плотности газа. При большой длине суженной части трубки, в ней на некотором расстоянии от входа вновь образуется однородный положительный столб с более высоким градиентом потенциала, чем в широкой части
* В [117] показано, что скачок потенциала возникает даже на границе плазм, отличающихся только концентрацией заряженных ча стиц и имеющих равные Те.
95
трубки. На выходе из сужения с анодной стороны возни кает избыточная ионизация газа, п потенциал простран ства здесь несколько снижается.
Падение напряжения на сужении ДН0Тв зависит, та ким образом, от геометрических размеров сужения, силы разрядного тока п плотности газа.
Обрыв дуги. В определенных условиях прохождение тока через сужение может сопровождаться обрывами ду ги, когда протекание тока через прибор прекращается, а напряжение на нем возрастает до напряжения источника
питания.
Причиной обрыва душ является наступление такого разрежения газа, при котором разряд не может поддер живаться. В [73] было показано, что прохождение боль ших токов при низком давлении газа вызывает обрыв дуги даже в однородном столбе. Сужение усиливает разрежение газа, обычно возникающее по осп разряда, вследствие более интенсивного ухода газа в виде ионов под действием возросших электрических полей (радиаль ного п продольного), а также в результате более сильно го нагрева газа п стенок трубки, особенно устья суже ния с катодной стороны. Уменьшение плотности газа требует дальнейшего роста энергии электронов (т. е. по вышения скачка потенциала у входа в сужение) с тем, чтобы за счет повышения интенсивности ионизации раз реженного газа сохранить необходимый баланс ионов в разряде. Если, однако, энергия электронов, прошедших скачок потенциала, возрастет настолько, что будет до стигнута предельная ионизация, определяемая максиму мом кривой эффективности ионизации, то дальнейшее увеличение скачка потенциала, происходящего при росте разрядного тока либо снижении плотности газа в трубке, приведет к обрыву тока. Слой распадется и ток в трубке самопроизвольно прекратится, пока в сужении не вос становится первоначальная плотность газа [73].
Экспериментально найдено, что критический ток, при котором возникает обрыв дуги, /кр пропорционален плотности газа (или давлению р при постоянной темпе ратуре) и площади поперечного сужения S:
/ кр = A p S . |
(V.6 ) |
На рис. V.2 приведена зависимость плотности тока обрыва от давления водорода. Несовпадение наклона прямых, т. е. значения А, объясняется различиями в кон струкции трубок и условиях эксперимента, определяю-
96