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

щих газодинамику процессов. Для паров ртути было отмечено [74], что при одинаковом давлении /кр= 7кр/S несколько падает с ростом диаметра сужения. В водо­ роде подобные явления наблюдались в [75].

Продолжительность изменения плотности газа в раз­ ряде зависит от силы тока, давления и рода наполняю­ щего газа. Например, разрежение газа вблизи сетки водородного тиратрона при прохождении импульса тока 10—15 а длительностью 15 мкс продолжалось в течение всего импульса [76]. Инерционность газодинамических процессов в разряде делает критический ток обрыва дуги функцией длительности протекания тока, т. е. при питании разряда короткими прямоугольными импульса­ ми ток обрыва значительно больше, чем в стационарном разряде.

На рис. V.3 приведена зависимость /ир—[(ти), полу­ ченная для водорода в трубке, имеющей на пути разря­ да между катодом и анодом плоский металлический диск с одним центральным отверстием диаметром 4 мм.

Толщина диска варьировалась в пределах от 0,4 до 8 мм, длительность импульса менялась от 1 до 1 0 0 мкс*. Резкое снижение тока обрыва наблюдается при увеличе­ нии т„ от 1 до 15 мкс. Обрыв тока при таких длитель­ ностях импульса возникает обычно в конце импульса, но небольшое увеличение амплитуды тока ведет к сме­ щению момента обрыва к началу импульса. Длина су­ женной части трубки на ток обрыва заметно не влияет. (Подобная картина наблюдалась также при импульс­ ном разряде в парах ртути [77].)

незначительно. При большом т„ разряд после обрыва

дается несколько кратковременных обрывов дуги в тече­ ние каждого импульса тока.

При высоких давлениях водорода (р>53 Н/м2) и наличии активных пленок на поверхности диска обрыв тока легко переходит в каскадную дугу с образованием катодного пятна на диске, т. е. дуга распадается на две последовательно горящие дуги, разделенные металлом диска. Падение напряжения при этом уменьшается.

Распределение разрядного тока по отверстиям сетки.

В тиратроне наибольшее сужение сечения разрядного столба существует в сетке. Для сохранения электриче­ ской прочности тиратрона в непроводящий период от­ верстие сетки должно иметь небольшие размеры. Напро­ тив, для уменьшения перепада напряжения в сетке размеры отверстия следует увеличивать. Этим противо­ речивым условиям удовлетворяет сетка с множеством отверстий малого сечения, если происходит параллель­ ная загрузка их током и суммарная площадь загружен­ ных отверстий достаточно велика.

Особенностью прохождения разряда через такую сет­ ку является неравномерное распределение тока по от­ верстиям. При малом токе разряд сосредоточивается в одном отверстии вследствие падающей вольт-амперной характеристики дуги, проходящей сквозь отверстие. С увеличением тока разрежение газа приводит к росту перепада напряжения на сужении. Это заставляет столб дуги распространяться по нескольким параллельным от­

* Аналогичные зависимости получены в [78, 79] для т„^10мкс.

98

V.5. АНОДНОЕ ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА

Для того, чтобы число электронов и ионов, попадаю­ щих на анод, соответствовало общему разрядному току »'а, между анодом и прилегающей к нему плазмой долж­ на существовать некоторая разность потенциалов, знак и величина которой должны обеспечить равенство

Здесь пе и щ соответственно число электронов и ионов, поступающих на единицу поверхности анода в секунду, S — вся коллектирующая поверхность анода.

При избытке электронов, достигающих анода, возни­ кает небольшая разность потенциалов в несколько вольт или долей вольта (анод отрицательнее плазмы), которая отталкивает этот избыток от анода. В противном слу­ чае— при недостатке электронов — образуется положи­ тельное анодное падение потенциала порядка несколь­ ких десятков вольт. Ускоренные этим полем электроны ионизируют газ; за счет появляющихся новых электро­ нов возрастает число электронов, достигающих анода. Анодное падение потенциала воздействует и на положи­ тельные ионы, но на величине общего анодного тока это действие сказывается в десятки или даже сотни раз слабее.

Сам механизм образования анодных падений потен­ циала AUa состоит в появлении у анода либо дефицита электронов, либо дефицита ионов в прианодиой плазме. Соответственно этому все факторы, влияющие на ско­ рость исчезновения из анодной области электронов и ионов, воздействуют на величину анодного падения потенциала. Ими являются: вид газа, его давление, плот­ ность тока, геометрическая форма анода и прианодной области, некоторые свойства поверхности анода и его температура [82, 83].

Приближение к аноду катодных частей разряда так­ же оказывает сильное влияние на величину анодного падения потенциала. Применительно к водородному ти­ ратрону это выражается в зависимости величины А£/а от расстояния анод — отверстие сетки. На рис. V.6 такая зависимость определена для макета водородного тира­ трона, в котором сетка имела одно круглое центральное отверстие. Вид этой кривой схож с подобными кривыми, полученными И. А. Полетаевым для разряда в парах

101

ртути. Характер кривой At/a= f(dc_a) сохраняется при изменении диаметра отверстий, давления водорода и си­ лы тока, меняется лишь ширина области минимума по­ тенциала и минимального значения Дt/a. С понижением давления резкое увеличение анодного падения потенциа­ ла начинается на большем расстоянии между электро­ дами.

Качественное объяснение хода кривой рис. V.6 заклю­ чается в том, что при очень малых и очень больших расстояниях сетка — анод число электронов у анода ока­ зывается недостаточным для нейтрализации положитель-

ного объемного заряда у анода, в первом случае из-за быстрого ухода электронов на анод, во втором — из-за большого расстояния от источника быстрых электро­ нов— отверстия сетки.

Если давление и плотность газа у анода превышают некоторые определенные значения, то создаются усло­ вия для образования сначала одного, а затем и многих анодных пятен, располагающихся правильными узорами по поверхности анода. Каждое такое пятно представля­ ет собой отдельную плазму, ограниченную со стороны положительного столба двойным слоем объемного заря­ да. По существу, присутствие пятеи имеет следствием как бы увеличение поверхности анода, коллектирующей

102

заряженные частицы обоего знака, и ведет к снижению положительного анодного падения потенциала [83].

Выделяющееся на аноде количество тепла, особенно большое при положительном анодном падении потен­ циала и большом разрядном токе, может служить для измерения положительно­ го анодного падения по­ тенциала [84]. Местное выделение тепла может быть весьма значитель­ ным при фокусировке электронов на аноде по­ лем. В этом случае на­ блюдаются на поверхно­ сти анода кратеры вы­ плавления, своим харак­ терным видом отличаю­ щиеся от углублений, вы­ званных катодным рас­ пылением под действием ионной бомбардировки

при отрицательном напряжении на аноде.

Вследствие малого расстояния между сеткой и ано­ дом водородного тиратрона (близкого к значению dKP на рис. V.6 ), в тиратроне обычно существует положи­ тельное анодное падение потенциала, значительно воз­ растающее при разрежении водорода вблизи анода под действием разрядного тока или снижения рабочего дав­ ления газа. На рис. V.7 приведены ориентировочные зна­ чения Аи л в тиратронах ТГИ1-2500/50 и ТГИ1-5000/50, полученные расчетом из известных потерь мощности на аноде. С повышением импульсного анодного тока от 1000 до 5000 А анодное падение возрастает в несколько раз, достигая 20—30 В.

V.6. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИРАТРОНА

Вольт-амперная характеристика водородного тира­ трона приведена на рис. V.8 . Символом Д7/а_к обозна­ чено импульсное падение напряжения на тиратроне, а Д(УС_К— импульсное падение напряжения, измеренное при замыкании всего разрядного тока на сетку, служа­ щую в этом случае анодом диода. Очевидно, что

103

Для импульсных тиратронов малой и средней мощ­ ности эта разность составляет 18-—25 В и мало меняется с увеличением тока в тиратроне. В мощных тиратронах Д£/'а-к —ЛДс-к возрастает до 40—80 В при наибольших амплитудах тока. На долю анодного падения приходит­ ся около 1/3 этой величины, остальные 2/3 — перепад

напряжения на сетке. Падение напряжения на тиратроне растет практически пропорционально току. Это увели­ чение падения напряжения вызвано в первую очередь ростом падения напряжения в оксидном слое катода.

Наклон характеристики ДНа- к = /:(/а) или динамиче­ ское сопротивление тиратрона уменьшается с ростом отношения / ср//а. Падение напряжения на тиратроне изменяется при регулировании давления водорода в при­ боре. На рис. V.9 показана зависимость Дt/a_K и ДНС_К от напряжения на генераторе водорода. При повышении Uнг (т. е. давления газа) значение Дt/c_Kувеличивается в основном за счет роста градиента потенциала в столбе.

104