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

рост катодного падения, а также повышение перепада напряжения в сужениях сетки и анодного падения на­ пряжения.

Глава VI. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

После прекращения импульса тока в тиратроне ос­ тается плазма. В отсутствие ионизации плазма распа­ дается. Вопросы деионизации разреженного газа рас­ смотрены в работах [85, 8 6 ] и др. Наличие остаточных заряженных частиц снижает электрическую прочность тиратрона, т. е. максимальное анодное напряжение, при котором в отсутствие сеточного поджигающего импульса не происходит отпирание тиратрона. Восстановление электрической прочности тиратронов рассматривается в работах [4, 34, 87—89].

VI.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОСЛЕРАЗРЯДНЫЙ ПЕРИОД

Убыль концентрации заряженных частиц в распа­ дающейся плазме описывается приближенным выраже­ нием:

где па— концентрация частиц в момент прекращения разряда.

Постоянная времени деионизации тд зависит от коэф­ фициента амбиполярной диффузии £>а и от того, где преимущественно происходит рекомбинация заряженных частиц. При рекомбинации на плоских изолированных электродах (например в анодно-сеточной камере тира­ трона)

(VI.2)

где d — расстояние между электродами.

Зависимость тд от давления газа входит в выраже­ ние (VI.2) через коэффициент D&, равный

Ai —Ч&1*1 (I + те/т t), (VI.3)

105

где Vi п Л; — соответственно средняя скорость и средняя длина свободного пробега положительных ионов; Те, 7*— температура электронов и положительных ионов. В про­

где /; — плотность ионного тока на сетку; AU — падение напряжения в оболочке; М — молекулярный вес газа.

Плотность ионного тока на сетку изменяется соглас­ но закону (VI. 1 )

j , = j , ое" ' /Тл (VI-5)

где /,о — плотность ионного тока в момент прекращения разряда.

Уменьшение К во времени вызывает рост б. Тем не менее пока не сомкнутся оболочки двух соседних витков (или отверстий) сетки, заряженные частицы могут сво­ бодно проникать через сетку, поскольку ее поле не рас­ пространяется за границу оболочки. Поэтому максималь­ ное анодное напряжение в этот промежуток времени не превышает напряжения горения разряда. Длительность 0 этого периода, называемого периодом послеразрядной проводимости, можно найти с помощью выражений

(VI.4), (VI.5), имея в виду, что при / —0 б= б0, где Во — толщина ионной оболочки в момент смыкания со­ седних оболочек *, т. е.

Как видно из (6.7), длительность периода послераз­ рядной проводимости прямо пропорциональна корню квадратному из молекулярного веса газа. С момента смыкания ионных оболочек начинается восстановление управляющих свойств сетки. Поскольку потенциал в се­ точном отверстии становится более отрицательным, чем окружающая плазма, то катодная и анодная камеры

* Значение б о длл различных конфигураций сетки см. в 3. {Например, для щелевой сетки б о равна полуширине щели).

106

оказываются изолированными. Если в этот промежуток времени на анод тиратрона подать повторное положи­ тельное напряжение «апоп. то прибор ведет себя как тиратрон, в котором роль катода и анода выполняют

деляется, главным образом, условиями прихода заряженных частиц к сетке из катодной плазмы.

После полного исчезновения плазмы в анодной каме­ ре (в объеме между анодом и экранирующим диском сетки) состояние разрядного объема становится таким, как это схематически изображено на рис. VI. 1. Часть электронов, диффундирующих к сетке из катодной плаз­ мы, попадает в анодную камеру. При приложении доста­ точного ускоряющего анодного напряжения электроны на пути к аноду производят ионизацию газа. Если чис­ ло положительных ионов, образуемых в единицу време­ ни, превышает число ионов, уходящих на стенки, процесс ионизации нарастает лавинообразно, приводя к повтор­ ному отпиранию тиратрона.

107

кого тока), по истечении которого тиратрон выдержива­ ет требуемое анодное напряжение. Импульсные водород­ ные тиратроны, в отличие от выпрямительных, могут работать без отрицательного напряжения на сетке. Од­ нако для улучшения характеристик восстановления электрической прочности, используется, как правило, се­ точное смещение. Рассмотрим роль этого параметра.

В работе [87] показано, что в любой момент време­ ни, после прекращения разряда, электрическая проч­ ность выражается зависимостью

где ис — мгновенное значение потенциала сетки. Боль­ шему отрицательному значению ис соответствует боль­ шее напряжение повторного отпирания. В отсутствие

•сопротивления Rc, последовательно включенного в цепь сетки, напряжение источника смещения Ес мгновенно прикладывается к сетке. Однако при наличии сопротив­ ления картина меняется. Изменение потенциала сетки в послеразрядиый период для этого случая изображено на рис. VI.2, а. В промежуток времени ^пл напряжение

Рис. VI.2. Зависимость потенциала ис и тока /с сетки от времени

впослеразрядиый период:

а) Ес < 0; б) Ес > 0.

на сетке по отношению к катоду равно нулю, а затемоно экспоненциально снижается до напряжения источ­ ника смещения.

Остановимся на физической стороне дела, объясняю­ щей этот факт. Поскольку сетка отрицательна по отно­ шению к распадающейся плазме, она окружена оболоч­

108

кой положительных ионов. Плотность тока ионов, попа­ дающих из плазмы на внешнюю поверхность ионной оболочки, описывается выражением (VI.5).

На ионы, проникающие в оболочку, действует уско­ ряющее поле, и все они попадают на сетку. Ионный ток сетки практически не зависит от перепада потенциала в оболочке ДU. Электронный ток на отрицательно заря­ женную сетку подчиняется выражению

j e = Senev e/4 — SeiieQ<t~‘l'z* v e e~eWlkTe/4 (VI.8 )

и убывает с ростом AU. Во внешней цепи протекает результирующий ток сетки iG. Если источник сеточного смещения не может развить ток, больший, чем ионный ток сетки, т. е. когда

где /е — мгновенное значение тока источника Ес, тогда автоматически устанавливается такое значение ic, при котором разность между ионной и электронной компо­ нентами тока сетки в точности равны i'e .

Пока выполняется неравенство (VI.9), пространство сет­ ка — катод обладает бесконечно большой проводимостью для тока к- Поэтому падение напряжения между сеткой и катодом равно нулю.

Электронный ток быстро уменьшается до нуля, когда потенциал сетки становится на 1—2 В меньше потенциа­ ла катода (t— tпл на рис. VI.2, а). Начиная с этого момента, ток сетки равен чисто ионному току, экспонен­ циально убывающему во времени [см. выражение (VI.5)]. Поэтому при t > t ail потенциал сетки также снижается по экспоненциальному закону:

Запаздывание появления отрицательного потенциала на сетке увеличивает время восстановления электриче­ ской прочности. Зависимость времени восстановления от сеточного смещения и сопротивления Rc для тиратрона ТГИ1-700/25 приведена на рис. VI.3. По оси ординат на этом рисунке отложено время, отсчитываемое с момента окончания импульса тока, по истечении которого тира-■

109

трон выдерживает повторное анодное напряжение 10 кВ. Уменьшение времени восстановления достигается увели­ чением значения Ес/Дс. Максимальное отрицательное сеточное смещение ограничивается зажиганием само­ стоятельного разряда между сеткой и катодом. Для большинства тиратронов | ЕС| макс| ^ 5 0 —100 В.

1 восмке

Рис. V1.3. Зависимость времени восстановления электрической прочиос ги тиратрона ТПП-700/25 от напряжения смещения.

Время восстановления зависит также от амплитуды анодного тока и давления газа, поскольку от этих фак­ торов зависит концентрация остаточной плазмы. Напри­ мер, повышение тока пли давления, сопровождаемое ростом концентрации заряженных частиц, приводит к увеличению времени восстановления. Некоторое влияние на время восстановления оказывают средний анодный ток и длительность импульса в связи с воздействием этих параметров на тепловой режим тиратрона. Разогрев электродов сопровождается перераспределением плот­ ности газа в разрядном объеме, изменяющим условия ионизации газа и рекомбинации заряженных частиц. Подробно характеристики восстановления электрической прочности тиратронов рассматриваются в разделе Х.6 .

VI.3. АВТОМАТИЧЕСКОЕ СЕТОЧНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Для создания отрицательного смещения широкое применение получила схема (рис. VI.4, а), в которой источником отрицательного напряжения в послеразрядный период служит конденсатор, заряженный током раз­ ряда между сеткой и катодом. Ниже дается анализ схе­ мы автоматического смещения для равных длительностей сеточного и анодного импульсов. (На практике чаще

110

всего тсфтц, но при этом условии вывод окончательного выражения усложняется.)

Заряд конденсатора (эквивалентная схема заряда изображена на рис. VI.4, б) осуществляется от источни-

ка поджигающих импульсов. Считаем, что источник гене­ рирует прямоугольные импульсы с амплитудой Uc. На­

то дифференциальное уравнение, описывающее заряд конденсатора, имеет вид:

i l l