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

В период коммутации тиратрон переходит из непро­ водящего состояния в состояние горения разряда с вы­ сокой проводимостью. В это время анодное напряжение падает до величины напряжения горения дугового раз­ ряда, а ток в анодной цепи растет. Напряжение на сетке тиратрона сначала резко возрастает, затем уменьшается

одновременно с падением напряжения анода. Ток сетки при этом меняет направление. Время коммутации долж­ но быть минимальным, так как в противном случае ис­ кажается форма тока во внешней цепи и растут потери

втиратроне.

Впериод проводимости ток и падение напряжения на тиратроне сохраняют постоянное значение. В это вре­ мя главную роль играют величина эмиссии катода, а также перепады потенциала в сужениях разрядного пути.

Впериод восстановления электрической прочности,

.наступающий после окончания периода проводимости, ■.происходит деионизация разрядного промежутка, когда [распадается плазма разряда. Длительность этого про­ цесса определяет наибольшую частоту, с которой может работать тиратрон.

10

1.3. ВЫБОР ГАЗА ДЛЯ НАПОЛНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТИРАТРОНОВ

Первоначально для работы .в импульсном режиме в сравнительно маломощных устройствах применялись ре­ лейные тиратроны, наполненные тяжелыми инертными газами. Тиратроны работали при малой мощности и низ­

импульсные тиратроны с ртутным наполнением. При низ­ кой упругости паров ртути удавалось обеспечить высо­ кую электрическую прочность. Благодаря постоянному источнику ртутного пара жестчения прибора не проис­ ходило. В [7] описаны ртутные тиратроны на напряже­ ние анода до 20 кВ и импульсный ток до 400 А. Широ­ кого применения ртутные импульсные тиратроны не на­ шли, так как они обладают целым рядом существенных недостатков. Главным из них является большое время восстановления электрической прочности *. Кроме того, у ртутных тиратронов 'крайне нестабильное зажигание из-за зависимости давления ртутного пара от окружаю­ щей температуры. При использовании ртутных тиратро­ нов применялось усложнявшее аппаратуру термостатирование, но и оно не устраняло колебаний плотности газа, зависящих от режима использования тиратрона.

Специально разработанные для импульсного режима, тиратроны наполняются водородом или его изотопом— дейтерием. Преимуществом водорода как наиболее лег­ кого газа является большая подвижность положитель­ ных ионов, что приводит к малому времени деиониза­ ции и восстановления электрической прочности разряд­ ного промежутка. Интенсивное поглощение водорода в импульсном разряде может быть компенсировано с по­ мощью генератора водорода, помещаемого в прибор.

Существенным достоинством водорода является так­ же высокий порог разрушения активного покрытия като­ да ионами водорода. По данным, приведенным в [1],. разрушающий потенциал ионов водорода близок к 600 В **, тогда как для инертных газов и паров ртути он

* Для ускорения деионизации вслед за прохождением импульса тока подавалось отрицательное напряжение на сетку и анод, но оно

приводило к разрушению этих электродов вследствие ионной бом­ бардировки.

** Следует отметить, что приводимая в [1] величина разрушаю­ щего потенциала водорода относится не к оксидному катоду, а к пленке тория на вольфраме [91] . Точных данных о пороге разруше­ ния оксидного катода ионами водорода нет. Известно только, что

П

не превышает нескольких десятков вольт. Это преиму­ щество водорода перед другими газами особенно важно для работы катода в импульсном режиме. При прохож­ дении каждого импульса тока в период развития раз­ ряда существует повышенное катодное падение напря­ жения. В том случае, если разрушающий потенциал для ионов применяемого газа ниже катодного падения, ка­ тоды быстро теряют эмиссию.

Г л а в а II. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТИРАТРОНА

В непроводящую часть периода, когда происходит заряд формирующей линии, сетка имеет потенциал като­ да, поэтому все высокое напряжение, которое тиратрон должен выдерживать без пробоя, прикладывается к анодно-сеточной камере тиратрона, содержащей анод, сетку и металлический экран, окружающий анод. (В ря­ де керамических тиратронов разрядный промежуток ме­ жду анодом и сеткой окружен диэлектриком.) Наруше­ ние электрической прочности тиратрона может вызвать его преждевременное отпирание. Опасным в этом отно­ шении является и зажигание разряда с током порядка нескольких миллиампер, протекающего без заметного -снижения напряжения на промежутке (тлеющий разряд, предпробойные автоэлектрониые токи и т. п.), и возник­ новение сильноточной дуги с малым падением напряже­ ния (пробой).

Конструирование аиодно-сеточной камеры, обладаю­ щей высокой электрической прочностью, связано, таким образом, с решением целого ряда вопросов. К ним отно­ сятся: -предотвращение зажигания газового разряда в промежутках с сильными однородными или неоднород­ ными полями; защита от нарушения электрической .проч­ ности, вызванного термоили автоэлектроиной эмисси­ ей сетки, выяснение действия заряда, образующегося на диэлектрических стенках, на потенциал зажигания раз­ оряла; предупреждение пробоя диэлектрика и перекры-

лорог разрушения пленки тория на вольфраме инертными газами близок к порогу разрушения оксидного катода [10], на основании чего можно считать, что и для оксидного покрытия водородные ионы имеют аномально высокий порог разрушения.

12

тия его по внешней поверхности. Ряд этих явлений и вы­ званные ими особенности конструкции анодно-сеточ­ ной камеры импульсного водородного тиратрона рас­ сматриваются ниже.

11.1. ЛЕВАЯ ВЕТВЬ КРИВОЙ ПАШЕНА ДЛЯ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ

Однородное электрическое поле. Зажигание само­ стоятельного разряда в газе при низких давлениях опре­ деляется процессами ионизации газа в объеме и элек­ тронной эмиссией катода под действием приходящих из объема положительных ионов. В однородном электриче­

плотности газа, d — расстояние между электродами. Зависимость I/3= f ( p 0c!), так называемая кривая Па-

шена, экспериментально определена для разных газов. Для всех газов напряжение зажигания при некотором значении p0d имеет минимум. Зажигание разряда в во­ дородном тиратроне, работающем при низких давле­ ниях газа, соответствует левой ветви кривой Пашена для водорода, при pod<(pad)by.m, когда напряжение за­ жигания быстро растет с уменьшением pad.

По сравнению с инертными газами и парами ртути, применяемыми в высоковольтных ионных приборах, на­ пряжение зажигания в водороде для режима левой вет­ ви кривой Пашена имеет наибольшее значение, уступая в этом отношении лишь гелию (рис. II.1). Левая ветвь кривой Пашена для водорода, найденная рядом иссле­ дователей, показана на рис. II.2. При конструировании первых водородных тиратронов с рабочим напряжением анода до 16—18 кВ использовалась зависимость, найден­ ная Квином [13]. Более поздние работы показали, что данные Квина занижены. Широкие исследования зажи­ гания разряда в водороде при Pod<(pod)mm до напря­ жения 30 кВ были проведены Покровской-Соболевой и Клярфельдом [14, 15], левые ветви кривой Пашена для водорода и других молекулярных газов — до напряже­ ний 140—160 кВ измерены Гусевой [16].

В работах [14, 15] установлено, что зажигание раз­ ряда в водороде не подчиняется правилам подобия. При соблюдении правил подобия напряжение зажигания одинаково зависит как от давления газа, так и от рас-

13

стояния между электродами. В водороде же напряжение зажигания более чувствительно к изменению давления га­ за, чем к изменению расстояния. По мере увеличения d кривые U\ = f(p Qd) смещаются в сторону больших значений p0d. Серия кривых зажигания для расстояния

между анодом и катодом от 0,4 до 3,2 см удовлетворяет эмпирическому выражению:

Отклонения от правил подобия вызываются, по мне­ нию авторов указанных выше работ, самой природой разряда, в частности, образованием в разряде не только ионов Н+ , но также ионов #+ и Н+ . Несоблюдение

правил подобия в процессах образования и разрушения каждого типа ионов и разная зависимость коэффициен­ та у Для Н £ , Н +, Н + должны воздействовать на на­

пряжение зажигания разряда (коэффициент у — эточис-

14

ло электронов, покидающих катод, в расчете на каждый положительный нон водорода, ударяющийся о катод).

В некоторых типах импульсных тиратронов в качест­ ве наполняющего газа применяется дейтерий — тяжелый изотоп водорода с молекулярным весом четыре. Кривая Пашеиа для дейтерия расположена правее, чем для во­ дорода, что позволяет повысить анодное напряжение без изменения конструкции анодно-сеточной камеры [17]. Более высокие потенциалы зажигания в левой ветви кривой Пашена для дейтерия объясняются более низким значением коэффициента у для иона дейтерия [18]. Таунсендовские коэффициенты а для водорода и дейтерия в широком диапазоне изменения Е/р практически совпа­ дают [19]; зажигание самостоятельного разряда не под­ чиняется правилам подобия [15].

Влияние состояния поверхности электродов. Напря­ жение зажигания разряда в левой ветви кривой Пашена в водороде, так же как в инертных газах и парах ртути, в сильной степени зависит от материала отрицательного электрода («катода») и наличия загрязнений на его по­ верхности, определяющих значение коэффициента у. Например, в случае медного катода кривая Пашена для водорода расположена ниже, чем при катоде, изготов­ ленном из никеля. Очистка катода от поверхностных за­ грязнений значительно повышает напряжение зажига­ ния. Эффективным методом обработки катода является бомбардировка поверхности электрода ионами водорода или инертных газов в тлеющем разряде при давлении газа в несколько сотен Н/м2 (единицы мм рт. ст.) одно­ временно с разогревом металла до 600’—800° С, а также ионная бомбардировка в разряде при высоком напряже­ нии и давлении 10— 1 Н/м2 (К)-1 — I-О'-2 мм рт. ст.).

Несмотря на тщательную предварительную обработ­ ку электродов, оседание с течением времени на металли­ ческих поверхностях испарившихся или распыленных компонент оксидного катода может вызывать постепен­ ное ослабление электрической прочности анодно-сеточ­ ной камеры. Налет активных материалов увеличивает коэффициент у, и кривая Пашена смещается в сторону меньших напряжений зажигания.

Неоднородное электрическое поле. Электрическое по­ ле в анодно-сеточной камере водородного тиратрона (рис. П.З) существенно неоднородно. В тиратронах со стеклянной оболочкой участки повышенного градиента потенциала находятся около краев электродов, особен­

15