ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 62
Скачиваний: 0
глощения уменьшается и становится постоянной. Рядом последовательных экспериментов определялся источник поглощения водорода. Было установлено, что диффузия водорода через стеклянную оболочку прибора не про исходит, холодными электродами как ионизированный,
о |
so |
wo |
150 t,ч |
а.
Рис. VIII.2. Поглощение водорода в тиратроне при длительной работе в номинальном импульсном режиме:
а — ТГИ 1-50/5 (/), ТГИ 1-35/3 (2); б - Т Г И 1-2000/33.
так и неионизированный водород не поглощается. Погло щение неионизированного водорода накаленным като дом составляет 18% от общего количества поглощенного газа. Расчетным путем было установлено, что никелевы ми электродами поглощается 1 0 % от этого количества. Основная же часть водорода поглощается в ионизиро ванном состоянии при включенном накаленном оксид ном катоде.
На скорость поглощения водорода влияет темпера тура катода тиратрона. Оптимальной температурой яв ляется примерно 750° С, при ней поглощение минималь
132
но. При росте температуры увеличивается испарение ак тивного вещества, а при снижении растет катодное рас пыление (повышается катодное падение напряжения, и катод переходит в вынужденный режим).
С ростом импульсной мощности тиратрона вакуум ный объем прибора растет не пропорционально мощно сти, особенно при переходе к металлостеклянным и керамическим конструкциям с внешними электродами. При относительном уменьшении рабочего объема при бора поглощение газа более резко сказывается на сни жении давления.
На рис. VIII.2,6 приведено количество водорода, поглощенного в мощном тиратроне ТГИ1-2000/35 за 500 ч работы в номинальном импульсном режиме. Дав ление в тиратроне поддерживалось в пределах 24— 33,4 Н/м2 (0,18—0,25 мм рт. ст.) регулировкой напря жения накала генератора водорода. В течение первых 400 ч работы скорость поглощения водорода постоянна и составляет 2,4 л-Н/м2-ч (0,018 л-мм рт. ст./ч). Затем поглощение водорода несколько замедляется. Количе ство водорода, поглощенного за 500 ч, составило 7 л-мм рт. ст. или 14 объемов тиратрона при давлении 26,6 Н/м2 (0,2 мм рт. ст.). Для восполнения убыли во дорода в процессе работы в большинстве тиратронов применяется генератор водорода.
VIII.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА
Диаграмма состояния системы титан-водород. Для создания генератора водорода используются металлы группы Б. При нагревании этих металлов, насыщенных водородом, водород выделяется, и в замкнутом объеме над металлом давление его в равновесном состоянии определяется температурой металла и концентрацией водорода в нем. Из всех металлов группы Б наиболь шее количество водорода растворяется в титане (см. рис. VIII. 1), и обычно в качестве генератора водорода используется насыщенный водородом титан*. Титан су ществует в двух модификациях: а — титан с плотноупа
* В [34] указывается на использование в качестве генератора водорода циркония и лантана. Система цирконии— водород близка к описываемой Ti — Н, что касается лантана, то применение его затруднено большой химической активностью. Ниже будет показано, что система лантан — водород преимуществ перед титаном не имеет.
133
кованной гексагональной структурой и |3— титан — ку бическая объемно-центрированная модификация,, возни кающая при температуре выше 850° С (в присутствии водорода температура а—Р превращения снижается)
[98, 99]. Диаграмма |
состояния системы титан — водо |
род приведена па рис. |
VII 1.3. По оси абсцисс отложено |
количество водорода, содержащегося в титане, по оси ординат — температура. Концентрация водорода в ти
тане, С, выражена в атомных процентах |
и в см3/г при |
|||||
Содержаниенг. см7г |
нормальных |
условиях |
||||
(давление 760 мм рт. ст.). |
||||||
50 Ю0 >50 200 .100 |
При температуре |
титана |
||||
|
выше |
300° С в |
области |
|||
|
концентраций |
|
менее |
|||
|
30 см3,/г соединение пред |
|||||
|
ставляет |
|
собой |
твердый |
||
|
раствор водорода в а-ти- |
|||||
|
тане. В области от 30 до |
|||||
|
100—150 см3/г (в зависи |
|||||
|
мости |
от |
температуры) |
|||
|
система находится в двух |
|||||
|
фазном |
|
состоянии, |
когда |
||
|
одновременно существуют |
|||||
|
твердые |
растворы |
на ос |
|||
|
нове а- и (3-титана. В об |
|||||
Рис. VIII.3. Диаграмма состояния |
ласти концентраций выше |
|||||
системы гитан — водород [98, 99]. |
150 см3/г основной |
фазой |
||||
|
является |
[3-титап и, нако |
||||
нец, при более высоких концентрациях, соответствующих формуле TiH—TiHi>73 (по некоторым данным до TiH2). появляется новая фаза, имеющая гранецентрированную кубическую решетку, представляющую собой химиче ское соединение гидрид титана или у-тнтаи. Переход к гидриду титана происходит также через двухфазное состояние, когда существуют |3- и у-фазы.
Термодинамическое равновесие системы титан-водо род. Равновесное состояние системы титан-водород при давлениях 133—101 • 103 Н/м2 (1—760 мм рт. ст.) изуча лось Макквилэном [100]. Пользуясь методикой, предло женной в работе Макквилэна, было исследовано равно весное состояние этой системы в нужной нам области
давлений |
1,33 до 1333 Н/м2 (от 10~ 2 |
до 1 0 |
мм рт. |
ст.) |
|
для образцов пористого титана [ 1 0 1 ]. |
находящейся |
в за |
|||
Равновесное |
состояние системы, |
||||
мкнутом |
объеме, |
однозначно определяется |
давлением р, |
||
134
температурой Т и концентрацией газа С в сорбенте или растворе. Характеристикой его служат изотермы (кри вые зависимости давления от концентрации водорода при постоянной температуре титана) и изостеры (кри вые зависимости давления от температуры титана при постоянной концентрации водорода в нем).
На рис. VIII.4 изображены в полулогарифмическом масштабе семейства изотерм и нзостер для области дав лений от 0,133 до 1,33-10-' Н/м2 (от 10~ 3 до 102 мм рт. ст.)
Рис. VIII.4. Изотермы (а) и изостеры (<Т) системы T i — |
Н а области |
давлений р = (1,33-10~1-н 1,33-КП) Н/м2 (К)-» — 10» |
мм рт._ст.). |
135
и температуры титана 300—800° С. Во всей рассматрива емой области давлений при концентрации выше 30см3/г на изотермах наблюдается ослабление зависимости дав ления от концентрации. На рис. VIII.5 (сплошная ли-
p .мм pm.cm.
Рис. VII1.5. Изо гермы системы Т1 — Н (сплошная линия) и зависи мость давления or концентрации водорода в титане при постоянном напряжении накала генератора водорода (пунктирная линия) для
|
^ H r 1 < ^ Н г 2 < ^ Н г З < ^ Н г 4 - |
|
ния) |
и VIII.6 , а изотермы и изостеры для области 13,3— |
|
133 |
Н/м2 (0,1—1 мм рт. ст.) даны в линейном |
масшта |
бе. На рис. VIII.6 также заметно уменьшение |
наклона |
|
кривых при С< 30 см3/г. |
|
|
Объяснение появления пологого участка на изотер мах можно найти, рассматривая диаграмму состояния системы Ti—Н (рис. VI11.3). В области концентраций водорода ст 30 до 150 см3/г титан находится в двух мо дификациях (в а- и (3-фазах). При росте концентрации водорода количество титана, находящегося в |3-фазе, уве личивается. Так как титан в |3-фазе поглощает большее количество водорода, чем в a-фазе, то при увеличении процентного содержания титана, находящегося в [3-фазе, давление над раствором при росте концентрации водо рода не увеличивается.
При создании генератора водорода удобнее поддер живать постоянной не температуру, а напряжение на кала подогревателя. На рис. VIII.5 пунктирной линией показана зависимость давления от концентрации при
136
постоянном напряжении накала подогревателя генера тора i/нгПологий участок на этой характеристике при концентрации водорода 40—150 см3/г выражен еще бо лее отчетливо, давление меньше зависит от концентра-
р,мм рт.спъ |
р,ммргп.сгп. |
Рис. VIII.6. Изостеры системы 77— И (а ) и давление в функции напряжения накала генератора водорода при постоянной концент рации водорода в титане (б):
1 ) 200, 2 ) 150; 3 ) 100, 4 ) 50, 5 ) 30, 6 ) 2 0 , 7 ) 10 и 8 ) 5 с м 3/г.
ции, чем при постоянной температуре. Это объясняется тем, что кривая постоянного напряжения накала не яв ляется изотермой. При росте концентрации водорода в титане увеличивается давление водорода, растет теп
лоотвод, |
температура титана снижается (на одной из ха- |
||
рактеристик для 0цт—const |
|||
приведено фактическое |
зна р, мм pm.cm. |
||
чение температуры в зави |
|||
симости |
от |
концентрации). |
|
В [34] приводится изо |
|||
терма раствора водорода в |
|||
лантане: |
на |
изотерме |
р = |
= f( С) также имеется поло гий участок. Авторы счита ют, что наличие на изотер ме участка, в котором дав ление не зависит от концен трации, является особенно стью лантана. На рис.УП1.7 для сравнения приведены изотермы р = /(С) лантана из [34] и титана. Как вид
но из этого рисунка, пологий участок на изотермах рас твора водорода в обоих металлах находится в области концентраций, близких по величине.
На рис. VIII.6 , б даиы зависимости давления от на пряжения накала генератора водорода при постоянной концентрации водорода в титане. При увеличении кон центрации водорода в титане растет крутизна наклона зависимости давления от напряжения накала dp/dUm. В области давлений 26,6—66,6 Н/м2 (0,2—0,5 мм рт. ст.)
при С = |
10 см3/г dpIdUnr — 25,2 |
Н/м2/В (0,19 |
мм рт. |
|
ст./В), |
тогда |
как при С= |
100 см3/г dp/dUн г — |
|
= 53,3 Н/м2/В |
(0,4 мм рт. ст./В). |
|
служат |
|
Данные, приведенные па рис. VIII.4 — VIII. 6 |
||||
основой для расчета генератора водорода. Выбирается его масса, степень начального насыщения водородом и рабочая температура (подробно расчет генератора во дорода описан в гл. IX).
Время установления равновесного давления являет ся важной характеристикой генератора при применении его в тиратроне. Длительность установления равновес ного давления водорода определяется временем разо
грева |
рабочего тела генератора. На рис. VI 11.8 приве- |
Т °С |
р, им рт.сш. |
Рис. VIII.8. Установление температуры титана в вакууме (/), разо грев титана, насыщенного водородом (2), и установление давления водорода при U Hr = const (3).
ден рост температуры титана в вакууме, разогрев ти тана, насыщенного водородом, и установление давления водорода во времени. Определим факторы, влияющие на время разогрева. Условно за время разогрева примем период, в течение которого давление достигает значения 0,9 р, где р — установившееся давление. Это соответ
138
ствует температуре Гг= (0,97—0,98) Гг) (Тг]— устано вившаяся температура).
Рассмотрим простейший случаи, когда градиент тем пературы генератора мал (высокая теплопроводность материала и малые размеры). При включении источни ка постоянной мощности рост температуры тела во вре
мени подчиняется закону Ньютона [102]: |
|
|
Тт= |
Т т1(1 — ke~'STiem), |
(VIII. 2) |
где 5 — поверхность; |
гп — масса; с — удельная |
тепло |
емкость; а — коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры тела; k — постоянный коэффициент.
В начальной стадии процесса, когда разогрев проис ходит в вакууме, теплоотдача определяется лишь излу чением. В дальнейшем после появления водорода а на чинает расти дополнительно за счет теплопроводности водорода, и вид функции значительно усложняется. В об щем виде можно воспользоваться теоремой Кондратьева [ 1 0 2 ], согласно которой скорость нагрева однородного тела при конечном значении коэффициента теплоотдачи пропорциональна поверхности тела и обратно пропор циональна его теплоемкости cm. Коэффициент пропор циональности убывает при росте а и растет с уменьше нием теплопроводности, кроме того он зависит от фор мы тела (тем выше, чем больше длина тела).
Исходя из общей закономерности, уменьшение вре мени разогрева достигается увеличением отношения S/m и длины генератора.
VIII.4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ В ТИРАТРОНЕ
Импульсные тиратроны имеют оксидный катод с большой поверхностью, до нескольких сот квадратных сантиметров. Газоотделение катода и других электродов, которые подвергаются разогреву в процессе работы тиратрона, приводит к снижению его электрической прочности. Как распыляемые, так и нераспыляемые гет теры активно поглощают водород и не могут быть при менены в водородных тиратронах. В том случае, когда в приборе находится генератор водорода, он неизбежно поглощает остаточные газы. При поглощении остаточ ных газов (в частности кислорода и углекислого газа, главным образом выделяющихся из электродов), проис ходит окисление поверхности титана, которое замедляет
139