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

вых экранов катода направляется к периферии сетки где расположена щель экранирующего диска, а затем череа

В тиратронах с центральным поджигом время разви­ тия разряда обычно меньше, чем в тиратронах с боко­

вым поджигом. Для ускорения развития разряда вво­ дятся иногда дополнительные элементы. Одним из таких элементов является нить (игла), имеющая потенциал сетки и расположенная вблизи катода тиратрона, как это показано на рис. IX. 8, а *. Механизм ускорения разви-

Рис. IX.8. Сетка с „поджигающей иглой" (а) и „кольцом под-

жига“ (б)\

1 — игла; 2 — кольцо.

Идея использования нити была предложена в [47] для облег­ чения зажигания высоковольтных вентилей и затем использована в импульсных тиратронах.

150

тия разряда согласно представлениям, приведенным в [105], сводится к следующему. Электроны под дейст­ вием электрического поля направляются к нити и вслед­ ствие малого диаметра нити совершают многократные колебания вокруг нее, ионизируя газ. Образующаяся плазма быстро распространяется к участку сетки, где действует поле анода.

Сетки о поджигающей иглой используются и могут быть рекомендованы для импульсных тиратронов сред­ ней и малой мощности. В мощных тиратронах игла, рас­ положенная на пути разрядного столба, перегревается, в результате чего снижается стабильность отпирания ти­ ратрона. В качестве элемента, ускоряющего развитие разряда в мощных тиратронах, вблизи катода может

экрана катода и увеличивает напряженность электриче­ ского поля сетки вблизи катода. Кольцо находится вне основного пути мощного разрядного столба, на него идет сравнительно небольшой ток, поэтому нагрев коль­ ца невелик.

Помимо ускорения развития разряда в тиратроне, игла и кольцо способствуют ускорению деионизации плаз­ мы вблизи катода в послеразрядный период при отри­ цательном потенциале сетки.

Недостатком центрального поджига является воз­ можность попадания активного вещества с оксидного катода на сетку и появления термотоков. Для того, что­ бы защитить поверхность сетки, расположенную у анода, от попадания на нее частиц оксида, сетку следует делать двойной. Помимо защиты от напыления, такая сетка об­ ладает лучшими запирающими свойствами.

В тиратронах малой и средней мощности сетка изго­ тавливается из никеля. В мощных тиратронах никель обычно не применяется из-за его низкой теплопроводно­ сти. Неравномерная загрузка ячеек при прохождении импульсов тока может вызвать деформацию никелевой сетки. В качестве материала для сеток мощных тиратро­ нов следует использовать медь.

Для увеличения отвода мощности от сетки в тират­ ронах, заключенных в стеклянную оболочку, следует по­ вышать коэффициент излучения поверхности сетки. Це­ лесообразно использовать «черное» хромирование, так как это покрытие не вступает в химическое взаимодей­

151

ствие с водородом и коэффициент излт чения в процессе работы не изменяется.

В мощных и сверхмощных тиратронах часто приме­ няется жидкостное охлаждение сеток. Если мощность, выделяющаяся на сетке, особенно велика, охлаждаю­ щую жидкость подводят непосредственно к границе яче­ ек, на которых выделяется энергия.

IX.4. КАТОД

Вводородных тиратронах используются катоды кос­ венного подогрева. Керн катода изготавливается из чис­ тейшего никеля, который в отличие от технического ни­ келя не образует запорного слоя в контакте с оксидным покрытием. Такие катоды имеют постоянное во времени сопротивление, меньше нагреваются разрядом, более ус­ тойчивы к искрению и в активированном состоянии не обнаруживают спада эмиссии.

Вмаломощных приборах применяются цилиндриче­ ские катоды с внешней или внутренней рабочей поверх­ ностью. В тиратронах средней и большой мощности ис­ пользуются как цилиндрические, так и торцевые катоды, снабженные ребрами. С помощью ребер достигается мно­ гократное увеличение рабочей поверхности при сравни­ тельно небольшом повышении габаритов катода и мощ­ ности накала. Для повышения экономичности катод ок­ ружается системой тепловых экранов.

На рис. IX.2 видна конструкция катода тиратрона ТГИ1-2000/35. На плоской поверхности катода приваре­ ны ребра, образующие ячейки — «соты» [54]. Такое рас­ положение ребер более выгодно, по сравнению с парал­ лельными ребрами, так как позволяет получить наиболь­ шее расстояние между ребрами при равной поверхности. Это способствует равномерному распределению тока.

Конфигурация подогревателя зависит от конструкции катода. Для нагрева цилиндрических катодов диамет­ ром менее 30 мм применяется вольфрамовая биспираль. При увеличении диаметра цилиндра часто применяются несколько спиралей или биспиралей, расположенных во­ круг катода и включенных параллельно.

Подогреватели торцевых катодов имеют вид или пло­ ских спиралей из листового молибдена [103] или спира­ лей из вольфрамовой проволоки. В мощных тиратронах может иметься несколько плоских подогревателей, на­

152

Выбор /а, Ткн « Рн (Зля режима микросекундных им­ пульсов производится следующим образом. При номи­ нальном импульсном токе соотношение между плотно­ стью тока, отбираемого от катода, и плотностью тока нулевого поля может быть меньше, равно или больше еди­ ницы (режим ограничения тока пространственным за­ рядом, переходный и вынужденный режим соответст­ венно) .

Преимущество вынужденного режима заключается в отборе с катода больших плотностей тока, что при данном анодном токе способствует существенному уменьшению размеров рабочей площади катода и габаритов катод­ ной системы.

Вместе с тем в вынужденном режиме потери мощ­ ности на катоде из разряда, согласно (IV.17), гораздо выше, чем в режиме ограничения тока пространствен­ ным зарядом в связи с резким увеличением катодного падения потенциала п доли тока положительных ионов

ванодном токе. Для предотвращения недопустимого пе­ регрева оксидного покрытия анодным током необходимо значительное повышение рассеивающей способности ка­ тода. Однако при этом возрастает мощность накала, что

вбольшинстве случаев нежелательно. Это обстоятельст­ во, а также отсутствие точных данных о потенциале рас­ пыления оксида положительными нонами водорода де­ лают нецелесообразным использование вынужденного режима. Таким образом, плотность тока не должна пре­ вышать плотности тока пулевого поля при рабочей тем­ пературе катода. Например, если ГК.=860°С, тогда

=£7(10—12) ■104 А/м2 при р = 66,5 Н/м2. (0,5 мм рт. ст.).

Снижение давления до 30—32,2 Н/м2 (0,2—0,25 мм рт. ст.) требует уменьшения /а до (7—8)-104 Л/м2 вследст­ вие «преждевременного» увеличения ДUK (рис. IV.3 и

IV.4).

Начальную температуру катода следует выбирать с учетом дополнительного разогрева его анодным током. Допустимое значение анодного тока тем больше, чем больше разница между начальной и рабочей (при нор­ мальной нагрузке) температурой катода. Поэтому на­ чальную температуру T,ai нужно брать возможно более низкой. Вместе с тем катод при этой температуре дол­ жен обладать достаточной эмиссией и не подвергаться искрению в первый момент после включения номиналь­

ного анодного тока.

Начальная температура катода, используемая в боль-

154

шипстве водородных тиратронов, равняется 730-^760° С. Испытания н эксплуатация мощных водородных тира­ тронов показали, что при этой температуре обеспе­ чивается достаточная эмиссия и практически не наблю­ дается искрения катодов даже в первые часы трениров­ ки тиратрона.

Мощность, требуемая для нагрева катода до началь­ ной температуры, находится из рис. IV. 19 по заданным импульсному анодному току и скважности импульсов. Как показано в гл. IV, мощность накала катода, уста­ новленная из рис. IV. 19, является минимальной мощно­ стью, при которой тиратрон способен работать в задан­ ном импульсном режиме без перегрева оксидного покры­ тия анодным током (температура катода, нагруженного током, Тк Ср^860° С).

Выбирая /а, Гкн и Рн для режима длинных импульсов

нужно иметь в виду, что в этом случае ток эмиссии ог­ раничивается не только средним дополнительным нагре­ вом, но также искрением и импульсным нагревом оксид­ ного слоя.

Исследования двух последних явлений показали, что допустимая импульсная плотность тока эмиссии умень­ шается с ростом длительности импульса и при снижении температуры катода. Поэтому плотность тока эмиссии следует находить с помощью экспериментальных кривых Уа(Д0П) = / (Тц) , приведенных на рис. IV. 14 и рис. IV.25.

Начальная температура выбирается из тех же сооб­

иметь место в том случае, когда его мощность накала определена из кривой / а(доп) = f (Pr ) , а плотность тока эмиссии определена из кривых /а(лоп)=/(ти) ■

Тиратрон, разработанный для коротких импульсов, в режиме длинных импульсов должен эксплуатировать­ ся с меньшим анодным током, так как при ти> 25 мкс Уа(доп) существенно меньше плотности нулевого поля.

Для уменьшения размеров катода, специально конструируемого для работы па длинных импульсах, без повышения при этом вероят­ ности искрения и существенного импульсного испарения оксидного покрытия, можно рекомендовать следующие пути [54]:

1. Увеличение начальной температуры катода. Если, например,

3-104 А/см2. При этом рабочая площадь катода уменьшится на 35%. 2. Применение форсированного макала (напряжение накала вы­ ше поминального), с помощью которого температура в процессе ра­

155

зогрева достигает к моменту включении анодного напряжения зна­ чения, равного максимально допустимой температуре катода (860° С), значительно превышающей начальную температуру при номиналь­ ном накале. После установления номинального режима работы ти­ ратрона напряжение накала должно быть уменьшено до номиналь­ ного. Использование форсированного накала дает больший выигрыш в размерах катода, чем в ранее рассмотренном случае, так как рас­ четная плотность тока эмиссии берется для максимально допусти­ мой температуры катода.

(плоский, цилиндрический, ребристый и др.), рассчиты­ ваются его рабочая поверхность и габариты, размеры ре­ бер и расстояния между ними. Рабочая поверхность ка­ тода 5Кнаходится по заданному импульсному анодному току / а и выбранной плотности тока эмиссии /а:

5 ц = / а//а-

Поверхность используется полностью только при равно­ мерном распределении тока по катоду. При резко нерав­ номерном распределении тока перегруженные участки работают в вынужденном режиме. Их эмиссионная спо­ собность быстро уменьшается из-за перегрева оксида разрядом.

Распределение тока по катоду зависит от соотноше­ ния диаметра DK и высоты катода hK, а также от шири­ ны ребер b и расстояния между ними а. Методика выбо­ ра оптимальных значений этих параметров описана в [3, 48]. Отметим, что равномерное распределение тока гарантируется, если h,JDK^Z 1,5, а а /Ь ^ \. Эти соотноше­ ния выдерживаются практически во всех конструкциях катодов отечественных тиратронов.

Другим фактором, влияющим на распределение тока по катоду, является температура отдельных его участ­ ков, приобретаемая за счет мощности накала или вслед­ ствие дополнительного нагрева анодным током. Участки с наибольшей температурой могут оказаться перегру­ женными током. Для выравнивания температуры керн катода должен быть изготовлен из материала достаточ­ ной толщины (не менее 0,4 мм в мощных тиратронах).

IX.5. ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА

Наиболее целесообразно в качестве рабочего тела ге­ нератора водорода использовать титан. Компактный лис-

156

товой или проволочный титан для этой цели обычно не применяется, так как обладает относительно малой реа­ гирующей поверхностью. Даже незначительное выделе­ ние остаточных газов в процессе работы тиратрона приво­ дит к появлению на ней окисной пленки и замедлению процесса десорбции водорода.

Во многих типах тиратронов для генератора водоро­ да используется мелкодисперсный порошок титана, по­ мещенный в металлическую ампулу, снабженную спе­ циальным подогревателем. К недостаткам генератора водорода из порошкообразного титана следует отнести возможное высыпание порошка при вибрации, приводя­ щее к снижению электрической прочности тиратрона в случае попадания частиц титана в анодную камеру.

В процессе откачки тиратрона возможно окисление титана при обработке оксидного катода, так как темпе­ ратура генератора из-за близости к катоду может дости­ гать 600—700° С, при которой продукты разложения кар­ бонатов оксидного катода СО и С 02 активно реагируют с титаном. Окнсиая пленка устраняется прогревом тита­ на в вакууме до 800—900° С. При этом происходит диф­ фузия окислов с поверхности внутрь титана, где в рас­ творенном состоянии они не влияют на скорость проте­ кания процесса взаимодействия титана с водородом. Од­ нако такой прогрев порошкообразного титана не при­ меняется, так как он может вызвать спекание порошка в конгломераты произвольной формы, имеющие плохой контакт с нитыо накала.

Широкое применениедля генераторов нашел порис­ тый титан, изготовленный из мелкодисперсного порошка методом прессования с последующим спеканием в ва­ кууме. Пористый титан имеет реагирующую поверхность, близкую к поверхности порошка, равного по весу (по­ верхность 1 см3 пористого титана составляет 80м2). Спе­ кание прессованного титана ведется при температуре 900° С, поэтому прогрев при температуре 750—800° С, не­ обходимый для устранения окислов, не меняет форму и структуру генератора. Наиболее распространенной фор­ мой генератора из прессованного титана является ци­ линдр, внутрь которого вставлен изолированный подо­ греватель (рис. IX. 10). Титан легко восстанавливает окись алюминия (алунд), которым изолируется подогре­ ватель, поэтому между подогревателем и титаном долж­ на существовать металлическая прокладка.

Расчет генератора водорода сводится к выбору на-

157

чальной концентрации водорода в титане и его темпера­ туры, а также к определению массы титана и конфигура­ ции генератора. Воспользуемся для этой цели характе­ ристиками термодинамического равновесия системы ти­ тан — водород, приведенными в гл. VIII.

1 2 3

При выборе начальной концентрации водорода в ти­ тане сталкиваются два противоречивых требования: с одной стороны давление водорода должно возможно меньше изменяться при изменении напряжения накала подогревателя (dpldUHr-+ мин), так как в процессе ра­ боты неизбежны колебания напряжения накала, кото­ рые могут привести к изменению давления и электриче­ ских характеристик тиратрона. Наименьшая величина dp/dUHг соответствует начальному участку характерис­

30 см3/г). Недостатком использования генератора в этой области концентраций водорода в титане является изме­ нение рабочего давления при поглощении водорода в процессе работы, так как давление на этом участке ха­ рактеристики сильно зависит от концентрации. Работая при низкой начальной концентрации, нужно регулиро­ вать температуру генератора в процессе работы.

С другой стороны, для обеспечения постоянства дав­ ления при длительной работе тиратрона, когда концент­ рация водорода уменьшается, нужно, чтобы давление не зависело от концентрации. Для этого следует работать на пологом участке характеристики p = f( С) при

0 5 0 - 1 0 - 3 м3/кг ( 0 5 0 см3/г).

Во всех типах отечественных тиратронов устанавли­ вается постоянное напряжение макала генератора, не регулируемое при длительной работе. Поэтому началь-

158