книги из ГПНТБ / Фогельсон, Т. Б. Импульсные водородные тиратроны

Т. Б. Фогельсон, Л. Н. Бреусова, Л. Н. Вагин

Импульсные

водородные

тиратроны

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

УДК 621.385.337.8:546.11

Фогелъсон Т. Б., Бреусова Л. Н., Вагин Л. Н. Импульсные водо­ родные тиратроны. М., «Сов. радио», 1974, 212 с.

Рассматриваются основные физические процессы, происходящие в импульсных водородных тиратронах, которые являются комму­ тирующими приборами импульсных схем. Приводятся принципы конструирования отдельных блоков тиратронов. Ряд глав книги по­ свящается описанию электрических характеристик импульсных ти­ ратронов и выбору электрических параметров приборов при про^. ектированин импульсной аппаратуры. Излагаются особенности при­ менения тиратронов в различных схемах.

Книга предназначена для инженеров-электровакуумщнков, про­ ектирующих импульсные тиратроны, радиотехников, радиофнзиков и физиков-экспернментаторов, применяющих эти приборы в аппа­ ратуре. Она также может быть полезна аспирантам и студентам старших курсов радиотехнических вузов и факультетов электронной техники.

Набрано в московской типографии № 13 Согазполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 107005, Москва, Б-5, Денисовский пер., 30.

Отпечатано в типографии изд-ва «Советское радио» Зак. 1186

30407-044

Ф046 (01)-74

© Издательство «Советское радио», 1974 г.

ния, малым временем восстановления электрической прочности и малыми потерями мощности. Первоначаль­ но эти приборы применялись, в основном, в модулято­ рах радиолокационных станций.

Импульсные тиратроны не единственные коммути­ рующие приборы. Для этой цели служат и другие газо­ разрядные приборы: искровые разрядники различных типов, отпаянные газоразрядные приборы высокого дав­ ления, а также вакуумные модуляторные лампы [1]. В последнее время стали применяться твердотельные приборы — тиристоры.

Вакуумные модуляторные лампы используются в схе­ мах с частичным разрядом накопительной емкости и имеют ряд преимуществ перед газоразрядными прибо­ рами всех типов. К этим преимуществам относятся: спо­ собность работать при любой частоте следования им­ пульсов тока (наибольшая частота ограничивается лишь допустимой средней мощностью), возможность регулиро­ вания длительности импульса и промежутка между им­ пульсами со стороны низкого напряжения (в цепи сет­ ки). Однако вакуумные модуляторные лампы имеют очень низкий к. п. д. из-за большого расхода мощности на накал катода и потерь на аноде. Потери в приборах составляют 20—36%. Кроме того эти приборы обладают сравнительно низким коэффициентом управления по мощности, для них требуются сложные мощные подмо­ дуляторы питания управляющей сетки и высокие запи­ рающие напряжения экранной сетки.

Газоразрядные коммутирующие приборы всех типов применяются в так называемых линейных модуляторах. Накопитель энергии в этих модуляторах представляет собой искусственную длинную линию. Отпаянные двух­ электродные приборы высокого давления, искровые воз-

3

душные разрядники и тригатроны имеют ограниченное применение из-за сравнительно небольшой долговечно­ сти вследствие эрозии электродов и недостаточно высо­ кой стабильности зажигания разряда.

Импульсные тиратроны являются наиболее совершен­ ными коммутирующими приборами, применяемыми в ли­ нейных модуляторах. Они имеют высокий к. п. д., дости­ гающий в тиратронах средней и большой мощности 98— 99%. Коэффициент управления по импульсной мощно­ сти примерно равен 104. Тиратрон управляется по сет­ ке простейшим генератором, к форме импульса кото­ рого не предъявляются жесткие требования. Частота следования импульсов тока при использовании импульс­ ных тиратронов достигает нескольких тысяч импульсов в секунду, а стабильность зажигания тиратрона очень велика; разброс во времени фронта импульса тока не превышает (2—3) X10-9 с.

В последнее время область применения импульсных тиратронов значительно расширилась. Они используют­ ся в ускорителях заряженных частиц, в лазерной технике и в ключевых генераторах различных типов, в том чис­ ле в генераторах с ударным возбуждением колебатель­ ного контура. Затухающие колебания, возникающие в схемах ударного возбуждения, успешно применяются для индукционного нагрева и в навигационной технике.

При создании импульсных тиратронов потребовалось дополнительное изучение целого ряда вопросов техниче­ ской физики, как-то: возникновение электрического раз­ ряда при низких давлениях (левая ветвь кривой Пашена), автоэлектронная эмиссия в присутствии газа, тер­ моэлектронная эмиссия оксидного катода в условиях им­ пульсного разряда, процесс развития разряда в тира­ троне, методы создания постоянного давления газа и др. Материалы, посвященные этим вопросам, изложе­ ны в отдельных статьях, отчетах, диссертациях, обзорах. В учебниках по электровакуумным и ионным приборам [2, 3] импульсным тиратронам уделены очень небольшие разделы и многие вопросы в них не рассматриваются. Книга Т. А. Ворончева «Импульсные тиратроны» [4], выпущенная в 1958 г., содержит описание физических процессов, обоснование конструкции и характеристики небольшой серии маломощных импульсных тиратронов.

В настоящей книге авторы предприняли попытку об­ общить литературные данные и опыт исследования

4

Глава I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ

ТИРАТРОНАХ

J.1. ТИРАТРОНЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ И ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ХАРАК­ ТЕРИСТИКАМИ ЗАЖИГАНИЯ

Управляемые газоразрядные приборы с накаленным катодом — тиратроны по принципу отпирания можно разделить на две основные группы. К первой группе от­ носятся тиратроны, отпирание которых происходит при уменьшении отрицательного потенциала сетки, благода­ ря чему электроны, выходящие из катода, получают в пространстве между сеткой и анодом энергию, доста­ точную для ионизации газа. Характеристикой зажигания таких тиратронов является зависимость Ua = f(Uc), где Ua— напряжение анода, a Uc — напряжение сетки. Их можно назвать тиратронами с отрицательной характери­ стикой зажигания (отпирания) или с «потенциальным» управлением.

В эту группу входят тиратроны, предназначенные для преобразования тока в выпрямительных и инвертор­ ных схемах, а также релейные тиратроны. Для них со­ отношение между максимальным и средним током, отбираемым от тиратронов, не превышает 6—ь (харак­ терное соотношение для вентилей). Поскольку плотно­ сти тока в этом случае невелики, обычно не следует опа­ саться разрушения катода под действием мойной бом­ бардировки. Приборы наполняются тяжелыми инертны­ ми газами (аргон, криптон, ксенон) и ртутью. Выбор газа объясняется, в значительной мере, низким потен­ циалом ионизации, благодаря чему удается получить сравнительно низкое падение напряжения на тиратроне.

Тиратронам с отрицательной характеристикой зажи­ гания посвящено много обзорных статей, учебников, на­ пример, [2, 3, 5]. Рассмотрение этой группы приборов не входит в нашу задачу.

Ко второй группе относятся импульсные тиратроны, отпирание которых основано на другом принципе. В этих тиратронах анод столь сильно экранируется сеткой от

6

катода, что независимо от потенциала сетки поле анода к катоду не проникает. Отпирание происходит, когда ме­ жду катодом и сеткой возбуждается вспомогательный разряд и плотность плазмы в области сетки, в которую проникает поле анода, достаточна для распространения проводимости на весь тиратрон. Эти приборы можно на­ звать тиратронами с положительной характеристикой, отпирания или с «токовым» управлением.

Импульсныетиратроны были предложены Гермесхаузеном [1,6] и появились через 15 лет после изобре­ тения тиратрона с отрицательной характеристикой [5]. В них отношение амплитуды тока к его среднему значе­ нию обычно больше ста и может достигать нескольких тысяч. Длительность импульса находится в пределах от долей микросекунды до сотни микросекунд. Длитель­ ность фронта импульса тока составляет доли микросе­ кунды. Так как газовый разряд в импульсном тиратроне развивается за время 10~7— 10-8 с, процесс развития разряда мало влияет на форму импульса тока.

Восстановление электрической прочности в импульс­ ных тиратронах происходит в течение нескольких единиц или десятков микросекунд, благодаря чему частота сле­ дования импульсов тока может достигать нескольких тысяч в секунду. Импульсные тиратроны обладают вы­ сокой электрической прочностью. Существуют тиратро­ ны, работающие при напряжении анода 50—100 кВ..

1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТИРАТРОНОВ

Принципиальная схема линейного модулятора с им­ пульсным тиратроном приведена на рис. 1.1. Работа схе­ мы протекает следующим образом. Формирующая ли­ ния заряжается от выпрямителя через зарядный дрос­ сель и диод Л\. В период заряда напряжение на аноде тиратрона Л нарастает по линейному или косинусои­ дальному закону; при заряде через диод часть времени между импульсами напряжение анода имеет постоянное максимальное значение. При отпирании тиратрона энер­ гия, накопленная в формирующей линии, разряжается через тиратрон на нагрузку Rn. После прохождения им­ пульса тока к аноду прикладывается отрицательное на­ пряжение, возникающее на формирующей линии за счет рассогласования ее волнового сопротивления и сопро-

7

тивления нагрузки. Отрицательное напряжение сущест­ вует в течение времени, достаточного для восстановле­ ния электрической прочности тиратрона.

Рис. 1.1. Принципиальная схема включения импульсного тиратрона:

В — выпрямитель, ФЛ —формирующая линия, ^зар —зарядный дроссель, Л 1 —зарядный диод, Л —тиратрон, RH—нагрузка, ГПН — генератор поджигающих импульсов, R —сопротивление утечки, Сп —переходная емкость.

Высокая электрическая прочность и малое время раз­ вития разряда — требования противоречивые, удовлетво­ рить которым, равно как и обеспечить малое время вос­ становления электрической прочности, удается в тиратро­ нах, которые по конструкции отличаются от тиратронов с отрицательной характеристикой зажигания. На рис. 1.2 приведено схематическое изображение импульсного ти­ ратрона. Анод 2 окружен экраном 9, имеющим потен­ циал сетки. Диск сетки 3 с отверстиями для прохожде­ ния тока расположен под анодом. Экранирующий диск сетки 4, препятствует проникновению поля анода в ка­ тодную область, благодаря чему создается высокая элек­ трическая прочность тиратрона. Экранирующий диск как бы делит тиратрон на две области: катодную и анодно-сеточную.

Отпирание тиратрона происходит после возбуждения вспомогательного разряда между катодом и сеткой, ко­ торый создает определенную плотность заряженных час­

проводит ток. Предварительная ионизация значительной части разрядного пространства способствует ускорению времени 'коммутации — длительности перехода тиратро­ на из непроводящего состояния в состояние горения раз­ ряда с высокой проводимостью. Разделение разрядного

8