10

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРАТРОНОВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

1 Цель работы - ознакомиться с физическими основами действия, конструкциями, характеристиками и параметрами тиратронов тлеющего разряда с токовым и потенциальным управлением.

2 Теоретические сведения

Тиратроны тлеющего разряда (ТТР) - это газоразрядные приборы, имеющие один или несколько дополнительных электродов, с помощью которых осуществляется управление зажиганием тлеющего разряда.

В ТТР различают два способа управления напряжением зажигания: токовое и потенциальное.

Токовое управление осуществляется в тиратронах, имеющих кроме катода и анода дополнительный электрод в виде кольца, диска или короткого цилиндра, называемый сеткой.

Устройство тиратрона с токовым управлением и его обозначение показаны на рисунке1. Катод представляет собой полый никелевый цилиндр диаметром 8 мм и длиной 6 мм, внутренняя поверхность которого активизирована цезием для снижения напряжения зажигания и горения. У нижней кромки катода установлена сетка в виде короткого цилиндра длиной 5 мм, верхняя часть которого углублена внутрь катода на 1-1,5 мм. Анод в виде молибденового стержня диаметром 0,6 мм заварен в стеклянный чехол, открытым остается только торец, который и является рабочей поверхностью анода. Электроды заключены в стеклянный баллон, наполненный неоном при давлении 19мм.рт.столба.

С хема включения ТТР с токовым управлением приведена на рисунке 2. Здесь R_a и R_e - балластные сопротивления, служащие для ограничения тока соответственно в цепи анода и сетки.

Так как расстояние d_kc<<d_ka, (d_kc - расстояние катод-сетка, d_ka-расстояние катод-анод), то напряжение зажигания самостоятельного разряда U_с._заж в зазоре сетка-катод оказывается меньше чем напряжение зажигания разряда в цепи анода. Поэтому при подаче напряжения питания Е_а в промежутке сетка-катод возникает тихий самостоятельный разряд с током единицы-десятки микроампер. Это обеспечивается включением в цепи сетки большого ограничительного сопротивления Rc=2-3 МOм. Наличие такого подготовительного разряда дает ряд преимуществ. В прикатодной области образуется область ионизированного газа, которую можно рассматривать как источник начальной ионизации.

При этом создается возможность управления величиной напряжения зажигания тлеющего разряда в промежутке катод-анод: чем больше ток в цепи сетки J_c, чем интенсивнее ионизация газа в области катода, тем меньше напряжение зажигания U_заж разряда в цепи анода.

З ависимость U_а.заж=f(J_с) называется пусковой характерис­тикой тиратрона с холодным катодом. Вид экспериментальной пусковой характеристики показан на рисунке 3. Видно, что наилучшая управляемость зажиганием разряда наблюдается на крутом участке характеристики. Таким образом, с помощью небольших изменений токов сетки можно управлять

в озникновением тлеющего разряда в анодной цепи ТТР и использовать его в качестве переключающего устройства (J_a>>J_c). Пологая часть характеристики не дает достаточной чувствительности и поэтому является нерабочей. Очевидно и то, что величина U_а.заж не может стать ниже напряжения, необходимого для горения разряда, т.е. напряжения горения. После зажигания тлеющего разряда межэлектродное пространство заполняется плазмой и сетка, окруженная двойным электрическим слоем, теряет свое управляющее действие. Величина установившегося тока анода при этом не зависит от J_c, a определяется величинами Е_а и R_a:

Гашение разряда в цепи анода достигается либо снижением потенциала анода путем подачи импульса отрицательной полярности, либо разрывом цепи питания, либо схемными решениями, направленными на снижение напряжения между анодом и катодом ниже уровня напряжения горения.

Е сли после зажигания разряда постепенно уменьшать величину балластного сопротивления или же при R_a=const увеличивать напряжение Е_а, то можно снять анодную характеристику - зависимость между током разряда J_a и напряжением горения U_{a гор} . Вид ее приведен на рисунке 4 (кривая1).

На характеристике имеется более или менее горизонтальный участок, характерный для нормального тлеющего разряда. Напряжение зажигания разряда можно изменять, устанавливая перед снятием характеристики новое значение тока сетки J_c. На этом же рисунке показана вольт-амперная характеристика подготовительного (тихого самостоятельного) разряда (рис.4, кривая 2).

Потенциальное управление зажиганием реализуется в ТТР, у которых между катодом и анодом имеется две или несколько сеток.

У стройство ТТР тетродного типа и его условное обозначение показано на рис.5.

В стеклянном баллоне, наполненном неоном с незначительной примесью аргона при общем давлении 30-40 мм рт.ст., помещается электродная система, состоящая из катода, двух сеток и анода. На первую сетку подается положительное напряжение 80- 100В, при котором в ее цепи горит подготовительный (тихий самостоятель­ный) разряд с током в десятки микроампер. Таким путем между катодом и первой сеткой создается область начальной ионизации. На вторую сетку подается положительное напряжение 50-70 В (рис.6). Поэтому между сетками возникает тормозящее электрическое поле, препятствующее движению электронов из прикатодной области в прианодную, где между второй сеткой и анодом имеется сильное ускоряющее электрическое поле за счет высокого напряжения на аноде (200-250 В).

При определенном положительном напряжении на аноде увеличение напряжения U_C2 приводит к уменьшению тормозящего поля между сетками.

При U_c2⁼U_c1 наиболее быстрые электроны из области "плазменного катода" проходят через пространство между сетками и попадают в ускоряющее поле в зазоре вторая сетка - анод. В ускоряющем поле анода электроны приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации, и достаточную для зажигания тлеющего разряда в цепи анода.

Повышение потенциала анода приводит к повышению потенциала точек пространства, в том числе и в пространстве между сетками и ослаблению тормозящего поля между ними. Это приводит к тому, что при большем U_a зажигание тлеющего разряда в цепи анода произойдет при меньшем напряжении U_c2. Следовательно, каждому значению напряжения U_c2 соответствует определенное напряжение U_a>U_a.гор , при котором зажигается разряд. Изменяя напряжение U_с2 , можно управлять напряжением зажигания в цепи анода. Такой способ управления называется потенциальным.

Зависимость U_a.заж⁼ f (U_c2) при J_c1 = const называется статической пусковой характеристикой тиратрона с потенциальным управлением.

Повышение тока J_c1 сопровождается ростом интенсивности ионизационных процессов и расширением прикатодной области, уменьшением эффективного расстояния между сетками. Вследствие этого при меньшем напряжении U_с2 создаются условия для возникновения тлеющего разряда в промежутке катод- анод. Вольт - амперные характеристики зазоров катод-первая сетка и катод-анод аналогичны характеристикам триодного тиратрона.

Схема включения ТТР с потенциальным управлением показана на рисунке 7. В данной схеме на вторую сетку подается начальное напряжение U_c2o < U_c2заж , при котором зажигание в цепи анода не происходит. Для поджига тиратрона на его вторую сетку подается пусковой импульс напряжения положительной полярности достаточной амплитуды! При этом напряжение на

второй сетке повышается до U_с2>U_c2заж, при заданных U_a и J_c1, и происходит зажигание разряда в тиратроне.