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

на весьма приближенно, так как точное измерение в ти­ ратроне не представляется возможным.

Падение напряжения, на оксидном слое, &U0i!C, зави­ сит в первую очередь от температуры оксидного слоя, резко убывая с ростом ее, от анодного тока, а также ка­ чества оксидного слоя. Величина Ai/0KC равна 30—100 В при наибольшей амплитуде тока.

Катодное падение потенциала, ДUK. Для хорошо ак­ тивированного катода, имеющего температуру 800— 850° С, катодное падение потенциала имеет значение 15—20 В. Низкая плотность газа около горячего катода приводит в ряде тиратронов к повышению AUK до

25—35 В.

Падение напряжения на столбе ДНСТ и в отверстиях

Д£/отв в тиратронах большой мощности даже при токах в несколько тысяч ампер обычно не превышает 30—50 В и 20—80 В, соответственно. В некоторых случаях, кото­ рые будут более подробно разобраны в дальнейшем из­ ложении, падение ДЙ0Тв может составить много десят­ ков вольт.

Анодное падение потенциала AUa для разряда в во­ дороде в большинстве случаев положительно и имеет величину порядка 10—20 В.

Наибольшая часть общего падения напряжения на тиратроне приходится на катод и прилегающую к нему область разряда: сумма AU0Kc, AUKи ДНСТ составляет обычно 60—70% от всего падения напряжения.

V.2. ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВОДОРОДА

Прохождение значительного тока через тиратрон вы­ зывает по ряду причин изменение плотности водорода. Одна из причин разрежения газа — разогрев электродов. На электродах тиратрона: катоде, сетке, экранах и ано­ де при прохождении тока выделяется значительное коли­ чество тепла, вследствие передачи металлу кинетической энергии электронов н ионов, скрытого тепла рекомбина­ ции, тепла ассоциации атомного водорода в молекуляр­ ный, от нагретого разрядом водорода. В общем балансе тепловыделения существенную роль играет накал като­ да, большая часть мощности которого передается сетке путем излучения и теплопроводности. Разогрев отдель­ ных электродов меняет плотность прилегающего газа.

90

Как известно, если рассматриваемый объем охвачен со всех сто­ рон электродом, имеющим температуру Т, то плотность газа в этом объеме d T относится к плотности газа d0, находящегося при ком­ натной температуре, как

в случае, -когда XHj < А где I—расстояние между стенками, XHj ■— дли­ на свободного пробега молекулы водорода. Для случая, когда XHi > I, т. е. для очень низкого давления имеет место соотношение

В водородном тиратроне давление имеет промежуточное значение

При нагрузке импульсным током на постоянную температуру электродов накладывается быстро меняющееся приращение темпе­ ратуры поверхностного слоя электрода. При больших импульсных токах эти перегревы ведут к существенным динамическим колеба­ ниям плотности газа.

Нагрев поверхности электрода к концу импульса тока длитель­

Оценим импульсный нагрев поверхности анода, наибольший на участках, расположенных против отверстий сетки. Для ориентиро­ вочного расчета примем, что при своем перемещении по отверстиям сетки (см. § V.4) разряд загружает одно отверстие в среднем около 0,5 мкс через каждые 4—5 мкс, а одновременно загружены разря­ дом 5 отверстий. Тогда при амплитуде тока 5000 А, длительности импульса 20 мкс и анодном падении 30 В повышение температуры «рабочего» участка медного анода составит к концу импульса около 100° С, молибденового анода — около 200° С.

Следующей причиной перегрева водорода и одновре­ менно причиной понижения его плотности является на­ грев газа током вследствие передачи кинетической энер­ гии электронов и ионов при упругих столкновениях с молекулами водорода [65, 69]. Разрежение происходит наиболее сильно в местах, где плотность тока имеет наибольшее значение, а именно: вблизи центральных областей отверстий сетки.

В разряде низкого давления наблюдается увеличение плотности газа у анода, вызванное передачей импульса, направленного в сторону анода от электронов молеку­ лам («электрофорез» газа) [66,67].

Наконец, ионы газа перемещаются из объема к стен­ кам, разгоняясь в поперечном электрическом поле. После

91

нейтрализации на стенках атомы возвращаются в объем, но уже со значительно меньшими тепловыми скоростями. В результате у стенок создается избыток молекул по сравнению с центральной областью разрядного про­ странства [68—70]. В своем движении к стенкам ионы увлекают также молекулы водорода (действие эффекта перезарядки), что создает дополнительный перепад плотности газа. Скорость движения ионов в электриче­ ском поле больше тепловой скорости молекул, поэтому даже при небольшом ионном токе на стенку возникает заметный поперечный градиент плотности газа. (В водо­ роде этот эффект может быть особенно велик, посколь­ ку ионный ток на стенку обратно пропорционален корню квадратному из массы нона.)

Таким образом от точки к точке разрядного пути плотность газа претерпевает сложные изменения, кото­ рые могут существенно сказаться на устойчивой работе тиратрона.

V.3. ГРАДИЕНТ ПОТЕНЦИАЛА В ОДНОРОДНОМ ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ СТОЛБЕ РАЗРЯДА В ВОДОРОДЕ И ДЕЙТЕРИИ

Падение напряжения на однородном столбе дуги оп­ ределяется как произведение продольного градиента потенциала в плазме С на длину столба /, А£/ст = Е1.

В импульсном разряде низкого давления с длитель­ ностью протекания тока от долей микросекунды до де­ сятков миллисекунд становятся существенными такие проявления инерционности газового разряда при его развитии, как время установления градиента поля, кон­ центрации электронов п ионов, плотности газа по длине и сечению трубки. Условно можно разделить инерцион­ ность этих процессов на имеющую «электрическую» и «тепловую» природу.

Так, при зажигании разряда в длинной трубке сна­ чала возникает вдоль оси узкий пучок ионизированного газа, затем с нарастанием тока канал разряда расши­ ряется. В этот период «электрического» установления разряда быстро повышается концентрация заряженных частиц в объеме и снижается как общее падение напря­ жения на трубке, так и продольный градиент потенциала в положительном столбе. В зависимости от разрядных условий процесс снижения общего падения напряжения может затягиваться до нескольких микросекунд. Значи-

92

телы-ю медленнее происходит изменение характеристик разряда, связанное с изменением плотности газа по се­ чению трубки, вызванным нагревом газа проходящим током.

В водороде, как и в ряде других молекулярных га­ зов, градиент потенциала возрастает приблизительно пропорционально плотности газа. «Тепловая» инерцион­

градиента потенциала при постоянном и импульсном токах (длительность импульса единицы микросекунд) различаются между собой, а именно: значение Е при коротких импульсах, когда плотность газа по сечению не успевает понизиться, превосходит значение Е на по­ стоянном токе.

На рис. V.1 дана зависимость продольного градиента потенциала в однородном столбе водорода и дейтерия от силы тока при питании разряда постоянным и импульс-

в водороде и дейтерии.

ным током [71, 72]. Измеренное Е представляет собой усредненную по длине столба величину и не учитывает изменения градиента потенциала в пределах каждой из

93

внеоне и аргоне* практически отсутствует в водороде

[71].В дейтерии в том же диапазоне давлений газа разрядных токов градиент потенциала в однородном

столбе в V 2 раз меньше, чем в водороде [72].

V.4. ПРОХОЖДЕНИЕ РАЗРЯДНОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ СЕТКИ. ОБРЫВ ТОКА

Перепад потенциала в сужении разрядного столба.

Проходя через отверстия сетки и огибая экраны сетки

икатода, столб дуги на относительно коротком пути между катодом и анодом неоднократно меняет сечение

ипретерпевает резкие изгибы. Каждое такое нарушение однородности столба вызывает изменение его свойств на значительной длине с обеих сторон от места нарушения однородности.

Втрубке с переменным сечением постоянному значе­ нию разрядного тока соответствуют разные плотности

тока в широкой и узкой ее части: возникают плазмы с разной концентрацией заряженных частиц и различной скоростью их движения. На границе между плазмами образуется перепад потенциала *. В случае резкого' уменьшения диаметра разрядной трубки перепад потен­ циала создается двойным электрическим слоем, распо­ ложенным с катодной стороны сужения: объемный избы­ точный заряд электронов сосредоточивается с катодной стороны сужения, за ним в сторону анода потенциал пространства резко повышается. Пройдя скачок потен­ циала, электроны ускоряются. Это приводит к усилению ионизации газа. Вновь возникшие электроны быстро удаляются к аноду, и в устье сужения образуется объ­ емный заряд остающихся в избытке ионов.

Повышение концентрации заряженных частиц и на­ правленных к аноду скоростей электронов обеспечивает требуемый рост плотности тока в сужении. Скачок потен­ циала на сужении растет с увеличением силы тока,, уменьшением сечения суженной части и с понижением плотности газа. При большой длине суженной части трубки, в ней на некотором расстоянии от входа вновь образуется однородный положительный столб с более высоким градиентом потенциала, чем в широкой части

* В [117] показано, что скачок потенциала возникает даже на границе плазм, отличающихся только концентрацией заряженных ча­ стиц и имеющих равные Те.

95

трубки. На выходе из сужения с анодной стороны возни­ кает избыточная ионизация газа, п потенциал простран­ ства здесь несколько снижается.

Падение напряжения на сужении ДН0Тв зависит, та­ ким образом, от геометрических размеров сужения, силы разрядного тока п плотности газа.

Обрыв дуги. В определенных условиях прохождение тока через сужение может сопровождаться обрывами ду­ ги, когда протекание тока через прибор прекращается, а напряжение на нем возрастает до напряжения источника

питания.

Причиной обрыва душ является наступление такого разрежения газа, при котором разряд не может поддер­ живаться. В [73] было показано, что прохождение боль­ ших токов при низком давлении газа вызывает обрыв дуги даже в однородном столбе. Сужение усиливает разрежение газа, обычно возникающее по осп разряда, вследствие более интенсивного ухода газа в виде ионов под действием возросших электрических полей (радиаль­ ного п продольного), а также в результате более сильно­ го нагрева газа п стенок трубки, особенно устья суже­ ния с катодной стороны. Уменьшение плотности газа требует дальнейшего роста энергии электронов (т. е. по­ вышения скачка потенциала у входа в сужение) с тем, чтобы за счет повышения интенсивности ионизации раз­ реженного газа сохранить необходимый баланс ионов в разряде. Если, однако, энергия электронов, прошедших скачок потенциала, возрастет настолько, что будет до­ стигнута предельная ионизация, определяемая максиму­ мом кривой эффективности ионизации, то дальнейшее увеличение скачка потенциала, происходящего при росте разрядного тока либо снижении плотности газа в трубке, приведет к обрыву тока. Слой распадется и ток в трубке самопроизвольно прекратится, пока в сужении не вос­ становится первоначальная плотность газа [73].

Экспериментально найдено, что критический ток, при котором возникает обрыв дуги, /кр пропорционален плотности газа (или давлению р при постоянной темпе­ ратуре) и площади поперечного сужения S:

На рис. V.2 приведена зависимость плотности тока обрыва от давления водорода. Несовпадение наклона прямых, т. е. значения А, объясняется различиями в кон­ струкции трубок и условиях эксперимента, определяю-

96

щих газодинамику процессов. Для паров ртути было отмечено [74], что при одинаковом давлении /кр= 7кр/S несколько падает с ростом диаметра сужения. В водо­ роде подобные явления наблюдались в [75].

Продолжительность изменения плотности газа в раз­ ряде зависит от силы тока, давления и рода наполняю­ щего газа. Например, разрежение газа вблизи сетки водородного тиратрона при прохождении импульса тока 10—15 а длительностью 15 мкс продолжалось в течение всего импульса [76]. Инерционность газодинамических процессов в разряде делает критический ток обрыва дуги функцией длительности протекания тока, т. е. при питании разряда короткими прямоугольными импульса­ ми ток обрыва значительно больше, чем в стационарном разряде.

На рис. V.3 приведена зависимость /ир—[(ти), полу­ ченная для водорода в трубке, имеющей на пути разря­ да между катодом и анодом плоский металлический диск с одним центральным отверстием диаметром 4 мм.

Толщина диска варьировалась в пределах от 0,4 до 8 мм, длительность импульса менялась от 1 до 1 0 0 мкс*. Резкое снижение тока обрыва наблюдается при увеличе­ нии т„ от 1 до 15 мкс. Обрыв тока при таких длитель­ ностях импульса возникает обычно в конце импульса, но небольшое увеличение амплитуды тока ведет к сме­ щению момента обрыва к началу импульса. Длина су­ женной части трубки на ток обрыва заметно не влияет. (Подобная картина наблюдалась также при импульс­ ном разряде в парах ртути [77].)

незначительно. При большом т„ разряд после обрыва

дается несколько кратковременных обрывов дуги в тече­ ние каждого импульса тока.

При высоких давлениях водорода (р>53 Н/м2) и наличии активных пленок на поверхности диска обрыв тока легко переходит в каскадную дугу с образованием катодного пятна на диске, т. е. дуга распадается на две последовательно горящие дуги, разделенные металлом диска. Падение напряжения при этом уменьшается.

Распределение разрядного тока по отверстиям сетки.

В тиратроне наибольшее сужение сечения разрядного столба существует в сетке. Для сохранения электриче­ ской прочности тиратрона в непроводящий период от­ верстие сетки должно иметь небольшие размеры. Напро­ тив, для уменьшения перепада напряжения в сетке размеры отверстия следует увеличивать. Этим противо­ речивым условиям удовлетворяет сетка с множеством отверстий малого сечения, если происходит параллель­ ная загрузка их током и суммарная площадь загружен­ ных отверстий достаточно велика.

Особенностью прохождения разряда через такую сет­ ку является неравномерное распределение тока по от­ верстиям. При малом токе разряд сосредоточивается в одном отверстии вследствие падающей вольт-амперной характеристики дуги, проходящей сквозь отверстие. С увеличением тока разрежение газа приводит к росту перепада напряжения на сужении. Это заставляет столб дуги распространяться по нескольким параллельным от­

* Аналогичные зависимости получены в [78, 79] для т„^10мкс.

98