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

V.5. АНОДНОЕ ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА

Для того, чтобы число электронов и ионов, попадаю­ щих на анод, соответствовало общему разрядному току »'а, между анодом и прилегающей к нему плазмой долж­ на существовать некоторая разность потенциалов, знак и величина которой должны обеспечить равенство

Здесь пе и щ соответственно число электронов и ионов, поступающих на единицу поверхности анода в секунду, S — вся коллектирующая поверхность анода.

При избытке электронов, достигающих анода, возни­ кает небольшая разность потенциалов в несколько вольт или долей вольта (анод отрицательнее плазмы), которая отталкивает этот избыток от анода. В противном слу­ чае— при недостатке электронов — образуется положи­ тельное анодное падение потенциала порядка несколь­ ких десятков вольт. Ускоренные этим полем электроны ионизируют газ; за счет появляющихся новых электро­ нов возрастает число электронов, достигающих анода. Анодное падение потенциала воздействует и на положи­ тельные ионы, но на величине общего анодного тока это действие сказывается в десятки или даже сотни раз слабее.

Сам механизм образования анодных падений потен­ циала AUa состоит в появлении у анода либо дефицита электронов, либо дефицита ионов в прианодиой плазме. Соответственно этому все факторы, влияющие на ско­ рость исчезновения из анодной области электронов и ионов, воздействуют на величину анодного падения потенциала. Ими являются: вид газа, его давление, плот­ ность тока, геометрическая форма анода и прианодной области, некоторые свойства поверхности анода и его температура [82, 83].

Приближение к аноду катодных частей разряда так­ же оказывает сильное влияние на величину анодного падения потенциала. Применительно к водородному ти­ ратрону это выражается в зависимости величины А£/а от расстояния анод — отверстие сетки. На рис. V.6 такая зависимость определена для макета водородного тира­ трона, в котором сетка имела одно круглое центральное отверстие. Вид этой кривой схож с подобными кривыми, полученными И. А. Полетаевым для разряда в парах

101

ртути. Характер кривой At/a= f(dc_a) сохраняется при изменении диаметра отверстий, давления водорода и си­ лы тока, меняется лишь ширина области минимума по­ тенциала и минимального значения Дt/a. С понижением давления резкое увеличение анодного падения потенциа­ ла начинается на большем расстоянии между электро­ дами.

Качественное объяснение хода кривой рис. V.6 заклю­ чается в том, что при очень малых и очень больших расстояниях сетка — анод число электронов у анода ока­ зывается недостаточным для нейтрализации положитель-

ного объемного заряда у анода, в первом случае из-за быстрого ухода электронов на анод, во втором — из-за большого расстояния от источника быстрых электро­ нов— отверстия сетки.

Если давление и плотность газа у анода превышают некоторые определенные значения, то создаются усло­ вия для образования сначала одного, а затем и многих анодных пятен, располагающихся правильными узорами по поверхности анода. Каждое такое пятно представля­ ет собой отдельную плазму, ограниченную со стороны положительного столба двойным слоем объемного заря­ да. По существу, присутствие пятеи имеет следствием как бы увеличение поверхности анода, коллектирующей

102

заряженные частицы обоего знака, и ведет к снижению положительного анодного падения потенциала [83].

Выделяющееся на аноде количество тепла, особенно большое при положительном анодном падении потен­ циала и большом разрядном токе, может служить для измерения положительно­ го анодного падения по­ тенциала [84]. Местное выделение тепла может быть весьма значитель­ ным при фокусировке электронов на аноде по­ лем. В этом случае на­ блюдаются на поверхно­ сти анода кратеры вы­ плавления, своим харак­ терным видом отличаю­ щиеся от углублений, вы­ званных катодным рас­ пылением под действием ионной бомбардировки

при отрицательном напряжении на аноде.

Вследствие малого расстояния между сеткой и ано­ дом водородного тиратрона (близкого к значению dKP на рис. V.6 ), в тиратроне обычно существует положи­ тельное анодное падение потенциала, значительно воз­ растающее при разрежении водорода вблизи анода под действием разрядного тока или снижения рабочего дав­ ления газа. На рис. V.7 приведены ориентировочные зна­ чения Аи л в тиратронах ТГИ1-2500/50 и ТГИ1-5000/50, полученные расчетом из известных потерь мощности на аноде. С повышением импульсного анодного тока от 1000 до 5000 А анодное падение возрастает в несколько раз, достигая 20—30 В.

V.6. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИРАТРОНА

Вольт-амперная характеристика водородного тира­ трона приведена на рис. V.8 . Символом Д7/а_к обозна­ чено импульсное падение напряжения на тиратроне, а Д(УС_К— импульсное падение напряжения, измеренное при замыкании всего разрядного тока на сетку, служа­ щую в этом случае анодом диода. Очевидно, что

103

Для импульсных тиратронов малой и средней мощ­ ности эта разность составляет 18-—25 В и мало меняется с увеличением тока в тиратроне. В мощных тиратронах Д£/'а-к —ЛДс-к возрастает до 40—80 В при наибольших амплитудах тока. На долю анодного падения приходит­ ся около 1/3 этой величины, остальные 2/3 — перепад

напряжения на сетке. Падение напряжения на тиратроне растет практически пропорционально току. Это увели­ чение падения напряжения вызвано в первую очередь ростом падения напряжения в оксидном слое катода.

Наклон характеристики ДНа- к = /:(/а) или динамиче­ ское сопротивление тиратрона уменьшается с ростом отношения / ср//а. Падение напряжения на тиратроне изменяется при регулировании давления водорода в при­ боре. На рис. V.9 показана зависимость Дt/a_K и ДНС_К от напряжения на генераторе водорода. При повышении Uнг (т. е. давления газа) значение Дt/c_Kувеличивается в основном за счет роста градиента потенциала в столбе.

104

рост катодного падения, а также повышение перепада напряжения в сужениях сетки и анодного падения на­ пряжения.

Глава VI. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

После прекращения импульса тока в тиратроне ос­ тается плазма. В отсутствие ионизации плазма распа­ дается. Вопросы деионизации разреженного газа рас­ смотрены в работах [85, 8 6 ] и др. Наличие остаточных заряженных частиц снижает электрическую прочность тиратрона, т. е. максимальное анодное напряжение, при котором в отсутствие сеточного поджигающего импульса не происходит отпирание тиратрона. Восстановление электрической прочности тиратронов рассматривается в работах [4, 34, 87—89].

VI.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОСЛЕРАЗРЯДНЫЙ ПЕРИОД

Убыль концентрации заряженных частиц в распа­ дающейся плазме описывается приближенным выраже­ нием:

где па— концентрация частиц в момент прекращения разряда.

Постоянная времени деионизации тд зависит от коэф­ фициента амбиполярной диффузии £>а и от того, где преимущественно происходит рекомбинация заряженных частиц. При рекомбинации на плоских изолированных электродах (например в анодно-сеточной камере тира­ трона)

(VI.2)

где d — расстояние между электродами.

Зависимость тд от давления газа входит в выраже­ ние (VI.2) через коэффициент D&, равный

Ai —Ч&1*1 (I + те/т t), (VI.3)

105

где Vi п Л; — соответственно средняя скорость и средняя длина свободного пробега положительных ионов; Те, 7*— температура электронов и положительных ионов. В про­

где /; — плотность ионного тока на сетку; AU — падение напряжения в оболочке; М — молекулярный вес газа.

Плотность ионного тока на сетку изменяется соглас­ но закону (VI. 1 )

j , = j , ое" ' /Тл (VI-5)

где /,о — плотность ионного тока в момент прекращения разряда.

Уменьшение К во времени вызывает рост б. Тем не менее пока не сомкнутся оболочки двух соседних витков (или отверстий) сетки, заряженные частицы могут сво­ бодно проникать через сетку, поскольку ее поле не рас­ пространяется за границу оболочки. Поэтому максималь­ ное анодное напряжение в этот промежуток времени не превышает напряжения горения разряда. Длительность 0 этого периода, называемого периодом послеразрядной проводимости, можно найти с помощью выражений

(VI.4), (VI.5), имея в виду, что при / —0 б= б0, где Во — толщина ионной оболочки в момент смыкания со­ седних оболочек *, т. е.

Как видно из (6.7), длительность периода послераз­ рядной проводимости прямо пропорциональна корню квадратному из молекулярного веса газа. С момента смыкания ионных оболочек начинается восстановление управляющих свойств сетки. Поскольку потенциал в се­ точном отверстии становится более отрицательным, чем окружающая плазма, то катодная и анодная камеры

* Значение б о длл различных конфигураций сетки см. в 3. {Например, для щелевой сетки б о равна полуширине щели).

106

оказываются изолированными. Если в этот промежуток времени на анод тиратрона подать повторное положи­ тельное напряжение «апоп. то прибор ведет себя как тиратрон, в котором роль катода и анода выполняют

деляется, главным образом, условиями прихода заряженных частиц к сетке из катодной плазмы.

После полного исчезновения плазмы в анодной каме­ ре (в объеме между анодом и экранирующим диском сетки) состояние разрядного объема становится таким, как это схематически изображено на рис. VI. 1. Часть электронов, диффундирующих к сетке из катодной плаз­ мы, попадает в анодную камеру. При приложении доста­ точного ускоряющего анодного напряжения электроны на пути к аноду производят ионизацию газа. Если чис­ ло положительных ионов, образуемых в единицу време­ ни, превышает число ионов, уходящих на стенки, процесс ионизации нарастает лавинообразно, приводя к повтор­ ному отпиранию тиратрона.

107

кого тока), по истечении которого тиратрон выдержива­ ет требуемое анодное напряжение. Импульсные водород­ ные тиратроны, в отличие от выпрямительных, могут работать без отрицательного напряжения на сетке. Од­ нако для улучшения характеристик восстановления электрической прочности, используется, как правило, се­ точное смещение. Рассмотрим роль этого параметра.

В работе [87] показано, что в любой момент време­ ни, после прекращения разряда, электрическая проч­ ность выражается зависимостью

где ис — мгновенное значение потенциала сетки. Боль­ шему отрицательному значению ис соответствует боль­ шее напряжение повторного отпирания. В отсутствие

•сопротивления Rc, последовательно включенного в цепь сетки, напряжение источника смещения Ес мгновенно прикладывается к сетке. Однако при наличии сопротив­ ления картина меняется. Изменение потенциала сетки в послеразрядиый период для этого случая изображено на рис. VI.2, а. В промежуток времени ^пл напряжение

Рис. VI.2. Зависимость потенциала ис и тока /с сетки от времени

впослеразрядиый период:

а) Ес < 0; б) Ес > 0.

на сетке по отношению к катоду равно нулю, а затемоно экспоненциально снижается до напряжения источ­ ника смещения.

Остановимся на физической стороне дела, объясняю­ щей этот факт. Поскольку сетка отрицательна по отно­ шению к распадающейся плазме, она окружена оболоч­

108

кой положительных ионов. Плотность тока ионов, попа­ дающих из плазмы на внешнюю поверхность ионной оболочки, описывается выражением (VI.5).

На ионы, проникающие в оболочку, действует уско­ ряющее поле, и все они попадают на сетку. Ионный ток сетки практически не зависит от перепада потенциала в оболочке ДU. Электронный ток на отрицательно заря­ женную сетку подчиняется выражению

j e = Senev e/4 — SeiieQ<t~‘l'z* v e e~eWlkTe/4 (VI.8 )

и убывает с ростом AU. Во внешней цепи протекает результирующий ток сетки iG. Если источник сеточного смещения не может развить ток, больший, чем ионный ток сетки, т. е. когда

где /е — мгновенное значение тока источника Ес, тогда автоматически устанавливается такое значение ic, при котором разность между ионной и электронной компо­ нентами тока сетки в точности равны i'e .

Пока выполняется неравенство (VI.9), пространство сет­ ка — катод обладает бесконечно большой проводимостью для тока к- Поэтому падение напряжения между сеткой и катодом равно нулю.

Электронный ток быстро уменьшается до нуля, когда потенциал сетки становится на 1—2 В меньше потенциа­ ла катода (t— tпл на рис. VI.2, а). Начиная с этого момента, ток сетки равен чисто ионному току, экспонен­ циально убывающему во времени [см. выражение (VI.5)]. Поэтому при t > t ail потенциал сетки также снижается по экспоненциальному закону:

Запаздывание появления отрицательного потенциала на сетке увеличивает время восстановления электриче­ ской прочности. Зависимость времени восстановления от сеточного смещения и сопротивления Rc для тиратрона ТГИ1-700/25 приведена на рис. VI.3. По оси ординат на этом рисунке отложено время, отсчитываемое с момента окончания импульса тока, по истечении которого тира-■

109