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

Суммарные коммутационные потерн при частоте следования им­ пульсов f„ равны

рым приближением определяющая предельно допустимые потери мощности в тиратроне п поэтому сведенная в качестве параметра для ряда типов тиратронов, как зарубежных, так и отечественных.

Фактически форма спада напряжения и роста тока сильно от­ личается от линейной. Относительно линейный участок на осцилло­ грамме анодного напряжения начинается с уровня около 0,9 Un. а закапчивается при напряжении около (0,5—0,4) Ua. Крутой «линей­ ный» рост тока начинается, когда спад напряжения на тиратроне уже почти закончился. Поэтому расчет потерь мощности по формуле

зависит от анодного напряжения н других параметров схемы, но возрастает с понижением давления (плотности) водорода в тира­ троне (см. гл. III).

Влияние параметров схемы на форму разрядного импульса то­ ка учитывается постоянной тСхЕсли формирующая линия представ­ ляет собой отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивле­

Тогда аналитическое выражение потерь мощности в тиратроне за

Если формирующая линия выполнена из ряда ячеек, включаю­ щих емкость С0 и индуктивность L„, то коммутационные потери в тиратроне можно определить с помощью следующих формул [92].

Для линии, согласованной с нагрузкой, т. е. при R„ = Z —

= У Li/Co, где L , — индуктивность первого звена (в сумме с индук­ тивностью выводов тиратрона), равная индуктивности La в осталь­ ных звеньях, потери равны

Если Rn y= Z и Ь^фЬа, формула принимает вид

Р ком = Р (1 + A) та/2 (1 -|- ink У L0Coha + Аха/ У L0C0), (VII.8).'

120

Коммутационные потери уменьшаются .при больших значениях тСх либо У L0C0 (уменьшение крутизны пе­

реднего фронта импульса тока анода). Для снижения коммутационных потерь можно использовать также спе­ циальные схемы, позволяющие задержать начало бы­ строго нарастания тока, пока не произойдет снижения анодного напряжения до напряжения горения [90, 93].

Второй фактор, влияющий на Рком — скорость спада анодного напряжения, определяется постоянной та, кото­ рая входит в формулы потерь во второй степени. Вели­ чина та зависит только от тиратрона и, как это уже от­ мечалось, заметно меняется с понижением давления во­ дорода в приборе. При высоких давлениях, когда та ма­ ла, коммутационные потери могут быть много меньше емкостных потерь [34, 91]. С понижением давления (плотности) газа доля коммутационных потерь резко увеличивается.

Так как плотность газа в тиратроне зависит от тем­ пературы электродов, определяющейся в свою очередь рассеиваемой мощностью, то значение та зависит от ре­ жима работы тиратрона. Такая неопределенность та значительно снижает точность расчета потерь мощности в тиратроне по формулам (VII.5) — (VII. 10). Например, только колебания напряжения накала в пределах 15% вызывают изменения та в тиратроне ТГИ1-2500/50 в 2—

лаждаемымн электродами в разных режимах работы. При расчете коммутационных потерь в мощных прибо­ рах целесообразно определять та непосредственно из ос­ циллограммы спада напряжения на тиратроне в данном электрическом режиме.

Емкостные потери Wc, Рс составляют заметную до­ лю стартовых потерь мощности в тиратроне и могут пре­ высить коммутационные потери [91].

Оценку емкостных потерь можно провести, считая, что в тиратроне выделяется вся энергия, запасенная

121

емкостями Са—с и Ссх в период заряда формирующей линии. Тогда

Минимальные емкостные потери, очевидно, обусловлены межэлектродной емкостью Са_с. Действие паразитной емкости схемы можно снизить, уменьшая Ссх, а также используя такое включение тиратрона, когда большая часть энергии, запасенной Ссх, рассеивается вне тира­ трона (рис. VII. 2,6). В общем случае

следует, что в режимах с одинаковыми значениями фак­ тора мощности F, но при разных параметрах схем (Ссх, Rn, т, k и т. д.) стартовые потери могут значительно различаться между собой.

Потери в период проводимости. Стартовые потери составляют основную долю потерь в режимах с малой длительностью импульса тока и большой частотой посы­ лок. С увеличением длительности импульса тока все большее значение приобретают потери в период горения разряда с установившейся амплитудой тока. Мощность, выделяемая в газе и на электродах в этот период, при

где ти — длительность импульса анодного тока; Д[/а_к — падение напряжения па тиратроне.

Потери проводимости растут пропорционально паде­

Отсюда следует, что потери мощности Япр растут с уве­ личением тока более, чем линейно.

В тиратроне с принудительным водяным охлаждением анода и сетки плотность газа вблизи этих электродов остается практически постоянной, независимо от режима работы прибора. Это позволяет проводить сравнение потерь в период проводимости в разных режи­ мах, используя экспериментально найденную для данного типа ти­

* Наклон вольт-ампернон характеристики &.Uа = f (!а), опре­

деляющий динамическое сопротивление тиратрона, зависит от скваж­ ности (т. е. в конечном счете от температуры катода и плотности газа в режиме импульсной работы). При расчете потерь по форму­

122

ратрона зависимость импульсных потерь в период проводимости от амплитуды тока. Импульсными потерями названа величина

ют с уменьшением скважности (рис. VII.3,6), что можно объяснить ростом эмиссии катода из-за повышения его температуры с увели­ чением среднего тока. Пользуясь графиками, приведенными на рис. VII.3, можно вычислить потерн в период проводимости в ти­ ратроне в режимах с разной длительностью импульса и частотой следования импульсов.

Послеимпульсные потери. Сразу же после окончания импульса тока к аноду тиратрона прикладывается отри­ цательное :(обратное) напряжение, возникающее на фор­ мирующей линии из-за существующего обычно рассогла­ сования сопротивления нагрузки RH с волновым сопро­ тивлением линии Z. В этот же период в объеме прибора еще существует плазма с высокой плотностью заряжен­ ных частиц. Остаточная плазма быстро распадается

.вследствие диффузии ионов и электронов к стенкам раз­ рядного промежутка и их рекомбинации здесь. Из рас­ падающейся плазмы на отрицательный анод течет зна­ чительный ионный ток, в образовании которого участ­ вуют ионы, находящиеся в пространстве между анодом и сеткой. Амплитуда ионного тока в мощных тиратронах

123

достигает нескольких десятков ампер, а длительность протекания его составляет 0 ,1 —0 ,2 мкс.

При высоком обратном напряжении ионный ток соз­ дает большие анодные потери

(VII.15)

и

На сетку приходит часть ионов плазмы из области катод— сетка, передавая сетке свою кинетическую энер­ гию и энергию ионизации.

Энергия, рассеиваемая при прохождении обратного тока, является функцией обратного напряжения, плот­ ности зарядов в остаточной плазме и скорости ее распа­ да. Осциллографические измерения /0ср и ио5р показа­ ли, что амплитуда обратного тока возрастает с увеличе­ нием прямого тока и обратного напряжения. При этом амплитуда.первого пика обратного напряжения, играю­ щего основную роль в образовании потерь №0 бр. зависит от нестационарных процессов в схеме, накладывающих на зарядную кривую ua= f (i) колебания со значитель­ ной амплитудой [33, 34].

Измерения, проведенные в [90, 91] показали, что по­ тери в обратный период определяются не самой ампли­ тудой прямого тока, а скоростью его снижения на конце импульса тока. Пока длительность импульса «0бр оста­ ется меньше длительности протекания i0бР, потери ЦД>бР растут пропорционально квадрату амплитуды обратного напряжения и пропорционально длительности его при­ ложения. Потери возрастают с повышением давления во­ дорода, что объясняется снижением скорости деиониза­ ции газа.

Потери мощности в обратный период особенно вели­ ки в режимах с большой частотой следования импуль­ сов, при большом рассогласовании Rn и Z и крутом спа­ де прямого тока. Уменьшить потери можно с помощью включения устройства, ускоряющего спад обратного на­ пряжения до небольшой величины [94].

Дополнительные потери мощности в тиратроне могут возникнуть и в период заряда формирующей линии, ес­ ли при высоком анодном напряжении появятся термоавтоэлектронные токи с сетки на анод. Хотя эти токи по абсолютной величине не превышают долей миллиампе­ ра, потери мощности, вызванные их прохождением при напряжениях порядка десятков киловольт, становятся ощутимыми.

124

VII.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ ТИРАТРОНА

Расход энергии в тиратроне при прохождении им­ пульса тока можно определить разными методами.

Численное интегрирование ло осциллограммам тока и напряжения на тиратроне позволяет разделить потери на составляющие, т. е. на потери стартовые, проводимо­ сти, послеимпульсные, но не дает оценки потерь на каж­ дом электроде в отдельности. Непосредственные изме­ рения потерь мощности на каждом электроде тиратрона в разные периоды горения разряда проводятся либо компенсационным, либо калориметрическим методами. Проведение измерений представляет значительные экс­ периментальные трудности, часто требуя изготовления специальных макетов тиратронов, снабженных термо­ парами и устройствами для нагрева или охлаждения электродов.

Для измерения потерь мощности на катоде обычно используется компенсационный метод. Он заключается в том, что с помощью термопар или пирометра измеряет­ ся температура катода Ти в импульсном режиме. Срав­ нивая полученное значение Гк с зависимостью темпера­ туры катода от мощности накала, легко определить мощ­ ность, выделившуюся на катоде из разряда.

Потери мощности на аноде или сетке тиратрона опре­ деляют калориметрическим методом по скорости нагре­ ва этих электродов при работе тиратрона в импульсном режиме. Наиболее просто .проводится калориметрирование потерь в приборах с водяным охлаждением элек­ тродов.

Калориметрическим методом можно измерить и сум­ марные потери мощности в тиратроне. Тиратрон поме­ щается в сосуд с водой [8 ] или маслом [90, 91] и из­ меряется скорость нагрева жидкости при работе тира­ трона в импульсном режиме. Отсюда вычисляется мощ­ ность Р, отводимая от тиратрона к жидкости. Потери, выделившиеся на электродах и стенках колбы тиратро­ на из разряда равны разности Р—Ра (Яи— мощность накала катода и генератора водорода).

Компенсационным и калориметрическим методами измеряются средние (суммарные) потери мощности на электродах. Разделение потерь на составляющие Яст, Япр и Робр осуществляется схемным способом. Так в ра­ боте [90, 91] путем калориметрирования было установ­ лено распределение потерь между электродами специ­

125-

ального макета тиратрона для одного режима работы. Потери в разные периоды импульса тока выделялись пу­ тем отсечки начальной или конечной части импульса тока с помощью вспомогательного тиратрона*. Распре­ деление составляющих потерь между электродами тира­

потери на катоде возникали только в период горения

импульса, па аноде же выделялись все стартовые поте­ ри, часть потерь проводимости и часть послеимпульспых потерь.

Для разделения потерь можно пользоваться другим схемным способом, сравнивая потери мощности на каж­ дом из электродов тиратрона в режимах с разными па­ раметрами. Потери проводимости измеряются в режиме с большой длительностью импульса тока и заведомо малыми стартовыми и послеразрядными потерями. Стар­ товые и послепмпульсиые потерн можно вычислить, со­ поставляя потери в режимах с разными значениями кру­ тизны фронта импульса тока или разным обратным на­ пряжением.

Таким способом было найдено, например, распреде­

дорода потери на аноде на 60% состоят из потерь про­ водимости, остальные 40% приходятся на долю старто­ вых потерь. На сетке около 95% потерь возникают в период проводимости и лишь 5% в период старта. Послеимпульсные потери в этом режиме оказались пренеб­ режимо малы.

Распределение импульсных потерь проводимости по

амплитуды тока удельный вес потерь на аноде меняется мало, доля потерь на сетке возрастает, а на катоде соот­ ветственно падает.

На сетку тиратрона, обычно окружающую катод, пе-

* Полученная в [90, 91] связь Р ст, Рпр и Р0оР с параметрами электрического режима изложена п предыдущем разделе.

126

редается значительная доля мощности от катода ( / \ + -{-Рк). Эта мощность воспринимается всей поверхностью

Рис. VII.4. Распределение импульсных потерь мощности в период про­ водимости (в процентах) между электродами тиратрона ТГИ1-2500/50 при скважности импульса 2000 (/), 1000 (2) и 666 (3).

сетки и вызывает некоторое повышение ее средней тем­ пературы. Потери, выделяющиеся на сетке из разряда, локализуются в том уча­ стке, где проходит столб дуги, и вызывают здесь сильный местный перегрев сетки и уменьшение плотно­ сти газа. Это может приве­ сти к неустойчивой работе

тиратрона (см. гл. V). При давлении (плотности) водо­ рода ниже 0 ,2 мм рт. ст. поте-

Рис. V1I.5. Зависимость мощности, выделяющейся на аноде и сетке

Уобр = 3 кВ' -fn = 340 ИМП/С-

ри мощности в тиратроне возрастают и за счет некоторо­ го роста потерь проводимости и особенно за счет рез­ кого увеличения стартовых потерь (рис. VII.5).

127

Из приведенных данных следует, что в режимах с малой длительностью импульса и большой частотой сле­ дования импульсов, когда особенно велики стартовые по­ тери, в наиболее тяжелом тепловом режиме оказывается анод тиратрона *. Напротив, в режимах с большой дли­ тельностью импульса и низкой частотой их следования преобладают потери проводимости, выделяющиеся на катоде и сетке.

Г ла в а VIII. СОЗДАНИЕ ПОСТОЯННОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ТИРАТРОНЕ

V III.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕ­ МЕНТАМИ

Поглощение газа в процессе работы ограничивает долговечность газоразрядных приборов низкого давле­ ния. Газ поглощается металлическими электродами при­ бора, его диэлектрической оболочкой, а также при взаи­ модействии с активным веществом катода, во время испарения которого происходит захват молекул газа. Водород— активный газ, вступающий в реакцию со всеми без исключения элементами периодической систе­ мы, поэтому его поглощение в газоразрядных приборах протекает более интенсивно, чем поглощение инертных газов. Взаимодействие водорода с химическими элемен­ тами и особенно с металлами рассмотрено в ряде мо­ нографий, например см. [96, 97].

Процессами, приводящими к поглощению водорода твердыми телами, являются: поверхностная (физиче­ ская) адсорбция, активированная адсорбция или хемо­ сорбция, диффузия, следующая за хемосорбцией, обус­

* Измерения потерь в тиратроне [95], работающем при ианосекундных длительностях и больших частотах посылок импульсов показали, что стартовые потери распределяются следующим обра­ зом: до 50%— на сетке, около 30%— на аноде, остальные — на катоде (тиратрон ТГИ1-500/16).

128

ловливающая растворение газа в объеме тела, и хими­ ческое взаимодействие.

Физическая адсорбция водорода металлами уменьшается с рос­ том температуры и является обратимым процессом. Наибольшее количество поглощенного водорода соответствует моиомолекулярному слою (область действия сил взаимодействия. металла с погло­ щенным газом меньше размеров молекулы). Теплота физической адсорбции не превышает 2000—4000 кал/моль. При повышении тем­ пературы ряд сорбентов, например, никель и медь взаимодействуют с водородом путем активированной адсорбции. Теплота активиро­ ванной адсорбции значительно выше теплоты физической адсорбции н составляет для меди 9000— 14 000 кал/моль. Активированная ад­ сорбция имеет малую скорость, и процесс этот необратим. Она предшествует диффузии водорода по всему объему металла. Ско­ рость диффузии зависит от давления водорода и температуры. Так как предшествующая диффузии адсорбция определяется фактиче­ ской поверхностью металла, скорость диффузии может расти при увеличении шероховатости поверхности.

На поглощение водорода влияет также степень деформации ме­ талла, зависящая от условий его обработки. Наличие пустот и тре­ щин в металле повышает скорость диффузии и увеличивает погло­ щение водорода.

Металлы и другие химические элементы вступают с водородом в-химическое взаимодействие с образовани­ ем гидридов; однако эти водородосодержащие системы могут не иметь точного стехиометрического состава, и соотношение атомов представляет собой дробное число (так называемые псевдогидриды).

В монографии Дэшмана [96] приводятся следующие четыре группы, на которые можно разделить все элемен­ ты по условиям взаимодействия с водородом.

Группа А. Металлы, с которыми водород образует только твердые растворы: Ni, Fe, Со, Cr, Ag, Mo, W, Р1, Си. Растворимость водорода в этих металлах растет с повышением температуры Г и подчиняется закону:

1 0 0 г металла либо в атомных процентах); р — давление

Ti, Zr, La, Се, V, Th, Nb, Hf, Та. Растворимость в этом ряду уменьшается слева направо. В определенной обла­ сти температур растворимость водорода уменьшается с ростом температуры.