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

металлов группы А и группы Б.

Группа В. Щелочные и щелочноземельные металлы. Эти металлы образуют с водородом гидриды: NaH, СаНг, ВаНг.

Группа Г. Неметаллические элементы: С, Si, Se, As также образуют с водородом гидриды.

Рис. VIII.1. Растворимость водорода в металлах группы А и Б [96].

Электроды водородных тиратронов изготавливаются из металлов группы А (никеля, меди, молибдена). При повышении температуры электродов часть водорода рас­ творяется в металлических электродах. Поглощение во­ дорода зависит также от примесей к никелю и меди.

130

Так, обычные восстановители: углерод и кремний, обра­ зуя при определенных условиях гидриды, могут способ­ ствовать дополнительному поглощению водорода.

Значительная часть водорода при прохождении раз­ рядного тока через тиратрон диссоциирована, и он на­ ходится в атомарном состоянии [34]. Это усиливает по­ глощение, так как атомарный водород поглощается ме­ таллами значительно более интенсивно, чем молекуляр­ ный.

Одним из процессов, приводящих к поглощению во­ дорода в разряде, является распыление электродов при бомбардировке их положительными ионами. При распы­ лении и испарении активного материала катода проис­ ходит поглощение водорода, механизм которого аналоги­ чен механизму поглощения газов геттерами; образуются химические соединения типа гидрида бария или строн­ ция. Активирующие присадки к керну катода Mg и Si способствуют образованию свободного бария на поверх­ ности оксидного катода и его испарению, что приводит к более быстрому поглощению водорода. Пленка метал­ ла, образующаяся на электродах и изоляторе в резуль­ тате распыления анода и других электродов при бомбар­ дировке их положительными ионами, также связывает волород.

Для уменьшения скорости поглощения водорода и устранения возможности появления в газовой среде по­ сторонних летучих примесей, электроды водородных ти­ ратронов и керн катода изготавливают из чистейших ма­ териалов: никеля и меди, содержащих не свыше 0 ,1 % примесей.

VIII.2. ПОГЛОЩЕНИЕ ВОДОРОДА В ТИРАТРОНАХ

Первые типы водородных тиратронов, разработанные в США, не имели генератора водорода, и долговечность этих приборов ограничивалась, главным образом, по­ глощением водорода. Однако в литературе о поглощении водорода в тиратронах дается лишь краткое упоминание.

В отечественных сравнительно маломощных тиратро­ нах поглощение водорода изучал В. Г. Новик. На рис. VIII.2 , а показано определенное им изменение давления в тиратронах ТГИ1-50/5 и ТГИ1-35/3 при работе в номи­ нальном импульсном режиме. Поглощение водорода сна­ чала происходит более интенсивно, затем скорость по-

глощения уменьшается и становится постоянной. Рядом последовательных экспериментов определялся источник поглощения водорода. Было установлено, что диффузия водорода через стеклянную оболочку прибора не про­ исходит, холодными электродами как ионизированный,

а.

Рис. VIII.2. Поглощение водорода в тиратроне при длительной работе в номинальном импульсном режиме:

а — ТГИ 1-50/5 (/), ТГИ 1-35/3 (2); б - Т Г И 1-2000/33.

так и неионизированный водород не поглощается. Погло­ щение неионизированного водорода накаленным като­ дом составляет 18% от общего количества поглощенного газа. Расчетным путем было установлено, что никелевы­ ми электродами поглощается 1 0 % от этого количества. Основная же часть водорода поглощается в ионизиро­ ванном состоянии при включенном накаленном оксид­ ном катоде.

На скорость поглощения водорода влияет темпера­ тура катода тиратрона. Оптимальной температурой яв­ ляется примерно 750° С, при ней поглощение минималь­

132

но. При росте температуры увеличивается испарение ак­ тивного вещества, а при снижении растет катодное рас­ пыление (повышается катодное падение напряжения, и катод переходит в вынужденный режим).

С ростом импульсной мощности тиратрона вакуум­ ный объем прибора растет не пропорционально мощно­ сти, особенно при переходе к металлостеклянным и керамическим конструкциям с внешними электродами. При относительном уменьшении рабочего объема при­ бора поглощение газа более резко сказывается на сни­ жении давления.

На рис. VIII.2,6 приведено количество водорода, поглощенного в мощном тиратроне ТГИ1-2000/35 за 500 ч работы в номинальном импульсном режиме. Дав­ ление в тиратроне поддерживалось в пределах 24— 33,4 Н/м2 (0,18—0,25 мм рт. ст.) регулировкой напря­ жения накала генератора водорода. В течение первых 400 ч работы скорость поглощения водорода постоянна и составляет 2,4 л-Н/м2-ч (0,018 л-мм рт. ст./ч). Затем поглощение водорода несколько замедляется. Количе­ ство водорода, поглощенного за 500 ч, составило 7 л-мм рт. ст. или 14 объемов тиратрона при давлении 26,6 Н/м2 (0,2 мм рт. ст.). Для восполнения убыли во­ дорода в процессе работы в большинстве тиратронов применяется генератор водорода.

VIII.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА

Диаграмма состояния системы титан-водород. Для создания генератора водорода используются металлы группы Б. При нагревании этих металлов, насыщенных водородом, водород выделяется, и в замкнутом объеме над металлом давление его в равновесном состоянии определяется температурой металла и концентрацией водорода в нем. Из всех металлов группы Б наиболь­ шее количество водорода растворяется в титане (см. рис. VIII. 1), и обычно в качестве генератора водорода используется насыщенный водородом титан*. Титан су­ ществует в двух модификациях: а — титан с плотноупа­

* В [34] указывается на использование в качестве генератора водорода циркония и лантана. Система цирконии— водород близка к описываемой Ti — Н, что касается лантана, то применение его затруднено большой химической активностью. Ниже будет показано, что система лантан — водород преимуществ перед титаном не имеет.

133

кованной гексагональной структурой и |3— титан — ку­ бическая объемно-центрированная модификация,, возни­ кающая при температуре выше 850° С (в присутствии водорода температура а—Р превращения снижается)

количество водорода, содержащегося в титане, по оси ординат — температура. Концентрация водорода в ти­

нец, при более высоких концентрациях, соответствующих формуле TiH—TiHi>73 (по некоторым данным до TiH2). появляется новая фаза, имеющая гранецентрированную кубическую решетку, представляющую собой химиче­ ское соединение гидрид титана или у-тнтаи. Переход к гидриду титана происходит также через двухфазное состояние, когда существуют |3- и у-фазы.

Термодинамическое равновесие системы титан-водо­ род. Равновесное состояние системы титан-водород при давлениях 133—101 • 103 Н/м2 (1—760 мм рт. ст.) изуча­ лось Макквилэном [100]. Пользуясь методикой, предло­ женной в работе Макквилэна, было исследовано равно­ весное состояние этой системы в нужной нам области

134

температурой Т и концентрацией газа С в сорбенте или растворе. Характеристикой его служат изотермы (кри­ вые зависимости давления от концентрации водорода при постоянной температуре титана) и изостеры (кри­ вые зависимости давления от температуры титана при постоянной концентрации водорода в нем).

На рис. VIII.4 изображены в полулогарифмическом масштабе семейства изотерм и нзостер для области дав­ лений от 0,133 до 1,33-10-' Н/м2 (от 10~ 3 до 102 мм рт. ст.)

135

и температуры титана 300—800° С. Во всей рассматрива­ емой области давлений при концентрации выше 30см3/г на изотермах наблюдается ослабление зависимости дав­ ления от концентрации. На рис. VIII.5 (сплошная ли-

p .мм pm.cm.

Рис. VII1.5. Изо гермы системы Т1 — Н (сплошная линия) и зависи­ мость давления or концентрации водорода в титане при постоянном напряжении накала генератора водорода (пунктирная линия) для

Объяснение появления пологого участка на изотер­ мах можно найти, рассматривая диаграмму состояния системы Ti—Н (рис. VI11.3). В области концентраций водорода ст 30 до 150 см3/г титан находится в двух мо­ дификациях (в а- и (3-фазах). При росте концентрации водорода количество титана, находящегося в |3-фазе, уве­ личивается. Так как титан в |3-фазе поглощает большее количество водорода, чем в a-фазе, то при увеличении процентного содержания титана, находящегося в [3-фазе, давление над раствором при росте концентрации водо­ рода не увеличивается.

При создании генератора водорода удобнее поддер­ живать постоянной не температуру, а напряжение на­ кала подогревателя. На рис. VIII.5 пунктирной линией показана зависимость давления от концентрации при

136

но из этого рисунка, пологий участок на изотермах рас­ твора водорода в обоих металлах находится в области концентраций, близких по величине.

На рис. VIII.6 , б даиы зависимости давления от на­ пряжения накала генератора водорода при постоянной концентрации водорода в титане. При увеличении кон­ центрации водорода в титане растет крутизна наклона зависимости давления от напряжения накала dp/dUm. В области давлений 26,6—66,6 Н/м2 (0,2—0,5 мм рт. ст.)

основой для расчета генератора водорода. Выбирается его масса, степень начального насыщения водородом и рабочая температура (подробно расчет генератора во­ дорода описан в гл. IX).

Время установления равновесного давления являет­ ся важной характеристикой генератора при применении его в тиратроне. Длительность установления равновес­ ного давления водорода определяется временем разо­

Рис. VIII.8. Установление температуры титана в вакууме (/), разо­ грев титана, насыщенного водородом (2), и установление давления водорода при U Hr = const (3).

ден рост температуры титана в вакууме, разогрев ти­ тана, насыщенного водородом, и установление давления водорода во времени. Определим факторы, влияющие на время разогрева. Условно за время разогрева примем период, в течение которого давление достигает значения 0,9 р, где р — установившееся давление. Это соответ­

138

ствует температуре Гг= (0,97—0,98) Гг) (Тг]— устано­ вившаяся температура).

Рассмотрим простейший случаи, когда градиент тем­ пературы генератора мал (высокая теплопроводность материала и малые размеры). При включении источни­ ка постоянной мощности рост температуры тела во вре­

емкость; а — коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры тела; k — постоянный коэффициент.

В начальной стадии процесса, когда разогрев проис­ ходит в вакууме, теплоотдача определяется лишь излу­ чением. В дальнейшем после появления водорода а на­ чинает расти дополнительно за счет теплопроводности водорода, и вид функции значительно усложняется. В об­ щем виде можно воспользоваться теоремой Кондратьева [ 1 0 2 ], согласно которой скорость нагрева однородного тела при конечном значении коэффициента теплоотдачи пропорциональна поверхности тела и обратно пропор­ циональна его теплоемкости cm. Коэффициент пропор­ циональности убывает при росте а и растет с уменьше­ нием теплопроводности, кроме того он зависит от фор­ мы тела (тем выше, чем больше длина тела).

Исходя из общей закономерности, уменьшение вре­ мени разогрева достигается увеличением отношения S/m и длины генератора.

VIII.4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ В ТИРАТРОНЕ

Импульсные тиратроны имеют оксидный катод с большой поверхностью, до нескольких сот квадратных сантиметров. Газоотделение катода и других электродов, которые подвергаются разогреву в процессе работы тиратрона, приводит к снижению его электрической прочности. Как распыляемые, так и нераспыляемые гет­ теры активно поглощают водород и не могут быть при­ менены в водородных тиратронах. В том случае, когда в приборе находится генератор водорода, он неизбежно поглощает остаточные газы. При поглощении остаточ­ ных газов (в частности кислорода и углекислого газа, главным образом выделяющихся из электродов), проис­ ходит окисление поверхности титана, которое замедляет

139