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

В период коммутации тиратрон переходит из непро­ водящего состояния в состояние горения разряда с вы­ сокой проводимостью. В это время анодное напряжение падает до величины напряжения горения дугового раз­ ряда, а ток в анодной цепи растет. Напряжение на сетке тиратрона сначала резко возрастает, затем уменьшается

одновременно с падением напряжения анода. Ток сетки при этом меняет направление. Время коммутации долж­ но быть минимальным, так как в противном случае ис­ кажается форма тока во внешней цепи и растут потери

втиратроне.

Впериод проводимости ток и падение напряжения на тиратроне сохраняют постоянное значение. В это вре­ мя главную роль играют величина эмиссии катода, а также перепады потенциала в сужениях разрядного пути.

Впериод восстановления электрической прочности,

.наступающий после окончания периода проводимости, ■.происходит деионизация разрядного промежутка, когда [распадается плазма разряда. Длительность этого про­ цесса определяет наибольшую частоту, с которой может работать тиратрон.

10

1.3. ВЫБОР ГАЗА ДЛЯ НАПОЛНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТИРАТРОНОВ

Первоначально для работы .в импульсном режиме в сравнительно маломощных устройствах применялись ре­ лейные тиратроны, наполненные тяжелыми инертными газами. Тиратроны работали при малой мощности и низ­

импульсные тиратроны с ртутным наполнением. При низ­ кой упругости паров ртути удавалось обеспечить высо­ кую электрическую прочность. Благодаря постоянному источнику ртутного пара жестчения прибора не проис­ ходило. В [7] описаны ртутные тиратроны на напряже­ ние анода до 20 кВ и импульсный ток до 400 А. Широ­ кого применения ртутные импульсные тиратроны не на­ шли, так как они обладают целым рядом существенных недостатков. Главным из них является большое время восстановления электрической прочности *. Кроме того, у ртутных тиратронов 'крайне нестабильное зажигание из-за зависимости давления ртутного пара от окружаю­ щей температуры. При использовании ртутных тиратро­ нов применялось усложнявшее аппаратуру термостатирование, но и оно не устраняло колебаний плотности газа, зависящих от режима использования тиратрона.

Специально разработанные для импульсного режима, тиратроны наполняются водородом или его изотопом— дейтерием. Преимуществом водорода как наиболее лег­ кого газа является большая подвижность положитель­ ных ионов, что приводит к малому времени деиониза­ ции и восстановления электрической прочности разряд­ ного промежутка. Интенсивное поглощение водорода в импульсном разряде может быть компенсировано с по­ мощью генератора водорода, помещаемого в прибор.

Существенным достоинством водорода является так­ же высокий порог разрушения активного покрытия като­ да ионами водорода. По данным, приведенным в [1],. разрушающий потенциал ионов водорода близок к 600 В **, тогда как для инертных газов и паров ртути он

* Для ускорения деионизации вслед за прохождением импульса тока подавалось отрицательное напряжение на сетку и анод, но оно

приводило к разрушению этих электродов вследствие ионной бом­ бардировки.

** Следует отметить, что приводимая в [1] величина разрушаю­ щего потенциала водорода относится не к оксидному катоду, а к пленке тория на вольфраме [91] . Точных данных о пороге разруше­ ния оксидного катода ионами водорода нет. Известно только, что

П

не превышает нескольких десятков вольт. Это преиму­ щество водорода перед другими газами особенно важно для работы катода в импульсном режиме. При прохож­ дении каждого импульса тока в период развития раз­ ряда существует повышенное катодное падение напря­ жения. В том случае, если разрушающий потенциал для ионов применяемого газа ниже катодного падения, ка­ тоды быстро теряют эмиссию.

Г л а в а II. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТИРАТРОНА

В непроводящую часть периода, когда происходит заряд формирующей линии, сетка имеет потенциал като­ да, поэтому все высокое напряжение, которое тиратрон должен выдерживать без пробоя, прикладывается к анодно-сеточной камере тиратрона, содержащей анод, сетку и металлический экран, окружающий анод. (В ря­ де керамических тиратронов разрядный промежуток ме­ жду анодом и сеткой окружен диэлектриком.) Наруше­ ние электрической прочности тиратрона может вызвать его преждевременное отпирание. Опасным в этом отно­ шении является и зажигание разряда с током порядка нескольких миллиампер, протекающего без заметного -снижения напряжения на промежутке (тлеющий разряд, предпробойные автоэлектрониые токи и т. п.), и возник­ новение сильноточной дуги с малым падением напряже­ ния (пробой).

Конструирование аиодно-сеточной камеры, обладаю­ щей высокой электрической прочностью, связано, таким образом, с решением целого ряда вопросов. К ним отно­ сятся: -предотвращение зажигания газового разряда в промежутках с сильными однородными или неоднород­ ными полями; защита от нарушения электрической .проч­ ности, вызванного термоили автоэлектроиной эмисси­ ей сетки, выяснение действия заряда, образующегося на диэлектрических стенках, на потенциал зажигания раз­ оряла; предупреждение пробоя диэлектрика и перекры-

лорог разрушения пленки тория на вольфраме инертными газами близок к порогу разрушения оксидного катода [10], на основании чего можно считать, что и для оксидного покрытия водородные ионы имеют аномально высокий порог разрушения.

12

тия его по внешней поверхности. Ряд этих явлений и вы­ званные ими особенности конструкции анодно-сеточ­ ной камеры импульсного водородного тиратрона рас­ сматриваются ниже.

11.1. ЛЕВАЯ ВЕТВЬ КРИВОЙ ПАШЕНА ДЛЯ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ

Однородное электрическое поле. Зажигание само­ стоятельного разряда в газе при низких давлениях опре­ деляется процессами ионизации газа в объеме и элек­ тронной эмиссией катода под действием приходящих из объема положительных ионов. В однородном электриче­

плотности газа, d — расстояние между электродами. Зависимость I/3= f ( p 0c!), так называемая кривая Па-

шена, экспериментально определена для разных газов. Для всех газов напряжение зажигания при некотором значении p0d имеет минимум. Зажигание разряда в во­ дородном тиратроне, работающем при низких давле­ ниях газа, соответствует левой ветви кривой Пашена для водорода, при pod<(pad)by.m, когда напряжение за­ жигания быстро растет с уменьшением pad.

По сравнению с инертными газами и парами ртути, применяемыми в высоковольтных ионных приборах, на­ пряжение зажигания в водороде для режима левой вет­ ви кривой Пашена имеет наибольшее значение, уступая в этом отношении лишь гелию (рис. II.1). Левая ветвь кривой Пашена для водорода, найденная рядом иссле­ дователей, показана на рис. II.2. При конструировании первых водородных тиратронов с рабочим напряжением анода до 16—18 кВ использовалась зависимость, найден­ ная Квином [13]. Более поздние работы показали, что данные Квина занижены. Широкие исследования зажи­ гания разряда в водороде при Pod<(pod)mm до напря­ жения 30 кВ были проведены Покровской-Соболевой и Клярфельдом [14, 15], левые ветви кривой Пашена для водорода и других молекулярных газов — до напряже­ ний 140—160 кВ измерены Гусевой [16].

В работах [14, 15] установлено, что зажигание раз­ ряда в водороде не подчиняется правилам подобия. При соблюдении правил подобия напряжение зажигания одинаково зависит как от давления газа, так и от рас-

13

стояния между электродами. В водороде же напряжение зажигания более чувствительно к изменению давления га­ за, чем к изменению расстояния. По мере увеличения d кривые U\ = f(p Qd) смещаются в сторону больших значений p0d. Серия кривых зажигания для расстояния

между анодом и катодом от 0,4 до 3,2 см удовлетворяет эмпирическому выражению:

Отклонения от правил подобия вызываются, по мне­ нию авторов указанных выше работ, самой природой разряда, в частности, образованием в разряде не только ионов Н+ , но также ионов #+ и Н+ . Несоблюдение

правил подобия в процессах образования и разрушения каждого типа ионов и разная зависимость коэффициен­ та у Для Н £ , Н +, Н + должны воздействовать на на­

пряжение зажигания разряда (коэффициент у — эточис-

14

ло электронов, покидающих катод, в расчете на каждый положительный нон водорода, ударяющийся о катод).

В некоторых типах импульсных тиратронов в качест­ ве наполняющего газа применяется дейтерий — тяжелый изотоп водорода с молекулярным весом четыре. Кривая Пашеиа для дейтерия расположена правее, чем для во­ дорода, что позволяет повысить анодное напряжение без изменения конструкции анодно-сеточной камеры [17]. Более высокие потенциалы зажигания в левой ветви кривой Пашена для дейтерия объясняются более низким значением коэффициента у для иона дейтерия [18]. Таунсендовские коэффициенты а для водорода и дейтерия в широком диапазоне изменения Е/р практически совпа­ дают [19]; зажигание самостоятельного разряда не под­ чиняется правилам подобия [15].

Влияние состояния поверхности электродов. Напря­ жение зажигания разряда в левой ветви кривой Пашена в водороде, так же как в инертных газах и парах ртути, в сильной степени зависит от материала отрицательного электрода («катода») и наличия загрязнений на его по­ верхности, определяющих значение коэффициента у. Например, в случае медного катода кривая Пашена для водорода расположена ниже, чем при катоде, изготов­ ленном из никеля. Очистка катода от поверхностных за­ грязнений значительно повышает напряжение зажига­ ния. Эффективным методом обработки катода является бомбардировка поверхности электрода ионами водорода или инертных газов в тлеющем разряде при давлении газа в несколько сотен Н/м2 (единицы мм рт. ст.) одно­ временно с разогревом металла до 600’—800° С, а также ионная бомбардировка в разряде при высоком напряже­ нии и давлении 10— 1 Н/м2 (К)-1 — I-О'-2 мм рт. ст.).

Несмотря на тщательную предварительную обработ­ ку электродов, оседание с течением времени на металли­ ческих поверхностях испарившихся или распыленных компонент оксидного катода может вызывать постепен­ ное ослабление электрической прочности анодно-сеточ­ ной камеры. Налет активных материалов увеличивает коэффициент у, и кривая Пашена смещается в сторону меньших напряжений зажигания.

Неоднородное электрическое поле. Электрическое по­ ле в анодно-сеточной камере водородного тиратрона (рис. П.З) существенно неоднородно. В тиратронах со стеклянной оболочкой участки повышенного градиента потенциала находятся около краев электродов, особен­

15

но 'В месте контактов металла с изолятором анодного ввода. В керамических приборах резко неоднородно по­ ле между электродами (анодом и сеткой) и диэлектри-

1 —анод, 2 —диск сеткн, 3 —экранирующий диск, 4 —анодный ввод.

ческой оболочкой прибора вдоль их боковых поверхно­ стей и в местах сочленения. В разрядном промежутке между плоскостями анода и сетки однородность поля нарушается отверстиями в сетке, предназначенными для прохождения дуги через сетку к аноду (отверстие D на рис. П.З).

Потенциал зажигания разряда в неоднородном поле сложным образом зависит от геометрической формы электродов и их полярности [20]. Зажигание разряда происходит лишь тогда, когда большинство ионов из раз­ рядного промежутка .приходит к месту выхода первич­ ных электронов. В однородном поле это условие легко выполняется, так как траектории электронов и ионов направлены вдоль прямолинейных силовых линий. В не­ однородном поле быстрые электроны могут значительно отклоняться от сильно искривленных линий поля, в то время как положительные ионы,, вследствие эффекта пе­ резарядки, менее отклоняются от силовых линий. По­ этому в неоднородном поле не все длинные пути могут использоваться для зажигания разряда. Сравнительно узкие каналы в электроде с диаметром канала меньше двух-трех десятых долей от междуэлектродного рассто­ яния, вообще не изменяют -напряжение зажигания. В глу­ бине узкого канала в этом случае разряд не возникает.

Электрическое поле в разрядном промежутке анодно-

16

сеточной камеры можно представить как поле между плоскими параллельными электродами, в одном из кото­ рых сделаны каналы диаметром, равным диаметру се­ точных отверстий, и глубиной, равной расстоянию от по­ верхности сетки, ближайшей к аноду, до экранирующего диска сетки (рис. II.3). В мощных тиратронах сетка име­ ет обычно не один, а два или три параллельных диска. В результате, наибольшее расстояние между анодом и экраном сетки может достигать 1,5—2 см (рис. 11.3,6). Углубления в виде каналов в отрицательно заряженном электроде, каким обычно является сетка, снижают по­ тенциал зажигания разряда меньше, чем углубления та­ кого рода в положительно заряженном электроде [20]. Тем не менее, при диаметре отверстий сетки одного по­ рядка с расстоянием между анодом и сеткой электриче­ ская прочность камеры может заметно понижаться.

Исходя из требования высоковольтное™ камеры не­ обходимо уменьшать сечение сеточных отверстий. При этом, однако, как будет показано в других разделах, может несколько снизиться стабильность отпирания ти­ ратрона, а также заметно возрастут потери мощности на электродах тиратрона. Компромиссное решение находят экспериментально, путем подбора размеров, -формы и расположения сеточных отверстий и расстояний между отдельными дисками сетки.

Выбор расстояния между электродами. Расстояние между анодом и сеткой при конструировании тиратрона выбирают, с учетом кривой Пашена для водорода и рабочего давления газа, таким, чтобы исключить само­ произвольное зажигание разряда до подачи на сетку поджигающего импульса. Напряжение зажигания для анодно-сеточной камеры должно быть значительно выше рабочего анодного напряжения тиратрона, чтобы обеспе­ чить достаточный конструктивный запас. На первый взгляд, из кривой Пашена (рис. II.2), следует, что рас­ стояние между электродами надо делать как можно меньше, так как напряжение зажигания самостоятель­ ного разряда с уменьшением расстояния резко воз­ растает. Однако сближение электродов ограничивается появлением вакуумного пробоя, возникающего под дей­ ствием электрического поля у отрицательно заряжен-, кого электрода.2

6

2 Заказ № 357

11.2.ОГРАНИЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТИРАТРОНА ВСЛЕДСТВИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ

При анодных напряжениях 25—50 кВ и расстоянии между анодом и сеткой водородного тиратрона 2—4 мм средняя напряженность поля £ в анодной камере, рав­ ная UJd, достигает (0,5—2 )-107 В/м. При номинальных анодных напряжениях тиратрона и некондициоиированных поверхностях его электродов такое поле может вы­ звать настолько большие автоэлектронные токи, что они в свою очередь инициируют дуговой разряд, имеющий катодное пятно на отрицательно заряженном электроде. Появление катодного пятна особенно вероятно в тех ме­ стах анодно-сеточной камеры, где градиент потенциала имеет наибольшее значение, например на краях сеточ­ ных отверстии, у мест спая электродов с изолятором и т. д. Здесь градиенты могут увеличиваться до значе­ ний 5 • 107— 1 • 10s В/м.

Зависимость электрической прочности промежутка от давления газа, характерная для водородного тиратро­ на (и для других ионных приборов), приведена на рис. II.4. Пологий участок 1 соответствует условиям, ког­ да электрическая прочность имеет пределом наступле­ ние вакуумного пробоя. Точнее говоря, участок 1 пред­ ставляет собой не линию, а некоторую область, нижний край которой показывает возникновение предпробойных токов. С повышением напряжения, а вместе с ним и си­ лы поля на отрицательно заряженном электроде, растет вероятность наступления пробоя. У верхнего края обла­ сти 1, не показанного на рисунке, вероятность пробоя достигает 100%. Падающий участок кривой 2 при боль­ ших давлениях газа представляет собой левую ветвь кривой Пашена. Именно явления, соответствующие уча­ стку 1, ограничивают напряжение, которое можно пода­ вать на анод тиратрона при рабочих давлениях водо­ рода, порядка нескольких десятков Н/м2 (десятых до­ лей мм рт. ст.). Зажигание же разряда (участок 2) показывает, что давление газа недопустимо велико и должно быть понижено. Следует -подчеркнуть, что ве­ роятностный характер наступления пробоя на участке 1 и постоянное значение напряжения зажигания самостоя­ тельного разряда, соответствующего данному p0d на участке 2, коренным образом отличают эти области одну от другой.

18

Ua.xB

Рис. 11,4. Зависимость электрической прочности анодной камеры импульсного тиратрона от давления:

а —тиратрон ТГИ1-700/25; б - секционированный тиратрон ТГИ1-2500/50.

! —область вакуумного пробоя, 2 —кривая Пашена для данного междуэлекродного расстояния.

Обобщенные сведения и систематизация большого эксперименталь­ ного материала представлены в ряде обзорных статей и монографий [21, 22]. Явления, приводящие к возникновению вакуумного пробоя, слабо зависят от состава и давления газа. Вследствие этого такой вид нарушения электрической прочности может иметь место и в высоковольтных ионных приборах, работающих при давлениях

никновением которых напряжение на промежутке почти ие изме­ няется. Такие предпробоймые токи вызываются в первую очередь автоэлектронмой эмиссией, которая экспоненциально растет с увели­ чением напряженности электрического поля на отрицательном электроде E,s. Мпкронеровности на поверхности плоских электродов усиливают поле иа один-два порядка по сравнению со средним зна­ чением напряженности,поля и поэтому появление непрерывного то­ ка предпробойной стадии возможно уже при значении Ек, равном 10s—10s В/м. Резко повышают эмиссию различные загрязнения на