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

глубоким спадом напряжения на промежутке (до нескольких десят­ ков вольт) и большим током, ограничиваемым только параметрами внешней цепи. На поверхности катода появляется яркое катодное пятно.

Как и в случае высокого вакуума, в высоковольтных ионных приборах с повышением напряжения на промежутке сначала возни­ кают небольшие предпробойные токи аз отдельных эмиссионных центров, затем с увеличением напряженности поля повышается ток каждого центра, растет их число и, наконец, иа одном из центров разряд переходит в пробой. Изменение давления наполняющего газа вызывает различный эффект при больших и малых расстояниях между электродами. При значительном расстоянии, около 10 мм, постоянный предразрядный ток увеличивается с повышением давле­ ния, что объясняется [23] ростом числа актов ионизации газа в объеме, вызывающим усиление тока. При малых же расстояниях, порядка 0,4 мм, повышение давления наполняющего газа, как видно из рис. II. 5, ведет к снижению предразрядного тока и к затрудне­

ние

4С

30

20

10

нию перехода к дуге. Этот эффект связывают с повышением работы выхода за счет очистки отрицательной поверхности ионной бомбар­ дировкой и разрушением при этом микровыступов.

Покровская-Соболева и Клярфельд исследовали предпробойные явления в высоковольтных промежутках при наполнении их Н2, Не, Ne, Аг [23]. В присутствии водорода непрерывные предпробойные токи возникают, как ранее было сказано, уже при среднем значении напряженности поля на плоском катоде около 106 В/м, при этом крутизна положительной вольтамперной характеристики невелика (рис. 11.5,6). Если же катод снабжен острием, то напряжение на промежутке возрастает более круто при токах, соответствующих переходу в дугу (рис. II.5, а). Пробои возникают при амплитудных значениях предпробойного тока порядка 10“3—10~2 А. В зависимо­

го

стн от сопротивления в цепи разряда и от условий в разрядном промежутке пробой может ограничиться кратковременными (порядка 10-7 с) самогасящпмнся импульсами тока, либо может возникнуть более длительный, в несколько десятков микросекунд, высоковольт­ ный дуговой разряд, с падением напряжения в несколько киловольт, либо, наконец, может наступать полный пробой — непрерывная ду­ га с падением напряжения на разрядном промежутке в несколько десятков вольт.

Дуга в анодно-сеточной камере водородного тиратро­ на развивается в парах материала анода. Образование интенсивной плазмы в парах материала электродов свя­ зывают, в частности, со следующими процессами [21]: с испарением материала анода в тех участках, куда при­ ходит с катода пучок электронов, обладающих большой энергией, приобретенной в электрическом поле; с испа­ рением микровысту.пов на катоде за счет джоулевых по­ терь при прохождении предразрядных токов; с отрывом крупных заряженных частиц с поверхности катода (ото­ рванные электростатическими силами острия, слабо сцеп­ ленные с поверхностью пылинки, капли расплава и т. д.). При соударении такой ускоренной полем частицы с элек­ тродом выделяется энергия, достаточная для расплавле­ ния и испарения самой частицы или материала электро­ да в месте удара.

Вредное влияние вакуумного .пробоя в тиратроне за­ ключается, во-первых, в том, что он может быть причи­ ной самопроизвольного отпирания прибора до прихода на сетку управляющего импульса. Такое отпирание про­ исходит, когда паразитный разряд возникает вблизи се­ точных отверстий, через которые поле анода проникает в катодную область. Во-вторых, при вакуумном пробое, а также при больших плотностях предпробойных токов, происходит сильная эрозия материала электродов (рис. 2.'6), вызывающая образование проводящих пленок на изоляторе и свободных частичек в объеме лампы, снижающих электрическую прочность анодно-сеточной камеры. Наконец, газы, выделяющиеся при расплавле­ нии электродов автоэлектронными дугами, могут отрав­ лять катод или генератор водорода.

Для повышения напряжения вакуумного пробоя в тиратроне используются следующие приемы: уменьша­ ют градиенты потенциала путем выбора размеров за­ зоров между электродами и округления острых краев металлических деталей, применяется специальная обра­ ботка электродов для устранения на их поверхности мик­ ронеровностей и загрязнений, в том числе обработка

21

тоэлектронных явлений действие термотоков проявляет­ ся спустя некоторое время после введения тиратрона в рабочий режим (через 20—30 мин, работы), т. е. после установления повышенной температуры электродов.

Основными методами борьбы с паразитной термо­ эмиссией сетки в водородных тиратронах являются за­ щита ее поверхности от запыления активными материа­ лами, применение антиэмнссноиных покрытий и сниже­ ние рабочей температуры.

11.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕЖДУЭЛЕКТРОННЫХ ИЗОЛЯ­ ТОРОВ

Анод м сетка тиратрона разделяются между собой изолятором, который является обычно частью вакуумной оболочки прибора. Электрическая прочность анодно-сеточного узла может поэтому ограничиваться перекрытием изолятора по его наружной поверхно­ сти в воздухе, либо перекрытием по внутренней поверхности в ва­ кууме, либо, наконец, пробоем или механическнм разрушением самого диэлектрика под воздействием высокого напряжения [26, 27].

Напряо1сение внешнего пере­

крытия изолятора при давлении воздуха не ниже !05 Н/м2 (760 мм рт. ст.) намного меньше, чем напряжение пробоя проме­ жутка тех же размеров, напол­ ненного водородом до давления, равного нескольким десяткам Н/м2 (десятые доли мм рт. ст.). Это обстоятельство заставляет значительно увеличивать про­ дольные размеры диэлектрика, чтобы гарантировать анодно-се­ точный узел от внешнего пере­ крытия. Образования короны, предшествующей перекрытию изо­ лятора, удается избежать путем округления наружных краев элек­ трода (рис. 11.8). Геометрические размеры и форму изоляторов и соединяющихся с ними электро­ дов подбирают экспериментально.

Перекрытие изолятора внут­ ри прибора в водородном тира­ троне при большой длине изоля­ тора не возникает. Однако появ­ ление автоэлектронной эмиссии в месте спая металла с диэлектри­ ком и, как следствие, зарядов на поверхности диэлектрика, искажа­ ющих поле в разрядном проме­

23

жутке, способствует зажиганию разряда вдоль диэлектрической стенки между наиболее удаленными друг от друга участками раз­ нополярных электродов. Такое зажигание разряда «по длинному пути» предотвращают, закрывая место спая отрицательного элек­ трода с изолятором металлическим экраном, близко расположенным к изолятору.

Пробой и механическое разрушение изоляторов, в стеклянных

иметаллокерамических тиратронах вызываются разными причинами.

Встеклянных приборах электролиз стекла приводит к растрес­ киванию его в месте спая с металлом. Интенсивный электролиз стекла, изолирующего стержень анодного ввода (рис. 11.8), наблю­

дается в режимах с большим обратным напряжением на аноде после окончания импульса тока. Остаточная плазма в этот период положительна относительно ввода, и все напряжение оказывается сосредоточенным на тонком слое стеклянной изоляции. Электро­ лиз под действием поля ведет к постепенному изменению в месте спая состава стекла и коэффициента его расширения. В результате роет механических напряжений в стекле приводит к разрушению спая. При повышении температуры электропроводность стекла воз­ растает, поэтому электролиз стекла происходит интенсивнее и раз­ рушение спая наступает быстрее.

Для ослабления электролиза спай стекла с металлом удаляется от места интенсивного разряда в тиратроне, благодаря чему умень­ шается плотность заряженных частиц в остаточной плазме вблизи анодного ввода. В мощных тиратронах используется также прину­ дительное охлаждение анодного ввода.

Втиратронах с керамической изоляцией на изолятор, находя­ щийся вблизи анода, напыляется металлическая пленка. На этой пленке при высокой напряженности поля может возникнуть катодное пятно (каскадное горение дуги между анодом и катодом [28, 29]). Резкий и неравномерный нагрев керамики при этом создает меха­ нические напряжения, разрушающие керамику. Чтобы избежать запылеиия керамики материалом электродов, разрушающихся при ионной бомбардировке в разряде, керамику либо экранируют метал­ лическими деталями, либо вообще удаляют из разрядного проме­ жутка.

11.5.СЕКЦИОНИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РАЗРЯДНОГО ПРО­ МЕЖУТКА МЕЖДУ СЕТКОЙ И АНОДОМ

Воднородном поле между сеткой и анодом тира­

ся при напряжении около 40 кВ. (При интенсивном ох­ лаждении электродов предельное напряжение достигает 45—50 кВ.) Дальнейшее повышение электрической проч­ ности анодно-сеточной камеры тиратрона достигается с помощью секционирования. С этой целью один или не­ сколько дополнительных поперечных электродов поме­ щается между анодом и сеткой (рис. II.8). Тем самым промежуток разделяется на несколько последовательно

24

включенных секций. Распределение анодного напряже­ ния между секциями осуществляется делителем, кото­ рый может 'быть внешним (омическим, емкостным или смешанным емкостно-омическим) или внутренним, об-

разованным междуэлектродными емкостями и сопротивлениями утечки. К каждому из вновь образованных про­ межутков прикладывается лишь некоторая часть пол­ ного анодного напряжения. При высокой электрической прочности отдельных промежутков электрическая проч­ ность камеры возрастает с ростом числа секций.

Распределение потенциала в разрядном промежутке секциониро­ ванного узла ионного прибора зависит от того, имеется ли в объеме остаточная плазма к моменту приложения высокого напряжения. При наличии плазмы слой положительных ионов, окружающий отри­ цательный электрод, экранирует его поле. Поэтому, независимо от величины потенциала промежуточного электрода, потенциал прост­ ранства вблизи него остается близким к потенциалу положительного электрода. В результате все высокое напряжение сосредоточивается в слое около отрицательного электрода. Только после деионизации газа распределение потенциала в разрядном промежутке будет соот­ ветствовать распределению напряжения по электродам. В таких

25

условиях работают, например, ртутные вентили, использующиеся в схемах электропередачи. Высокое напряжение прикладывается к ано­ ду вентиля в обратный полупернод тотчас после прохождения тока, и ионные токи, идущие из остаточной плазмы па электроды сек­ ционированного вентиля, значительно искажают распределение на­ пряжения, задаваемое делителем.

В водородном тиратроне высокое напряжение прикладывается к аноду уже после деионизации плазмы в анодно-сеточной камере. Поэтому деление напряжения между секциями определяется дели­ телем. Как правило, наружный делитель не применяется. При пере­ менном напряжении анода (линейный и резонансный заряд форми­ рующей линии) напряжение делится по секциям обратно пропор­ ционально междуэлектродным емкостям. При заряде линии через диод на аноде тиратрона часть периода дежурит постоянное на­ пряжение. В этом случае делитель образуют сопротивления утечек каждой секции [30).

Секционирование разрядного промежутка применяет­ ся только в водородных тиратронах, рассчитанных на напряжения 50 кВ и выше. В секционированной анодной камере с одним промежуточным электродом при сохра­ нении междуэлектродных растояпий и давлении водоро­ да в тех же пределах, как -в обычной двухэлектродной камере, каждая секция выдерживает напряжение, рав­ ное 40—45 кВ. Общее предельное напряжение двухсек­ ционной камеры тиратрона повышается почти вдвое.

Тиратроны со стеклянной изоляцией изготавливают­ ся на анодные напряжения до 35 кВ, поэтому здесь нет необходимости секционировать промежуток между ано­ дом и сеткой. Электрическая прочность стеклянных ти­ ратронов ограничивается чаще всего пробоями в анод­ ном вводе, который одновременно служит для отвода анодного тока и для механического скрепления и изо­ ляции друг от друга анода и сетки тиратрона. Простой двухэлектродный ввод, подобный изображенному на рис. II.3, а, можно применять в тиратронах при рабо­ чих напряжениях не свыше 16 кВ. Секционирование вво­ да позволяет значительно увеличить его электрическую прочность. Промежуточные электроды секционированно­ го анодного ввода изолированы друг от друга стеклян­ ными трубками и не имеют выводов наружу (рис. II.9). Ввод с одним промежуточным электродом может исполь­ зоваться в тиратронах при рабочих напряжениях до 25 кВ, ввод с двумя промежуточными электродами нахо­ дит применение в тиратронах, рассчитанных на рабочие напряжения 35 кВ. Дальнейшее увеличение числа сек­ ций в стеклянном анодном вводе нецелесообразно вслед­ ствие больших технологических трудностей при изготов­ лении вводов.

26

Глава III. РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА В ИМПУЛЬСНОМ

ТИРАТРОНЕ

Период развития разряда в тиратроне включает яв­ ления, протекающие с момента подачи напряжения на сетку до того момента, когда ток в анодной цепи начи­ нает определяться внешним сопротивлением. Процессу развития разряда в тиратронах посвящен ряд экспери­ ментальных н теоретических работ. В значительной час­ ти этих работ, например, в [31], рассматриваются тира­ троны с «отрицательной характеристикой зажигания», иногда используемые в импульсных схемах. В работах [1, 4, 7, '8, 32— 34] и др. специально изучается развитие разряда в импульсных тиратронах. На рис. III.1 приве-

Рнс. III.1. Развитие разряда в импульсном тиратроне.

дены токи и напряжения на сетке и аноде импульсного тиратрона в процессе развития разряда. Для отпирания тиратрона между катодом и сеткой подается разность потенциалов, превышающая напряжение возникновения разряда в этом промежутке. Ток, протекающий между

27

катодом и сеткой, создает определенную концентрацию заряженных частиц в щели сетки, в которую проникает поле анода, (рис. 1.2) и снабжает заряженными части­ цами анодную камеру, в результате чего проводимость распространяется на весь прибор.

Рассмотрим раздельно .три процесса: развитие разря­ да в пространстве катод-сетка; предразрядные токи в анодном пространстве до появления дугового разряда — отпирание тиратрона; период коммутации, в течение ко­ торого напряжение анода спадает до напряжения горе­ ния дугового разряда. На рис. III.1 этим процессам со­ ответствуют периоды 0’—11, О—/2, и /2—h-

Хотя первые два процесса протекают почти одновре­ менно, раздельное рассмотрение развития разряда в пространстве катод-—сетка и во всем объеме тиратрона удобно потому, что на развитие сеточного тока и на про­ цессы в анодной цепи, предшествующие отпиранию ти­ ратрона, влияют разные факторы. Ток между сеткой и катодом развивается в зависимости от параметров се­ точной цепи и конструкции промежутка катод — сетка, а отпирание тиратрона определяется напряжением ано­ да и конфигурацией промежутка сетка — анод.

III.1. РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА В ПРОСТРАНСТВЕ СЕТКА — КАТОД

Ток до начала ионизации. Пространство между сет­ кой и катодом в начальной стадии развития разряда можно рассматривать как диод с накаленным катодом, так как напряжение анода тиратрона не влияет на про­ цессы, происходящие в этом пространстве. До начала ионизации ток ограничен пространственным зарядом электронов и определяется по закону, подобному зако­ ну «3/2» для вакуумного диода. Отличие от условий в ва­ кууме состоит в том, что рассеяние электронов за счет уп­ ругих соударений с молекулами газа уменьшает сред­ нюю направленную скорость электронов.

Рассмотрим зависимости плотности тока / от прило­ женного напряжения U для плоского газонаполненного диода с накаленным катодом, имеющего расстояние между электродами d. Из уравнения пространственного заряда электронов получаем

где Е — напряженность электрического поля, х — теку­ щая координата в направлении, перпендикулярном по­

28

верхности катода, ре — плотность пространственного за­ ряда электронов, ve— средняя направленная скорость электронов, е — диэлектрическая постоянная.

Направленная скорость электронов в газе в общем случае сложным образом зависит от напряженности поля Е. В относительно слабых полях и при высоких дав­ лениях газа (малые Е/р) ve пропорциональна напряжен­ ности поля. При увеличении Е/р, когда энергия, приобре­ таемая электроном на длине свободного пробега, превы­ шает его тепловую энергию^средняя направленная ско­

направленной скорости электронов от напряженности

ской энергии, передаваемой электроном газовой молекуле

4 _ 8 _

при соударении, а = У 2/У -к.

В самом грубом приближении можно считать х и Хс не зависящими от напряженности электрического поля (фактически с ростом напряженности поля увеличивает­ ся относительное число неупругих ударов и х растет, Хе также несколько изменяется с ростом напряженности поля). Приближение допустимо потому, что х входит в выражение для ve в степени 1/4, а Хе в степени 1/2- Тогда направленная скорость

Подставим значение ve в уравнение (III. 1). После интегрирования уравнения (III.1) с учетом граничных условий выражение для плотности тока приобретает вид *:

Если плотность тока выражена в амперах на сантиметр квадратный, а напряжение в вольтах, то

* Вывод дан в системе CGSE.

29