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

Приведенное уравнение отличается от закона „3/2“ для

4

вакуума численным коэффициентом, членом У х, зависи­ мостью от давления Хе— \/р и показателем степени для расстояния между электродами.

Влияние давления водорода на плотность тока в плоском диоде с накаленным катодом при расстоянии

в газе уменьшается в четыре раза по сравнению с ва­ куумом.

Приведенное решение задачи об электронном токе в

* В появившейся недавно работе О. П. Григорьева [44] приве­ дены экспериментальные зависимости тока диода, наполненного во­ дородом, от давления водорода и расстояния между электродами до начала ионизации газа. Полученные результаты близки к дан­ ным рис. II 1.2.

■30

газонаполненном диоде весьма приближенно. Детально эта задача решена Ингольдом [38] для области давле­ ний, переходной от ограничения тока только электрон­ ным зарядом в вакууме к режиму, определяемому по законам подвижности в газе.

Увеличение тока при ионизации газа. Начальный электронный ток, равный lo— jS при напряжении, пре­ вышающем потенциал ионизации, вызывает ионизацию газа электронным ударом. Здесь / — плотность тока, оп­ ределенная по уравнению (III.6), a S — поверхность ка­ тода. Первоначально ионизация происходит вблизи ано­ да (сетки), так как электроны обладают в этом участке максимальной ионизирующей способностью. Положи­ тельный пространственный заряд ионов, образовавшийся у анода, компенсирует электронный объемный заряд, в результате возникает область с нулевой напряженно­ стью поля — плазма, имеющая потенциал, близкий к по­ тенциалу анода. По мере образования ионов в области, более отдаленной от анода, граница плазмы передвига­ ется к катоду (распространение плазмы происходит лишь за счет образования новых ионов; в период разви­ тия разряда иоиы можно считать неподвижными). При уменьшении расстояния между катодом и границей плаз­ мы растет напряженность поля у катода и суммарный ток через разрядный промежуток (так как в уравнении (II 1.6) уменьшается d). Перемещение границы плазмы продолжается до тех пор, пока расстояние между ней и катодом не станет равным протяженности области ка­ тодного падения потенциала г4, значительно меньшей длины свободного пробега электрона. Область катодного падения у накаленного катода в установившемся раз­ ряде представляет собой двойной слой с отрицательным объемным зарядом у катода и положительным объем­ ным зарядом у границы плазмы [39] *, ширина которого определяется из уравнения:

d K= [(1,86 •2,33 •10- * U W )l j \4 ’. (III.7)

На рис. 111.3 изображен схематически ход изменения распределения потенциала во времени в процессе иони­ зации газа. Ток растет в этот период по экспоненте.

Экспоненциальный рост тока в газоразрядном диоде с накален­ ным катодом обоснован в [36| с рядом упрощающих задачу пред­ положений: напряжение, приложенное к разрядному промежутку, постоянно и расстояние между электродами примерно равно длине

* Подробно область катодного падения в установившемся раз­ ряде описана в гл. [IV].

31

свободного пробега электронов. В этих условиях положительный пространственный заряд попов, образованных начальным электрон­ ным током, компенсирует действие пространственного заряда элект­ ронов. За счет этого растет электронный ток и еще быстрее про­ исходит ионизация. Если каждый электрон образует па пути от ка-

Рис. Ш.З. Распределение потенциала между катодом и анодом при развитии разряда:

тода до анода (3 ионе® и за время t все они остаются на своих

электроном в единицу времени, и носит название частоты ионизации z. Таким образом, постоянная времени роста тока в диоде обратно пропорциональна частоте ионизации

т = 1 jz. (III.ll)

Влияние крутизны подъёма напряжения на разряд­ ном промежутке и мощности источника напряжения на время развития разряда. Напряжение источника, питаю-

32

щего цепь сетки, растет не мгновенно, а за время, обыч­ но сравнимое с длительностью развития разряда. Источ­ ник обладает конечным внутренним сопротивлением. Рост тока, определяемый (ШЛО), приводит к тому, что источник не может поддерживать на разрядном проме­ жутке напряжение ис, которое существовало бы на нем без нагрузки, и ис спадает до напряжения горения раз­ ряда. Часто спад ис наступает, когда напряжение еще не достигло амплитудного значения, которое оно имело бы в отсутствии тока. В этом случае по аналогии с само­ стоятельным разрядом максимальное напряжение назы­ вают «напряжением зажигания» в промежутке катод — сетка *. Крутизна подъема напряжения влияет на вели­ чину «напряжения зажигания» и длительность развития разряда до момента, соответствующего «напряжению за­ жигания».

В [8] рассмотрено влияние на время развития разря­ да крутизны подъема напряжения на разрядном проме­ жутке и внутреннего сопротивления источника для на­ пряжения, растущего линейно со временем u=at. Если сопротивление источника принять равным то напря­ жение на разрядном промежутке и до зажигания раз­ ряда

Воспользуемся законом роста тока, определяемым урав­ нением (III.9), с учетом того, что напряжение и, функци­ ей которого являются /о, z и 9, в свою очередь зависит от t и i. Тогда рост разрядного тока во времени выража­ ется следующим образом:

t

о

В [8] вычислен и измерен ток в плоском диоде и «на­ пряжение зажигания» при разных крутизнах роста на­ пряжения. Исследования проведены при низкой плотнос­ ти газа, когда %е близка к расстоянию между электро­ дами.

На рис. Ш.4 показано напряжение на электродах плоского газонаполненного диода при крутизне фронта нарастания напряжения du/dt, изменяющейся от 4-108

* Условно момент, когда напряжение достигает «напряжения зажигания» на рис. III. 1.), считается завершающим этапом раз­ вития разряда на сетку.

до 109 В/с (получены расчетным и экспериментальным путем). Из рисунка видно, что «напряжение зажигания» разряда растет с увеличением^крутизны нарастания при­

времени запаздывания зажигания разряда t3 в плоском диоде от давления водорода и расстояния между электродами при амплитуде импульса напряжения, равной 125 В [4]. Время запаздывания растет с увели­ чением расстояния между электродами. При малых рас­ стояниях (й=Ъ мм) t3 монотонно уменьшается с ростом давления (растет частота ионизации). При увеличении расстояния между электродами на кривых t3= f(p) по­ является минимум, положение которого перемещается в область более низких давлений по мере роста расстоя­ ния (в соответствии с законом подобия разрядных про­ межутков, который распространяется на длительность развития разряда [38]). Увеличение времени запаздыва­ ния зажигания разряда с ростом давления при больших

34

расстояниях между электродами молено объяснить тем, что рассеяние электронов за счет упругих соударений с молекулами газа уменьшает начальный электронный ток 1о, вызывающий ионизацию. Замедляется образова­ ние плазмы вблизи анода и ее перемещение к катоду.

В импульсных тиратронах расстояние между като­ дом и сеткой сравнительно невелико. В пределах исполь-

зуемых давлений наблюдается лишь монотонный спад времени развития разряда между катодом и сеткой с ростом давления.

На рис. III.5, б приведена зависимость длительности развития разряда в пространстве сетка — катод до «напрялсения зажигания» (время 0 — 1\, рис. III.1) от дав­ ления водорода и крутизны нарастания напряжения сет­ ки, измеренная в тиратроне ТГИ1-325/16. Время 0 — 1\ уменьшается с ростом крутизны напряжения и увеличе­ нием давления водорода. В области давлений, превыша­ ющих 80 Н/м2 (0,6 мм рт. ст.), время 0—tt остается по­ стоянным.

Влияние формы катода. Закономерности, рассмотрен­ ные выше, относятся к развитию разряда в плоском дио­ де. Фактически же промежуток между катодом и сеткой отнюдь ие является плоским диодом. Катод импульсного тиратрона имеет сложную форму с развитой эмиттирующей поверхностью в виде цилиндра или плоскости, снаб­ женных ребрами различной конфигурации. Начальный электронный ток между катодом и сеткой определяется не всей эмиттирующей поверхностью катода, которая полностью используется только в установившемся раз­ ряде, когда плазма проникает в пространство между реб­ рами, а лишь некоторой небольшой ее частью.

Ток /0, входящий в уравнение экспоненциального роста сеточного тока (ШЛО), равен произведению плот­ ности начального электронного тока, определенной по уравнению (III.6), и площади той эффективной поверх­ ности катода S, которая участвует в развитии разряда на сетку. Например, если рассмотреть зависимость тока сетки от напряжения до начала ионизации в тиратроне ТГИ1-1000/25 и сравнить с расчетом для плоского дио­ да, то окажется, что в развитии разряда участвует не более 10—15% от общей эмиттирующей поверхности катода.

Изучение физических процессов в пространстве ка­ тод— сетка позволяет сделать следующее заключение: длительность начальной стадии развития разряда в ти­ ратроне 0 — t\ (рис. III.1), до появления значительного тока в пространстве сетка — катод, обычно соответству­ ющего «напряжению зажигания» разряда в этом про­ межутке, уменьшается при росте давления водорода и крутизны нарастания напряжения сетки и увеличивает­ ся с ростом сопротивления источника сеточного импуль­ са и расстояния между сеткой и катодом.

111.2. ОТПИРАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ТИРАТРОНА

Если после возникновения разряда между сеткой и катодом приложить положительное напряжение к аноду, электрическое поле анода будет вытягивать из плазмы разряда катод — сетка небольшой ток, который еще не вызывает отпирания тиратрона. В это время в простран­ стве между анодом и сеткой можно наблюдать свечение газа. По мере роста напряжения анода ток увеличивает­ ся до определенной критической величины, при которой

36

наступает отпирание тиратрона, т. е. возникает дуговой разряд между катодом и анодом.

Изучение явлений в анодной цепи, предшествующих отпиранию импульсного тиратрона, проведенное автора­ ми работы [34], показало, что анод ведет себя подобно зонду, помещенному в плазму разряда между сеткой к катодом. На рис. III.6 приведены характеристики In/а = = f ( U a) для тиратрона 4С35 при токе в промежутке ка-

Рис. Ш.6. Вольг-амперная характеристика анодного тока, предшест­ вующего отпиранию тиратрона 4С35 при токах сетки:

1) 10 мА, 2) 20 мА, 3) 40 мА, 4) 100 мА (34].

тод — сетка, равном 10, 20, 40 и 100 мА. До тех пор, по­ ка потенциал анода не достигнет потенциала плазмы,,

плазмы в пространстве сетка — катод; /V— плотность беспорядочного электронного тока в плазме, Те— темпе­ ратура электронов.

* В качестве доказательства того, что анод ведет себя подобно.- зонду в [34] приводится вычисление электронной температуры из вольт-амперной характеристики анода в период, предшествующий отпиранию, и с помощью обычного зонда, помещенного в плазму. Значения Тс совпадают, электронная температура составляет в обо­ их случаях « 32000° С. Сходство поведения анода, размеры кото­ рого превышают размеры разрядного столба, с малым зондом моле­ но, по-видимому, объяснить тем, что анод сильно заэкранирован от катодной плазмы. До развития разряда в тиратроне электрическое поле анода действует на незначительный участок плазмы.

37

При положительном потенциале анода, равном по­ тенциалу плазмы (превышающем примерно на 25 В по­ тенциал катода), анод вытягивает из плазмы весь бес­ порядочный электронный ток.

Следует определить, как ведет себя зонд, имеющий высокий положительный потенциал относительно плаз­ мы. Поведение зонда, помещенного в плазму разряда, когда его потенциал значительно превышает потенциал пространства, рассмотрено в [34] и более детально

в[40].

Узонда образуется электронная оболочка, толщина которой б определяется по закону

Когда напряжение зонда превысит потенциал плазмы на величину, близкую к потенциалу ионизации, внутри оболочки возникает ионизация газа. Положительные ноны, образующиеся вблизи поверхности зонда, ком­ пенсируют электронный объемный заряд, в результате чего в этом участке уменьшается напряженность элект­ рического поля dV/dy, где у — координата, перпендику­ лярная поверхности зонда.

При некотором потенциале вблизи зонда образуется вторичная плазма. Слой электронного объемного заряда

узонда преобразуется в двойной слой, где со стороны основной плазмы существует избыток электронов, а со стороны вторичной плазмы — избыток положительных ионов. Протяженность вторичной плазмы в направлении

упо мере роста напряжения зонда увеличивается. При некотором значении напряжения зонда происходит про­ бой слоя и разность потенциалов между вторичной и ос­ новной плазмой снижается до величины, близкой к иони­ зационному потенциалу [40].

На рис. III.7 приведено семейство вольтамперных ха­ рактеристик тиратрона ТГИ1-1000/25, измеренных в пе­ риод, предшествующий отпиранию, при питании проме­ жутка сетка — катод постоянным током. На анод тира­ трона подавалось постоянное напряжение. Параметром

этого семейства является ток сетки, изменяющийся от 50 мА до 2 А. Ток и напряжение анода в период, пред­ шествующий отпиранию, изменяются на четыре порядка, в связи с чем характеристики даны в логарифмическом масштабе. Рассмотрим ход характеристик. На участке АБ д о т о г о , как потенциал анода достиг потенциала плазмы, электроны движутся в тормозящем поле.

38

Этот участок характеристики, будучи построенным в по­ лулогарифмическом масштабе, представляет собой пря­ мую, соответствующую уравнению Больцмана, подобно тому, как это наблюдалось в [34]. Напряжение анода в точке Б соответствует потенциалу плазмы в промежутке анод — сетка, и весь беспорядочный электронный ток изплазмы (десятки микроампер) попадает на анод. При' напряжении анода, превышающем его значение в точке

Рис. Ш.7. Зависимость тока анода / а, предшествующего отпиранику тиратрона, от напряжения анода U a при токах сетки:

1) 50 МЛ, 2) 100 мА, 3) 200 мА, 4) 400 мА, 5) 1 А, 6) 2А.

Б, у анода образуется слой электронов. Дальнейшее по­ вышение анодного напряжения приводит к появлению вблизи анода свечения, свидетельствующего об иониза­ ции и возбуждении газа. По мере роста напряжения гра­ ница свечения перемещается от анода к сетке и через отверстия в сетке к экранирующему диску. Ток анода на этом участке характеристики растет. Разрядные процес­ сы в области анода представляют собой несамостоятель­ ный разряд, существующий благодаря присутствию ос­

39