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

новной плазмы в промежутке катод—-сетка. Увеличение тока анода по сравнению с его значением в точке Б свя­ зано с ростом поверхности оболочки зонда (анода), гра­ ничащей с плазмой, из которой электронный ток вытяги­ вается на анод.

Существует еще одно обстоятельство, приводящее к росту анодного тока в области напряжений, соответст­ вующих участку Б — В, определяемое сложной конфигу­ рацией анодной камеры импульсного тиратрона: при вы­ соком положительном напряжении анода к электронно­ му току анода добавляется ток положительных номов, идущий на сетку из пространства сетка — анод.

Ионный ток на сетку в период, предшествующий отпиранию ти­ ратрона, был измерен в специальном тиратроне, в котором сетка

Рис. III.8. Разделение электронной и ионной составляющей тока сетки:

а —экспериментальный тиратрон: 1 —анод; 2 — сетка С5; 3 —сетка С,; 4 —экран катода; 5 —эммттнрующая поверхность катода; б —схема измерения тока анода, сетки С, и сетки С«.

Та. = fi (С/а) ; /с2 = f2 (На) . При низком анодном напряжении, когда

ионизации между сеткой и анодом еще нет, на С2 идет небольшая часть электронного тока, равная 1—2% от общего тока сетки. При повышении потенциала анода, когда в области анод — С2 возникает ионизация, к электронному току, идущему на С2, добавляется ион­ ный ток из области сетка — анод, и суммарный ток на С2 изменяет

.знак. Перед отпиранием тиратрона ионный ток па сетку С2 состав­ ляет значительную часть анодного тока. Отпирание происходит при

•постоянном значении ионного тока, независимо от напряжения

.диода.

40

На участке Б — В ток анода растет монотонно, уве­ личиваясь примерно на два порядка. Напцяжение анода растет до нескольких киловольт. В точке В характер зависимости Ja= f(U а) резко меняется. Напряжение анода скачком уменьшается до величины, примерно рав­ ной 70 В, и на участке Г — Д становится слабо завися-

Рис. Ш.9. Зависимость тока сетки С2:

щим от тока анода. Между.анодом и катодной плазмой образуется проводящий канал. Анод переходит из режи­ ма зонда в режим анода. Зависимость / а= /(7 /а) на уча­ стке В — Г неустойчива. При некоторых значениях со­ противления в цепи анода с помощью осциллографа можно наблюдать колебания напряжения при переходе из режима зонда в режим анода и обратно с частотой Ю3— 104 Гц подобно тому, как это происходит с малым зондом [40]. Ток в точке В назовем «анодным током от­ пирания тиратрона». Анодный ток отпирания для всех значений сеточного тока остается почти постоянным. В тиратроне ТГИ1-1000/25 этот ток составляет 5 — 7 мА, в тиратроне 4С35 — 1мА.

Повышение плотности газа в тиратроне уменьшает анодный ток отпирания, что видно из рис. ШЛО, где

41

Из характеристик, подобных приведенной на рис. III.7, можно определить зависимость анодного тока от­ пирания от тока сетки при постоянном напряжении ано-

Рис. ШЛО. Вольт-амперная характеристика тиратрона ТГИ1-1000/25 в период, предшествующий отпиранию, при давлении водорода:

да. Из рис. III.11 видно, что напряжение, при котором происходит отпирание, тем меньше, чем больше ток

сетки.

Отпирание тиратрона в импульсном режиме. Рас­ смотрим условия, при которых происходит отпирание тиратрона в импульсном режиме. Мгновенное значение тока сетки, необходимого для отпирания тиратрона,

.можно определить по осциллограмме сеточного тока. На рис. II 1.12 даны осциллограммы импульса тока сетки при отключенном анодном напряжении и при напряжении анода, равном 6 кВ. Из осциллограммы 2 на рис. III. 12 видно, что ток сетки в определенный момент изменяет направление Появляется отрицательным бросок тока,

42

после чего ток вновь изменяет знак и остается положи­ тельным до конца импульса *. Момент, когда ток сетки меняет направление, совпадает с началом отпирания ти­ ратрона (появляется заметный ток анода). Мгновенное значение электронного тока перед изменением его на­ правления является сеточным током отпирания тиратро­

на С2 пропорционален току анода и составляет от него примерно 20%.

В начале периода коммутации, пока мала концент­ рация заряженных частиц в пространстве между катодом и сеткой, тиратрон представляет собой большое со-

* Изменение направления тока сетки в момент отпирания на­ блюдалось в [8, 33].

43

■противление. В это время соотношение электронного то­

токе, когда анодный ток ограничен большим внешним сопротивлением (рис. 111.9,6). По мере роста концент­ рации заряженных частиц в промежутке анод — сетка увеличивается ионный ток на сетку и в некоторый мо­ мент суммарный ток сетки 1с = ге+ ^ изменяет знак. Большой ионный ток на сетку протекает в течение очень недолгого времени, пока между сеткой и анодом суще­ ствует значительная разность потенциалов и недостаточ­ на концентрация заряженных частиц в разрядном про­ межутке катод — сетка. Рост концентрации плазмы в -тиратроне снижает напряжение между сеткой и анодом, л основой частью сеточного тока вновь становится элект­ ронный ток катода. Ток сетки вторично меняет знак.

Бросок ионного тока сопровождается кратковремен­ ным подъемом напряжения сетки относительно катода, носящем название «сеточного пика». Сеточный пик уве­ личивает разрядный ток между катодом и сеткой и уско­ ряет завершение процесса коммутации. Амплитуда се­ точного пика достигает 20—30% от напряжения анода, а длительность его составляет примерно 10-7 с.

Если сравнить постоянный ток сетки, при котором происходит отпирание тиратрона, и мгновенное значение сеточного тока отпирания в импульсном режиме, то ока­ зывается, что при одном и том же напряжении анода ■они имеют разную величину.

При пропускании между сеткой п катодом импуль­ сов тока, амплитуда которых несколько выше постоянно­ го тока отпирания, появляются нестабильные во времени импульсы тока анода. Отпирание тиратрона происходит в конце импульса тока сетки, а момент отпирания колеб­ лется от импульса к импульсу. При увеличении тока сет­ ки момент отпирания тиратрона смещается к началу им­ пульса и в конце концов переходит на фронт нарастания тока сетки. Разброс во времени запаздывания анодного тока по отношению к сеточному напряжению от импуль­ са к импульсу уменьшается при этом до 2 — 3-10-9 с, мгновенное значение сеточного тока отпирания растет.

:На кривой 1 рис. III.13, а приведена зависимость на­ пряжения анода от постоянного тока сетки, при котором происходит отпирание тиратрона. На том же рисунке кри­ вые 2, 3, 4 и 5 показывают мгновенные значения сеточно­ го тока отпирания при импульсном питании цепи сетки.

4-1

\

Кривые отличаются крутизной нарастания сеточного то­ ка (изменялась амплитуда напряжения сетки от 180 до 320 В при постоянной длительности фронта, равной 1 мкс). Чем больше крутизна тока сетки dijdt, тем при большем мгновенном значении сеточного тока происхо­ дит отпирание тиратрона.

Эту закономерность можно объяснить следующим об­ разом. Отпирание тиратрона происходит при определен­ ном значении анодного тока, вытягиваемого из плазмы вспомогательного сеточного разряда. Этому току при

6

k

г

о

а. д

Рис. 111.13. Зависимость напряжения анода, при котором происхо­ дит отпирание тиратрона ТГИЫООО/25:

о. —от мгновенного значения электронного тока сетки для постоянного тока (1), Uс - 180 В (2), Uc = 230 В (3), Uc = 280 В (4), UQ= 320 В (о). Время нарастания

U 1 мкс; б —от количества электричества, прошедшего через разрядный промежуток.

данном анодном напряжении соответствует определен­ ная концентрация плазмы в участке сетки, в который проникает поле анода. Образование критической кон­ центрации происходит при участии двух процессов: накоп­ ления заряженных частиц и их диффузии к стенкам,окру­ жающим разрядное пространство. Отпирание тиратрона при импульсном поджиге происходит, когда концентра­ ция сеточной плазмы еще ие установилась и накопление заряженных частиц протекает быстрее, чем их диффузия к стейкам. Поэтому концентрация плазмы пропорцио­ нальна не мгновенному значению тока, а количеству электричества, прошедшему через разрядный проме­ жуток.

Действительно, если определить количество электри­ чества q, прошедшее через пространство сетка—катод до отпирания, то при одном и том же значении напряжения анода оно оказывается практически постоянным. На

45

определялось методом численного интегрирования по осциллограммам тока сетки). Колебания в значении q при изменении крутизны фронта не превышают 10%, мгновенное же значение тока сетки в момент отпирания отличается в 2—3 раза.

Рост концентрации сеточной плазмы происходит тем быстрее, чем больше частота ионизации г, и чем медлен­ нее диффундируют частицы к стенкам. Тому и другому способствует повышение плотности газа (с ростом плот­ ности газа повышается г и уменьшается коэффициент

Рис. III.Н. Зависимость напря­ жения анода, при котором про­ исходит отпирание тиратрона ТГИ1-1000/25, от количества электричества, прошедшего че­ рез пространство катод — сетка

при давлениях'.

амбиполярноп диффузии). Зависимость напряжения ано­ да от q при разных давлениях водорода приведена на рис. 111.14. Изменение давления соответствует колеба­ нию напряжения накала генератора водорода на ±10%. Из рисунка видно, что при росте давления q уменьша­ ется.

Ш.З. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ СЕТКИ И ЕЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА ОТПИРАНИЕ ТИРАТРОНА

Выше было показано, что отпирание тиратрона опре­ деляется напряжением анода и количеством электри­ чества, прошедшего через пространство катод-сетка. При этом главную роль играет проникновение электрического поля анода через щель сетки в катодную область и кон­ центрация заряженных частиц вспомогательного разря­ да в щели а — б (рис. 1.2). Концентрация заряженных частиц в щели сетки в свою очередь зависит от располо­ жения плазмы разряда в пространстве сетка — катод от­ носительно этой щели. Изменением того и другого мож­ но регулировать время развития разряда в тиратроне,

46

длительность которого может быть определена по запаз­ дыванию тока анода по отношению к напряжению сетки. На рис. II 1.15 приведено распределение электрического поля анода, измеренное в электролитической ванне без

о 2 4 6 (?иа,кв

8

учета пространственных зарядов для двух конструкций тиратронов, отличающихся проницаемостью сетки (от­ личие заключается в разной величине захода экрани­ рующего диска за границу отверстий сетки). Там же дана зависимость запаздывания анодного тока по отно­ шению к напряжению сетки от напряжения анода для обеих конструкций тиратрона при неизменных давлении в тиратронах и форме сеточного импульса. Увеличение проницаемости сетки приводит к уменьшению запаздыва­ ния, так как для отпирания тиратрона с большей прони­ цаемостью нужно меньшее значение q.

47

Качественный ха­ рактер влияния перво­ начального расположе­ ния плазмы разряда сетка — катод относи­ тельно щели сетки на длительность развития разряда (запаздыва­ ние) проверен в экспе­ риментальном приборе

(рис. II 1.16, а). В этом приборе катод и сетка имеют конструкцию, подобную тиратрону ТГИ1-90/8, и между ними помещен диск, ко­ торый может переме­ щаться и быть присое­ диненным к сетке или катоду [8]. Плотность беспорядочного элект­ ронного тока на зонд, помещенный в щель, характеризует концент­ рацию плазмы в месте расположения зонда.

При диске, соеди­ ненном с катодом, плотность беспорядоч­ ного тока на зонд в три раза больше, чем при диске, соединенном с сеткой. На рис. III.16, б дано запаздывание анодного тока по от-

Рис. 1Н.16. Влияние распре­ деления плазмы в простран­ стве сетка — кагод на вре­ мя развития разряда:

а —экспериментальная лампа для определения концентрации плаз­ мы в щели экранирующего диска зондовым методом; б —запазды­ вание тока анода по отношению

кнапряжению сетки для случаев:

/—диск соединен с катодом, 2 —диск соединен с сеткой.

48

ношению к сеточному напряжению в зависимости от Ua для обоих случаев. Значительное увеличение запаздыва­ ния во втором случае можно объяснить медленным ростом, концентрации плазмы в щели, так как основная часть сеточного тока в этой конструкции шунтируется диском, имеющим сеточный потенциал.

Зондовая методика позволяет найти оптимальную конструкцию катода и сетки, при которой можно полу­ чить минимальное время запаздывания отпирания ти­ ратрона.

111,4. ПЕРИОД КОММУТАЦИИ

Периодом коммутации называется интервал времени от начала отпирания тиратрона до момента, когда про­ цессы, происходящие в тиратроне, перестают влиять на ток во внешней цепи. Напомним, что рост предразрядиого тока анода перед отпиранием тиратрона приводит к постепенному перемещению границы области иониза­ ции от анода через сетку и экранирующий диск в об­ ласть сетка — катод. Образовавшийся проводящий ка­ нал позволяет анодному полю проникнуть в катодную область. Напряженность поля в катодной плазме воз­ растает и усиливает ионизацию газа, в результате чего высокая концентрация заряженных частиц распростра­ няется по всему объему тиратрона и ток, идущий на анод, растет.

Длительность перехода тиратрона из непроводящего состояния в состояние полной проводимости определя­ ется скоростью, с которой происходит ионизация, доста­ точная для создания плазмы нужной концентрации во всем объеме тиратрона. Главным фактором, влияющим на этот процесс, является плотность газа, которая опре­ деляет частоту ионизации.

Экспериментальные наблюдения, проведенные в ра­ боте [34], подтвержденные позднее в [41—43], показа­ ли, что в процессе коммутации потенциал анода снижа­ ется по экспоненте в течение значительной части време­ ни (примерно до 30—40% от номинального значения на­

где иа, Uа — мгновенное и амплитудное значения напря­ жения анода, соответственно; та — постоянная спада на­ пряжения анода.