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

На рис. III.17 показан спад анодного напряжения для тиратрона 4С35 [34]. Постоянная времени спада ма­ ло зависит от напряжения анода, уменьшаясь с 5-10-9 до 3,43-10-9 с при росте напряжения от 2 до 10 кВ.

На рис. III.18 приведена зависимость тa= /(t/a) для тиратронов ТГИ1-35/3, ТГИ1-130/10 и ТГИ1-260/12 '[42].

t, нс

Рис. III.17. Спад напряжения на тиратроне 4С35, в зависимости от амплитуды напряжения анода U a [34]:

Постоянная та определена здесь не непосредственно по осциллограмме спада напряжения, а путем измерения тока разряда конденсатора малой емкости через тира­ трон, пользуясь зависимостью тока разряда от та. Из рис. III.18 видно, что та мало зависит от напряжения анода. Наиболее сильно на постоянную времени спада напряжения влияет давление водорода, точнее его плот­ ность.

Плотность газа вблизи электродов можно считать обратно про­ порциональной абсолютной температуре этих электродов. Темпера­ тура же анода, сетки и катода зависит от режима работы тират­ рона, в связи с чем в различных зонах тиратрона плотность газа может отличаться в 2—3 раза. Так, например, при повышении часто­ ты следования импульсов тока растет мощность, выделяющаяся на аноде, и температура анода повышается. При неизменном значении давления водорода это приводит к локальному уменьшению плот­ ности газа у анода и росту постоянной времени спада.

Заметно отличается распределение плотности газа вблизи элект­

50

родов в тиратронах, анод которых имеет температуру 300—400° С и в приборах, имеющих анод, принудительно охлаждаемый до тем­ пературы 20—30° С. Плотность газа вблизи анода в приборах обоих типов' должна быть близка, так как ею определяется электрическая прочность тиратронов. Этой плотности в приборе с охлаждаемым анодом соответствует в два раза меньшее давление.

^а.нс

Рис. III. 18. Постоянная времени спада напряжения та в зави­ симости от амплитуды напряжения анода для [-12]: ТГИ1-35/3 (/), ТГИ1-130/10 (21, ТГИ1-260/12 (5).

На рис. III.19 приведена зависимость та от давления р для тиратрона 4С35. Постоянная времени обратно

напряжения в двухсекционном тиратроне с охлаждае­ мым анодом типа ТГИ1-2500/50 при номинальном дав­

При росте напряжения накала генератора водорода на

Рост постоянной времени при снижении давления в зна­ чительной мере связан с низкой плотностью газа в ка­ тодной области тиратрона.

Скорость нарастания тока через тиратрон в период коммутации определяется главным образом процесса­ ми, происходящими в тиратроне. Ее молено определить, пользуясь эквивалентной схемой, приведенной на рис.

III.21 [34].

В начальный период спа­ да напряжения на тиратро­ не, когда потенциал анода снижается по экспоненте, предлагается следующее со­ отношение:

«а = — Ае>1'л =

= U a - L ^ f - ( R + Z).

(III.17)

Тогда решая уравнение от­ носительно /а, получаем

Скорость образования плазмы, определяющая рост тока в тиратроне,

Из сравнения уравнений (III.20) и (III.22) видно, что

2=1/Та-

52

точного потенциала, при котором происходит отпира­ ние тиратрона. На переменном токе пользуются пуско­ вой характеристикой, где каждому мгновенному зна­ чению напряжения анода соответствует сеточное напря­ жение отпирания прибора [2].

Отпирание импульсного тиратрона (прибора с «токо­ вым управлением») происходит, когда постоянный ток, проходящий через пространство катод — сетка достигает определенной величины. Характеристика отпирания на постоянном токе пли статическая характеристика отпи­ рания имеет вид:

Пусковая характеристика в импульсном режиме так представлена быть не может, так как отпирание тира­ трона определяется не только мгновенным значением тока сетки, но и временем его прохождения через про­ странство катод — сетка. Импульсную пусковую харак­ теристику можно представить в виде зависимости на­ пряжения анода как от тока сетки, так и от времени его прохождения через пространство анод — сетка. На­ глядным представлением такой характеристики является трехмерная диаграмма, приведенная на рис. II 1.23. На

55

длительность его прохождения до момента отпирания тиратрона. Диаграмма удобна тем, что наряду с ампли­ тудой тока сетки фактором, определяющим отпирание, становится время.

Введение времени развития разряда в пусковую ха­ рактеристику импульсного тиратрона очень важно, так как для этого класса приборов время развития разряда в большей мере определяет управляемость тиратрона, чем ток, требуемый для отпирания. Однако, несмотря на наглядность, диаграммой, приведенной на рис. III.23, при исследовании импульсных тиратронов пользуются редко из-за сложности построения. Наиболее широко распространенной характеристикой, определяющей ус­ ловия отпирания импульсных тиратронов, является за­ висимость запаздывания анодного тока по отношению к напряжению сетки от напряжения анода /3 при опре­ деленных амплитуде, крутизне напряжения сетки и то­ ке сетки (или внутреннем сопротивлении генератора сеточных импульсов). На рис. 111.24 приведено семей­ ство характеристик t3~ f ( U a) при постоянных значени­ ях напряжения сетки и внутреннего сопротивления ге­ нератора импульсов. Параметром этого семейства слу­ жит сопротивление, включенное последовательно с сет­ кой, которое уменьшает крутизну фронта и амплитуду тока сетки.

Гл а в а IV. РАБОТА ОКСИДНОГО КАТОДА

ВИМПУЛЬСНОМ ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ

1V.1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И СВОЙСТВА ОКСИДНОГО КАТОДА

Рассматривая механизм эмиссии, электрические, теп­ ловые и другие характеристики оксидного катода, его

ка или керн катода не играет существенной роли в ме­ ханизме эмиссии. Вторая область — запорный слой по­ является при наличии в керне восстанавливающих при­ садок, таких как кремний, титан, алюминий, магний и др.

56

Влиянием запорного слоя можно пренебречь, если со­ держание примесей в керне меньше 10~2%. Третьей областью катода является оксидный слой. В активиро­ ванном состоянии он представляет собой примесный по­ лупроводник, состоящий из смеси окислов бария, строн­ ция и кальция с примесью атомарного Ва, Sr, Са. Ча­ сто применяется двухкомпонентный оксидный слой, в

к

котором отсутствуют кальциевые компоненты. Четвер­ тая область, расположенная вблизи змиттирующей по­ верхности, обладает значительно большим сопротивле­ нием, чем остальная толща оксида '[45]. Эта область получила название «приповерхностного слоя».

При выводе формулы термоэмиссии оксидный катод рассматривается как совершенно однородный слой оки­ си бария, активированной металлическим барием. Если считать, что эмиссия электронов имеет характер испаре­ ния, тогда плотность тока термоэмиссии /т. эм. подчиня­ ется закону Ричардсона — Дэшмана

чей температуре ТК. Если фк выражена в эВ, а Тк в °К, тогда (IV. 1) принимает вид

экономичных эмиттеров. Однако оксидный катод имеет и существенные недостатки. К ним в первую очередь относятся спад эмиссии во времени, дополнительный на­ грев анодным током и искрение. Они ограничивают дли­ тельность импульса, амплитудное и среднее значение тока приборов, использующих оксидный катод.

57

Отличительные свойства оксидного катода: высокая эмиссионная способность, спад тока, дополнительный нагрев и искрение — сохраняются и в газовом разряде. Вместе с тем в разряде катод работает в более тяжелых условиях, чем в вакууме, так как подвергается бомбар­ дировке положительными ионами и влиянию среды, на­ полняющей прибор, а также благодаря особенностям конструкции катодной системы.

В газоразрядных приборах в отличие от вакуумных ламп катод, как правило, имеет развитую эмиттирующучо поверхность, заэкранированную от анодного поля системой тепловых экранов. Такая конструкция, имею­ щая преимущества с точки зрения габаритов и эко­ номичности катода, имеет и отрицательную сторону, поскольку способствует неравномерному распределению тока по катоду. Долговечность катода сокращается бла­ годаря быстрому изнашиванию участков, перегружен­ ных током. Равномерное распределение тока может быть достигнуто путем оптимального конструирования катодной системы [47, 48], но бомбардировка катода положительными ионами постоянно сопутствует его ра­ боте. Ионная составляющая тока катода ответственна также за появление положительного объемного заряда в области катодного падения потенциала. Взаимодей­ ствие объемных зарядов обоих знаков в этой области разряда оказывает непосредственное влияние на усло­ вия работы катода.

IV.2. ЯВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ НАКАЛЕННОГО КАТОДА В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ

Основные теоретические положения о взаимодейст­ вии пространственных зарядов вблизи катода даны Ленгмюром [39]. Он показал, что плотность тока, от­ бираемого с катода, обладающего избыточной эмиссией, увеличивается в присутствии положительных ионов и становится больше плотности тока, вычисленной по фор­ муле закона «степени 3/2»:

Для количественной оценки влияния тока положитель­ ных ионов, попадающих на катод U, на величину тока

58

электронов, уходящих с катода на анод 1е, в [39] ре­ шается уравнение Пуассона для объемных зарядов обо­ их знаков, находящихся между двумя разноименно за­ ряженными бесконечными и параллельными пласти­ нами.

Если пренебречь начальными скоростями и потерей (вследствие рекомбинации) заряженных частиц, тогда уравнение Пуассона для произвольной точки имеет вид:

V a — потенциал анода относительно катода.

Поскольку электронный ток из катода ограничивается отрица­ тельным объемным зарядом, то

Интегрирование выражения (IV.7) при этом условии дает

Если положительные ноны эмиттируются анодом (Ф = 1), тогда, как показывает анализ выражения (IV.8), градиент потенциала на аноде пропорционален (1 — а)1/2 и становится мнимым при а > 1 . При а = 1 градиент потенциала на аноде равняется нулю. В этом случае плотность тока положительных ионов, попадающих на катод, ограничивается положительным пространственным зарядом и не может превышать величины, равной

Поэтому несмотря на избыточную эмиссию положительных ионов (при а = 1) отрицательный объемный заряд перед катодом не мо-

,9