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

случаях анодном напряжении).

В реальном разряде вблизи катода, обладающего из­ быточной эмиссией, существует минимум потенциала, в котором напряженность электрического поля равна ну­ лю. С другой стороны, катод, подобно отрицательному зонду, помещенному в ионизированный газ, покрывается слоем положительных ионов, на границе которого поле катода полностью компенсируется положительным объ­ емным зарядом. Поэтому на границе слоя с плазмой напряженность электрического поля вновь обращается в нуль. Таким образом, если в разряде существует ин­ тенсивная ионизация газа, а накаленный катод обла­ дает избыточной эмиссией, то тогда напряженность элек­

с плазмой. Такая область получила название «двойного слоя».

Если катодное падение потенциала достаточно вели­ ко, и можно пренебречь энергией заряженных частиц, входящих в двойной слой, по сравнению с энергией, на­ бираемой ими в слое, а давление газа столь мало, что внутри слоя не происходят неупругие соударения элек­ тронов с нейтральными частицами, тогда условия взаи­ модействия пространственных зарядов в «двойном слое» совпадают с условиями, постулировавшимися при выво­ де выражений (IV.9), (IV. 10). При этом роль анода, обладающего избыточной эмиссией положительных ионов, выполняет граница катодного слоя с плазмой.

Подставляя в (IV.10) вместо /0 его выражение из (IV.3), получим выражение для плотности электронного тока, который отбирается с катода, обладающего избы­ точной эмиссией, при наличии ионного тока, ограничи­ ваемого положительным объемным зарядом

60

где Ш к и d K— катодное падение потенциала и ширина катодного слоя соответственно.

Отличие (IV.11) от (IV.3) состоит не только в ко­ эффициенте 1,86, указывающем на то, что частичная компенсация отрицательного пространственного заряда вблизи катода положительными ионами приводит к увеличению электронного тока с катода. Более суще­ ственным является то обстоятельство, что в газовом разряде этот ток обратно пропорционален не квадрату расстояния между катодом и анодом da_K, как в вакуум­ ных лампах, а только квадрату ширины области катод­ ного падения потенциала rfK, которая много меньше рас­ стояния между анодом и катодом. Это позволяет про­ пускать через газоразрядные приборы во много раз большие токи, чем через вакуумные, при одинаковом анодном напряжении.

Выражение для катодного падения потенциала мо­ жет быть получено из следующих соображений. Если принять, что образование положительных ионов в раз­ ряде происходит только в результате ударов первого рода и каждую секунду образуется Л1,- ионов, тогда вы­ ражение для плотности ионного тока на катод запи­ шется как

где Ki — полная ионизирующая способность электронов заданных скоростей. (Согласно [49] K; = const для тех значений ДUK, которые имеют место в разряде с нака­ ленным катодом), а — доля ионов, достигающих катода,

Из (IV. 13) видно, что катодное падение потенциала в режиме ограничения тока отрицательным объемным за­ рядом является постоянной величиной, не зависящей от анодного тока*. Тогда из выражения (IV.11) следует,, что при изменении /е меняется лишь dK.

Распределение потенциала, напряженности электри­ ческого поля и объемного заряда в области катодного падения потенциала для режима ограничения тока от­ рицательным объемным зарядом показано на рис.

* Далее показано, что это справедливо лишь для ограниченно­ го диапазона давлений газа.

61

IV.2, а. Пренебрежение начальными скоростями заря­ женных частиц, вторгающихся в катодный слой, допу­ стимо только в случае, когда энергия частиц, приобре­ таемая в слое, гораздо больше её начального значения. В режиме ограничения тока отрицательным объемным зарядом катодное падение потенциала в различных га­ зах не превышает 10—25 В. Поэтому для строгих коли­ чественных расчетов процессов в катодном слое необхо­ димо учитывать влияние начальных скоростей электро-

Рис. IV. 2. Распределение напряженности поля Е, потенциала V и избыточного объемного заряда р в дуговом разряде низкого давления с накаленным катодом:

а — режим ограничения тока объемным зарядом электронов; б —вынужденный режим.

нов, покидающих катод, а также электронов и положительных номов, попадающих в слой из плазмы. Задача такого рода решена в [39.]

По мере увеличения анодного тока отрицательный объемный заряд электронов около катода рассасывается, а положительный пространственный заряд (граница, об­

боты катода становится «вынужденным». Переход като­ да в вынужденный режим сопровождается резким уве-

62

лпчением AUK. Благодаря повышению энергии электро­ нов, проходящих участок катодного падения потенциа­ ла, происходит интенсивная ионизация газа и ионный ток на катод увеличивается гораздо быстрее, чем это следует из соотношения (IV. 12).

В свою очередь повышение энергии ионов, бомбар­ дирующих катод, приводит к появлению у — эмиссии катода. Но воздействие энергичных ионов на катод не ограничивается лишь возбуждением у — эмиссии. В большинстве газов, применяющихся для наполнения приборов, катодное падение потенциала в вынужденном режиме в несколько раз превышает критический потен­ циал, т. е. минимальную энергию положительных ионов, которая достаточна для заметного распыления катода. Поэтому вынужденный режим сопровождается интен­ сивным распылением катода, что резко сокращает его долговечность.

Напряженность внешнего электрического поля Ек на катоде в вынужденном режиме описывается выражени­ ем [50]:

столь сильного внешнего поля обусловливается также и эффектом Шоттки.

Распределение потенциала, напряженности поля и объемных зарядов в вынужденном режиме показано на рис. IV.2, б.

IV.3. ЭМИССИЯ КАТОДА

Эмиссионная способность накаленного катода в газо­ вом разряде оценивается по току перехода из режима ограничения тока отрицательным объемным зарядом в- «вынужденный» режим. Уже отмечалось, что напря­ женность электрического поля на катоде при переходе равна нулю. Поэтому ток перехода называют током нулевого поля. Ток нулевого поля не равен току тер­ моэмиссии катода, а представляет собой сумму следую­ щих компонент:

^а0 эм Т~ ^ L4“

63

вает существенного повышения падения напряжения на диоде. Вместе с тем превышение /а сверх Ю5 А/м2 (сверх 1 0 А/см2) приводит к резкому увеличению Д£/а-к-

Рис. IV.3, б демонстрирует влияние температуры ка­ тода на вольт-амперную характеристику [54]. На каж­ дой вольт-амперной характеристике могут быть выде-

Рнс. IV. 3. Вольт-амперные характеристики диода с водородным наполнением при р = 66,5 Н/м2 (0,5 мм рт. ст.):

а —типичная характеристика; б —с учетом влияния температуры катода.

бый наклон, который при высокой температуре катода практически отсутствует. На первом участке катод об­ ладает избыточной эмиссией. Рост падения напряжения на диоде при увеличении тока объясняется падением напряжения в оксидном слое, а катодное падение по­ тенциала не зависит от тока и остается постоянным.

При переходе от первого ко второму участку (первый излом характеристики) отрицательный объемный заряд около катода рассасывается, а поле у его поверхности становится равным нулю. Разрядный ток в области перехода представляет собой ток нулевого поля. Сниже­

соответственно и не зависит от длительности импульса. В вакууме плотность тока в точке отхода вольтамперной характеристики от закона степени 3/2 для аналогичных катодов при 7’К=850°С соответствует примерно 8 А/см2. Таким образом, плотность тока нулевого поля в им­ пульсном разряде близка к плотности тока термоэмис­ сии в точке отхода от закона 3/2, измеренной в вакууме.

Превышение анодного тока над током нулевого поля на втором участке вольт-амперной характеристики в значительной степени обязано усилению ионизации газа. Так, например, при /а= 20 А/см2 доля приращения ионного тока в приросте анодного тока может доходить

до 40% [5 4 ].

Интенсивная ионизация газа, присутствие большого положительного пространственного заряда около катода приводят к появлению сильного внешнего поля у като­ да Ек, способного вызвать усиление эмиссии катода за счет эффекта Шоттки. Наибольшее влияние внешнего поля на эмиссию электронов из катода должно прояв­ ляться в диапазоне разрядных токов, соответствующих третьему участку вольтамперной характеристики, где величина Ек достигает нескольких тысяч кВ/м [54]. Здесь также возможна автоэмиссия участков с понижен­

* В настоящем разделе всюду имеется в виду средняя темпера­ тура катода Тк ср, измерявшаяся термопарой. В импульсном режи­ ме Тк ср не равна мгновенной температуре катода Т,, (см. рис.

66

ной работой выхода. Небольшого изменения Ек доста­ точно для существенного повышения эмиссии оксидного катода [55]. Поэтому наклон третьего участка вольтамперной характеристики мал.

Давление газа в приборе оказывает влияние на про­ цессы в области катодного падения потенциала, а сле­ довательно, и на работу катода. На рис. IV.4, а пред-

ставлены вольт-ампериые характеристики, снятые при различном давлении водорода [54]. Видно, что влия­ ние давления проявляется двояко. Во-первых, при р<40 Н/м2 (р<.0,3 мм рт. ст.) ток в точке излома вольт-амперной характеристики становится функцией давления. «Преждевременный» рост Д£/а_к объясняется следующим образом. При достаточно высоком давлении (р>Ркр) число ионизаций в секунду пропорционально току, так как полная ионизирующая способность элект­ ронов Ki постоянна. Поэтому, как это следует из выра­ жения (IV.13), катодное падение потенциала не зависит от тока. При уменьшении давления ниже ркр число иони­ заций растет медленнее, чем ток, так как Ki падает. Для поддержания требуемой степени ионизации газа необ­ ходимо увеличение Д£/а_к. Чем ниже р, тем меньше ток, при котором Ki становится функцией давления. Повыше­ ние ЛНа-к сопровождается расширением области катод­

Крутизна вольт-амперной характеристики увеличива­ ется при уменьшении давления. Эта зависимость особен­ но проявляется в вынужденном режиме в связи с увели­ чением доли ионного тока в анодном токе. Зависимости падения напряжения на диоде от давления при постоян­ ном анодном токе приведены на рис. IV.4, б. Кривая 1 на этом рисунке соответствует режиму ограничения тока объемным зарядом, а кривая 2 — вынужденному режи­ му. Наличие минимума у кривых объясняется тем, что при низком давлении многие из быстрых электронов не участвуют в ионизации газа, а при высоком давлении значительная доля энергии электронов расходуется на

ртути эта область простирается от единиц до сотен Н/м2 (от сотых долей до нескольких мм рт. ст.), а в арго­ не— от 13 до тысяч Н/м2 (от 0,1 до десятков мм рт. ст.).

В вынужденном режиме минимум кривой &Ua- K= f(p ) сдвинут в сторону больших давлений. Кроме того, при

4

50

30

^а,Л/смг

Рис. IV.5. Вольт-амперная характеристика диода с гелиевым на­ полнением р = 67 Н/м2 (р = 0,5 мм рт. ст.).

68

водородного наполнения (рис. IV.3, а), за исключением третьего участка, который у гелиевых диодов измерить не удается, так как: предельный ток ограничивается потерей эмиссии катода из-за рас­ пыления оксида. На рис. IV.5 пунктиром помечен рост ДС/а_„ п уменьшение тока при работе катода в вынужденном режиме. Видно,

Ток нулевого поля не должен зависеть от рода газа, наполняю­ щего прибор, если газ не оказывает отравляющего или активирую­ щего воздействия па катод. Плотности тока нулевого поля в гелии,

Эмиссионная способность катода в ряде случаев за­ висит от длительности импульса. Известно, что при на­ личии в керне катода примесей, вызывающих образова­ ние запорного слоя, эмиссия катода уменьшается в те­ чение импульса. Однако в вакууме катоды и на чистей­ шем никеле, но не тренированные отбором тока, также обнаруживают спад эмиссии, если длительность импуль­ са превышает несколько микросекунд [46]. После дли­ тельной тренировки те же катоды имеют стабильную эмиссию в течение импульса длительностью до 30 мкс.

Рис. IV. 6. Осциллограм­

На рис. IV.6 приведены осциллограммы импульсов анодного тока диода с катодом, не тренированным от­ бором тока, полученные в водородном разряде при дав­ лении 0,5 мм рт. ст. Осциллограммы а—в получены при длительности импульса 8 ; 1 0 0 и 1 2 0 0 мкс соответствен­

69