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

но. Температура керна катода во всех случаях была одинаковой и равной 900° С.

Из рис. IV.6 видно, что эмиссия катода, не трениро­

-(осциллограмма а). Увеличение длительности импульса до 1 0 0 мкс (осциллограмма б) приводит к появлению спада тока. Спад тока особенно велик при т„=1200 мкс (осциллограмма в).

Спад тока, вычисленный по осциллограмме рис. IV.6,s, происхо­ дит по экспоненциальному закону

абсцисс. Характер зависимости т от времени тренировки демонстри­ руется рис. IV.7.

Кривые па этом рисунке получены при тренировке катода в ре­ жиме т„ = 1200 мкс, / п = 5 имп/с, Ua — const (i/n — импульсное

.напряжение источника, питающего диод). Температура катода рав-

тока в первый момент после включения С/а в обоих случаях равня­ лась 104 А/м2. В процессе тренировки значение плотности тока уве­ личивалось благодаря повышению эмиссионной способности катода. Время тренировки, требующееся для получения эмиссии, стабильной в течение 1200 мкс, зависит от температуры катода и составляет примерно 1—2 ч и 8—14 ч при Тк = 950 и 900° С соответственно.

70

Характерной особенностью импульса падения напря­ жения на диоде с нетренированным катодом является рост At/a-к в течение импульса (осциллограмма рис. IV.8 ,a), т. е. увеличение внутреннего сопротивления дио­ да вследствие спада тока эмиссии катода. Значение ДUа—к на диоде с нетренированным катодом равно 80—

ствует вынужденному режиму работы катода. Таким об­ разом, спад эмиссии имеет место при работе катода в вынужденном режиме, т. е. при наличии внешнего поло­ жительного поля катода. После прекращения спада им­

Падение напряжения на диоде с тренированным ка­ тодом не превышает 25—30 В при плотности тока, рав­ ной (3—6)-104 А/м2 и Т ц= 850° С, что присуще режиму ограничения тока объемным разрядом. Эмиссионная способность тренированного катода может существенно увеличиваться в течение импульса. В качестве примера, на осциллограмме рис. IV.9, в показано трехкратное по­ вышение тока за время 1200 мкс. Причиной роста тока является импульсный нагрев катода разрядным током (см. раздел IV.4). На том же рисунке представлены осцилло­ граммы импульсов падения напряжения на диоде при работе катода в вынужденном режиме: /а= 1,6-1 05 А/м2,

этом случае является уменьшение Дбга_к при тп> 2 0 мкс. Из двух основных составляющих падения напряжения на диоде: iaR()кс и AUK— наиболее сильной температур­ ной зависимостью обладает катодное падение потенциа­ ла. Поэтому резкий спад А £/а-к в первые 600—800 мкс (рис. IV.9, в) объясняется главным образом уменьше-

71

нием катодного падения потенциала в результате им­ пульсного повышения температуры катода. Катодное падение становится неизменным, когда около катода появляется избыток электронов. В связи с этим незначи­ тельный спад Д t/a_K на рис. IV.9, в в последние 400—

Рис. 1V.9. Осциллограммы импульса анодного тока (/) и падения напряжения на дио­ де (2) для случая вынужден­

600 мкс объясняется только снижением падения напря­ жения в оксидном слое. Таким образом, особенностью работы оксидного катода на длинных импульсах при плотности тока порядка 105—106 А/м2 является переход из вынужденного режима в режим ограничения тока объемным зарядом, повторяющийся периодически в те­ чение каждого импульса.

IV.4. НАГРЕВ КАТОДА В РАЗРЯДЕ

Дополнительный разогрев катода анодным током обусловлен джоулевым теплом WR, выделяющимся в оксидном слое, и энергией, приносимой на катод ионной составляющей тока Wi. Выражение для результирую­ щей энергии, выделяющейся на катоде из разряда в течение импульса WK, имеет вид

где а,- — коэффициент аккомодации положительных

72

ионов на катоде, —энергия, затрачиваемая на эмис­ сию электронов.

После прекращения одиночного импульса тока тем­ пература поверхности катода снижается до своего пер­ воначального значения, зависящего от мощности нака­ ла. При периодически повторяющихся импульсах воз­ можны два случая. В первом из них частота повторения и длительность импульсов столь малы, что время, необ­ ходимое для охлаждения поверхности катода до началь­ ной температуры, практически меньше интервала меж­ ду импульсами. Во втором случае при большой частоте повторения импульсов температура поверхности катода в интервале между импульсами не успевает снизиться до начального значения. В результате температура ка­ тода в работающем приборе Тк всегда больше своего начального значения Гкн» достигаемого за счет мощно­ сти накала (рис. IV. 10). Именно в таком режиме, как правило, работают водородные тиратроны.

t

Рис. IV. 10. Изменение температуры катода во времени в импульс­ ном режиме с большой частотой повторения импульсов

Т к Ср = Т кН + ДТ к ср.

Приращение температуры катода к концу импульса (ДТп на рис. IV.10) не поддается расчету с достаточ­ ной для практики точностью вследствие неопределенно­ сти коэффициента теплопроводности и сопротивления

73

щейся на катоде из разряда, и от физических свойств оксидного слоя.

Снижение температуры катода после прекращения разряда показано на рис. IV. 12, б, где по оси ординат отложено отношение мгновенных значений импульсного приращения температуры катода в интервале между импульсами АTt~ к АТК. Время по оси абсцисс отсчиты­ вается после прекращения разряда.

оW0 800 1Z00

£кмкс

а

Рис. IV. 12. Характер изменения температуры поверхности катода:

а —в течение импульса (/ —эксперимент, 2 — расчет по (IV.18)), б —о интервале

дя из механизмов нагрева и охлаждения катода. Во вре­ мя импульса тока источник тепла, обусловленный раз­ рядом, сосредоточен в тонком приповерхностном слое. После прекращения разряда приповерхностный слой остывает путем лучеиспускания, теплопроводности через газ и через оксидное покрытие.

Два первых охлаждающих фактора не могут суще­ ственно влиять на скорость охлаждения. Следовательно, снижение температуры катода после прекращения раз­ ряда обусловлено в основном теплопроводностью оксида. Известно, что в случае поверхностного источника тепла охлаждение поверхности электрода путем теплопровод­

75

ности его материала описывается единственной функ­ цией ДТг/кТ„, т. е. не зависит от энергии источника, теплопроводности и плотности материала электрода.

Импульсный нагрев оксидного катода отличается тем, что источник тепла распределен в объеме припо­ верхностного слоя, толщина которого по порядку вели­ чины совпадает с расстоянием, на которое в течение им­ пульса тепло распространяется вглубь оксидного покры­ тия. Поэтому разные относительные скорости охлажде­ ния катодов на рис. IV.12, б объясняются неодинаковой толщиной их приповерхностного слоя. В этой связи ин­ тересно отметить, что катоды, имеющие большее сопро­ тивление оксида, охлаждаются медленнее. На рис. IV. 12,6 сопротивление оксидного покрытия катодов убывает от кривой 1 к кривой 3*. Можно предположить, что повы­ шение сопротивления катода сопровождается ростом толщины приповерхностного слоя.

Зависимость импульсного приращения температуры катода от тока приведена на рис. IV. 13. В одинаковых условиях (средняя температура катода, давление, плот­ ность тока и длительность импульса) ДГИвыше у като­ да, имеющего большее сопротивление оксидного слоя.

с катода в водородных тиратронах становится наиболее

следует принять тот ток, при котором мгновенное значе­

76

оксидного слоя, так как последнее экспоненциально за­ висит от температуры;

1)Яу д = 3 0м-см3,

2)Яуд = 2,3 Ом-см’,

3)Я =2,0 Ом-см»,

4)Яуд = 1,1 Ом-см*.

торое может быть измерено термопарой, пирометром или другими инерционными приборами. Он обусловлен мощностью, выделяющейся на катоде из разряда Рк.

Выражение для Рк имеет вид

для случая, когда мощность накала катода поддержи­ вается постоянной, а его средняя температура повышает­ ся с ростом тока, приведена на рис. IV. 16. Из этого ри­ сунка видно, что мощность, выделяющаяся на катоде

77

из разряда, фактически пропорциональна первой, а не второй степени анодного тока, как это предсказывается выражением (IV.21), т. е.

Р к == Яf й*-»/п"Т" 11(аШ к “Ь U i ®к) п

(IV.22)

где q = I aR yj S K.

Практическое постоянство q по мере повышения /а обеспечивается снижением примерно во столько же раз значения /?уд вследствие дополнительного нагрева окси­ да. Сопротивление оксида и катодное падение потен-

циала (в вынужденном режиме) уменьшаются с ростом эмиссионной способности катода. Поэтому при повыше­ нии эмиссионной способности уменьшается и значение Рк. По той же причине удается снизить Рк, если повы­ сить начальную температуру катода (рис. IV.17). Одна­ ко следует иметь в виду, что с ростом начальной темпе­ ратуры катода повышается также и его средняя рабочая температура (рис. IV. 18, а), равная

Температурный режим катода определяется балан­ сом между мощностью, сообщаемой катоду, и мощно­ стью, рассеиваемой им в окружающее пространство.

78

Выражение для АТКСр, полученное из баланса тепла на катоде в установившемся режиме имеет вид:

Л7\{ср = [Пн + fa + *) p J *«°m S ,<\42 ~ Т кН, (IV.24)

где п —-число тепловых экранов катода, ек — интеграль­

да. Предлагается следую­ щий метод [58], с помощью которого можно выбрать опти­

мальную тепловую экранировку и вместе с тем избежать недопустимого повышения температуры катода. С этой целью введем понятие удельной мощности накала катода

79