Импульсные водородные тиратроны

1. Назначение тиратронов

2. Устройство и принцип действия

3. Основные физические закономерности

3.1 Электрическая прочность тиратронов

3.2 Допустимый ток

3.3 Быстродействие тиратрона

3.4 Восстановление электрической прочности Заключение Список литературы

1. Назначение тиратронов

Тиратрон — это трехэлектродный прибор, предназначенный для формирования коротких импульсов высокого напряжения при больших токах в нагрузке. Характерные параметры импульсов: длительность — наноили микросекунды, напряжение — 5 — 50 кВ, ток — 50 А — 15 кА, частота следования — 0,2 — 100 кГц. Импульсы формируются быстрым подключением нагрузки к накопителю энергии (конденсатор, задающая длинная линия), который за время импульса полностью разряжается. Подключение осуществляется тиратроном при поступлении на управляющий электрод сравнительно маломощного импульса напряжения.

Типичная (упрощенная) схема включения тиратрона (рис. 1) содержит высоковольтный источник постоянного напряжения U₀, зарядный резистор R_З (или дроссель), тиратрон V, сетка которого соединена с корпусом через резистор R_C, генератор управляющих импульсов G, накопитель энергии C и нагрузку R_Н (магнетрон, лазер и т. п.).

Рис. 1 Схема включения тиратрона. G — генератор управляющих импульсов, С — накопитель энергии, R_н — нагрузочный резистор В паузе между управляющими импульсами конденсатор сравнительно медленно (миллисекунды) заряжается от источника питания через резисторы R_З и R_Н. С приходом импульса на сетку тиратрон открывается и конденсатор быстро (микросекунды) разряжается большим током через тиратрон и нагрузочный резистор, на котором в результате формируется импульс напряжения отрицательной полярности. При открывании тиратрона напряжение на нем уменьшается до величины напряжения горения разряда (порядка 50 В), что обычно намного меньше напряжения источника питания. Когда напряжение на тиратроне, по мере разряда конденсатора, уменьшается до величины ниже требуемой для горения, ток через тиратрон прекращается (прибор закрывается).

2. Устройство и принцип действия

Основные элементы конструкции тиратрона (рис. 2): подогревный оксидный катод, анод и расположенная между ними двойная металлическая перегородка с отверстиями, выполняющая роль управляющей сетки. Отверстия в первой стенке сетки смещены относительно отверстий во второй для обеспечения низкой проницаемости (чтобы высокий потенциал анода в закрытом тиратроне не ускорял электроны, выходящие из катода). Приборы заполняются водородом до давления порядка 0,1% атмосферного. Характерные габариты приборов: диаметр — от 30 до 200 мм, высота — от 70 до 300 мм.

Рис. 2. Схематическая конструкция тиратрона В исходном состоянии, до прихода управляющего импульса напряжения, катод разогрет до рабочей температуры, а потенциал сетки равен нулю (относительно катода). Потенциал анода высокий (киловольты), но из-за низкой проницаемости сетки он не ускоряет эмитируемые катодом электроны. После поступления на сетку положительного управляющего импульса напряжения (сотни вольт) электроны ускоряются и ионизируют газ в промежутке сетка-катод, между пластинами сетки и в промежутке сетка-анод. В приборе формируется плазма, обладающая высокой электропроводностью, что обеспечивает переход тиратрона в открытое состояние при сравнительно низком (около 50 В) напряжении между анодом и катодом в условиях значительного (до килоампер) тока.

По мере разряда конденсатора С (накопителя энергии) через тиратрон и сопротивление нагрузки напряжение на промежутке анод-катод становится недостаточным для поддержания разряда. Электроны и ионы диффундируют к электродам и стенкам вакуумной оболочки, оседают на их поверхностях и рекомбинируют между собой — плазма «распадается», а промежуток анод-катод восстанавливает изоляционные свойства. Если импульс на сетке закончился раньше разряда конденсатора С, анодный ток тиратрона не прерывается, поскольку пространственный заряд ионов компенсирует снижение потенциала сетки. Это определяет характерную особенность тиратронного ключа: он лишь замыкает электрическую цепь, но не размыкает её.

Основное достоинство тиратронов — низкое падение напряжения в открытом состоянии, что определяет малые тепловые потери мощности, высокий коэффициент полезного действия и снижает требования к системе охлаждения. Малое в сравнении с вакуумными приборами падение напряжения обеспечивается тем, что ионы водорода компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов, затрудняющий прохождение электронного потока между катодом и анодом.

В настоящее время в России выпускается около 20 типов тиратронов. Обозначение типов содержит буквы ТГИ (тиратрон газоразрядный импульсный) и цифры, показывающие значения рабочего тока (в амперах) и напряжения (в киловольтах). Например: ТГИ-50/6; ТГИ-1000/25.

тиратрон импульс напряжение ток

3. Основные физические закономерности

3.1 Электрическая прочность тиратронов

Способность тиратронов выдерживать большое анодное напряжение в закрытом состоянии определяется зависимостью напряжения возникновения (зажигания) самостоятельного разряда в промежутке сетка-анод от давления газа и межэлектродного расстояния (рис. 3).

Рис. Зависимости напряжения зажигания разряда от давления водорода при двух значениях расстояния между анодом и сеткой (1 — 3 мм; 2 — 1,5 мм) С ростом давления и расстояния напряжение снижается, поскольку условия в тиратроне соответствуют левой ветви кривой Пашена. При особо малых значениях давления и расстояния наблюдается отклонение от кривой Пашена: напряжение не зависит от давления и определяется условиями возникновения вакуумного пробоя. Механизм инициирования пробоя связан с явлениями на поверхности электродов, обусловленными сильным электрическим полем. К таким явлениям относятся автоэлектронная эмиссия с микроострий и отрыв микрочастиц от электродов. Оба явления способны вызывать взрывообразное выделение газа или пара в промежуток, что создает условия для развития разряда. Напряжение вакуумного пробоя U₀ (кВ) повышается с увеличением расстояния сетка-анод d_{c a} (см) в соответствии с эмпирической формулой:

Зависимость напряжения зажигания разряда от давления водорода и расстояния определяется следующим эмпирическим выражением:

при, (2)

где — напряжение зажигания самостоятельного разряда в промежутке сетка-анод (кВ); p — давление водорода (Торр).

Зависимости напряжения зажигания от давления газа при различных межэлектродных расстояниях (рис. 3) используются для обоснования выбора параметров p и d_{с а} по заданному значению максимально допустимого анодного напряжения. При этом обеспечивают некоторый запас электрической прочности, полагая напряжение вакуумного пробоя U₀ превышающим значение максимально допустимого на 20−50%. По соотношению (1) рассчитывают расстояние d_{с а} (обычно несколько миллиметров) и, полагая, определяют максимальное допустимое давление водорода [при более высоком давлении напряжение зажигания в соответствии с соотношением (2) оказывается ниже рабочего]. Изложенная последовательность расчета обеспечивает наиболее высокое (около 0,5 Торр) допустимое давление, что, как будет показано далее, важно для обеспечения малого времени развития разряда.

3.2 Допустимый ток

Наибольший допустимый ток тиратрона определяется эмиссионной способностью катода. В тиратронах обычно используется оксидный катод, для которого в режиме микросекундных импульсов допустимая плотность тока составляет 10 А/см². Делением заданного значения рабочего тока тиратрона на допустимую плотность тока катода определяют необходимую площадь катода. При этом используется характерный для тиратронов принцип конструирования катода, обеспечивающий уменьшение габаритов прибора: эмитирующая поверхность выполняется в виде сотовой или ребристой структуры. Плазма проникает в соты (между ребрами), что обеспечивает отбор электронов, эмитированных как с дна, так и с боковых поверхностей сот (ребер). В вакуумных приборах такая конструкция катода не применяется, так как электронный пространственный заряд ограничивает отбор электронов (в газе заряд компенсируется ионами).

Катод тиратрона обычно представляет собой цилиндр с торцевой эмитирующей поверхностью (рис. 2). Площадь поверхности S при наличии квадратных сот с шагом l определяется соотношением:

(3)

где d_к — диаметр катода; h — глубина сот (порядка шага).

Из формулы следует, что соты увеличивают площадь эмитирующей поверхности тем больше, чем меньше шаг структуры (и больше, соответственно, количество сот). Однако если шаг меньше величины l_m, равной нескольким длинам свободного пробега электронов в газе, то плазма не заполняет объем ячейки, электроны с дна сот и нижней части их боковых стенок полем не отбираются, а сотовая структура «не работает». В связи с этим зависимость допустимого тока катода от шага структуры (рис. 4) имеет максимум при значении аргумента, несколько превышающем величину l_m.

С увеличением давления газа длина свободного пробега электронов уменьшается. Соответственно уменьшается и величина l_m, что позволяет увеличивать число сот (при уменьшении шага) с целью повышения допустимого тока катода. Максимум зависимости тока от шага смещается влево и вверх (кривые 1 и 2 на рис. 4).

Рис. 4. Зависимости допустимого тока катода от расстояния между ребрами при различных значениях давления водорода и диаметра катода (1 — 4 см и 30 Па; 2 — 4 см и 60 Па; 3 — 5 см и 60 Па) Ток существенно возрастает при увеличении диаметра катода из-за увеличения его площади (кривые 2 и 3 на рис. 4).

Зависимость допустимого тока от давления газа учитывается при выборе размеров катода, поскольку в тиратроне давление может существенно изменяться из-за нестабильности напряжения накала и свойств водородного генератора, а также из-за электрического поглощения газа в процессе срока службы. При неконтролируемом снижении давления допустимый ток катода может оказаться ниже рабочего значения тока тиратрона, что приведет к повышению напряжения горения разряда, усилению распыления катода ионной бомбардировкой и сокращению срока службы прибора. Для предотвращения этого катод конструируют с определенным (20−50%) запасом эмиссионной способности.

3.3 Быстродействие тиратрона

Скоростная способность тиратрона характеризуется интервалом времени между передним фронтом управляющего импульса и началом вершины импульса анодного тока. В первом приближении интервал разбивают на две составляющие: от фронта до начала роста анодного тока и от этого начала до вершины токового импульса. Первая составляющая, называемая запаздыванием разряда, существенно больше второй, однако для практики они одинаково важны.

Запаздывание разряда определяется процессами в катодно-сеточной области. В начале управляющего импульса напряжения ток между сеткой и катодом сравнительно мал (миллиамперы — на несколько порядков меньше рабочего тока катода) в результате ограничения пространственным зарядом электронов. Механизм ограничения состоит в том, что заряд понижает пространственные потенциалы, вблизи катода они становятся отрицательным, и почти все эмитированные электроны после торможения возвращаются на катод.

Тормозящее поле у катода преодолевают лишь электроны с большими значениями тепловой скорости. Эти электроны ускоряются потенциалом сетки и ионизируют газ. Ионы частично компенсируют отрицательный пространственный заряд, что увеличивает поток электронов на сетку, усиливая этим ионизацию газа. Малоподвижные ионы не успевают уходить на катод и накапливаются в промежутке. Поэтому процесс лавинообразно нарастает до почти полной компенсации заряда электронов, что соответствует открытому состоянию тиратрона.

При анализе процесса развития разряда между сеткой и катодом полагается, что приращение плотности электронного тока d j (t) за интервал времени d t пропорционально плотности тока, определяющей количество электронов, ионизирующих газ, и величине интервала:

(4)

где с — коэффициент пропорциональности, равный числу ионизаций, производимых электроном в единицу времени, которое определяют делением числа ионов в электронной лавине на время ее развития:

(5)

где — коэффициент объемной ионизации газа электронами, зависящий от напряженности электрического поля Е; d_{с к} — расстояние сетка — катод; К_е1 — подвижность электронов при единичном давлении газа; произведение в скобках в знаменателе — направленная скорость электронов.

Начальным условием дифференциального уравнения (4) является «закон степени 2» для водорода на левой ветви кривой Пашена:

при t = 0, (6)

где U — напряжение между сеткой и катодом (плотность тока, давление и расстояние измеряются соответственно в единицах: А/см², Торр, см).

Развитие разряда считается завершенным, когда плотность тока достигает «пускового» значения j_п = 0,1 А/см² (по данным эксперимента), что позволяет на основе уравнений (4)-(6) определить время запаздывания открывания тиратрона:

(7)

Коэффициент определяется соотношением:

(8)

Расчеты по соотношениям (7) и (8), а также экспериментальные данные показывают, что время запаздывания не превышает единиц микросекунд. Оно снижается с ростом давления газа и напряжения, что объясняется усилением ионизации за счет увеличения количества столкновений электронов с газовыми молекулами и за счет увеличения энергии электронов. Увеличение расстояния ведет к росту времени запаздывания разряда. По зависимости времени запаздывания от давления газа при различных величинах расстояния сетка-катод и напряжения (рис. 5) обосновывается выбор этих параметров.

Рис 5. Зависимости времени запаздывания разряда от давления водорода при двух значениях расстояния между катодом и сеткой (1 — 1 см; 2 — 3 см; амплитуда управляющего импульса 200 В) Время формирования разряда в промежутке сетка-анод приближенно может оцениваться по соотношениям (7) и (8) при подстановке в них расстояния и напряжения между сеткой и анодом, а также при замене начальной плотности тока j₀ на пусковую j_п, а пусковой — на рабочую, соответствующую заданному току тиратрона. Расчеты и эксперимент показывают, что время формирования составляет десятки наносекунд, что меньше времени запаздывания разряда более, чем на порядок. Столь большое различие объясняется высоким напряжением на промежутке (киловольты вместо сотен вольт), а также тем, что расстояние сетка-анод (миллиметры) приблизительно на порядок меньше, чем сетка-катод (сантиметры).

Для развития разряда в промежутке сетка-анод характерны те же закономерности, что и для промежутка сетка-катод: время формирования уменьшается с ростом давления и напряжения и увеличивается с ростом расстояния. Погрешность оценки времени формирования разряда между катодом и анодом по соотношениям (7) и (8), в основном, определяется тем, что не учитывается инерционность проникновения плазмы сквозь сеточные отверстия.

Время формирования разряда в анодно-сеточной области мало, но является одним из важных параметров тиратрона, поскольку определяет длительность переднего фронта рабочего импульса и минимально возможную длительность самого импульса. Кроме этого, пропорционально времени формирования возрастают «стартовые» потери мощности в тиратроне на переднем фронте импульса, которые в несколько раз превышают потери в самом импульсе из-за одновременно больших значений напряжения и тока (рис. 6).

Рис. 6. Осциллограммы напряжения U, тока I и мощности P при напряжении источника 10 кВ и амплитуде тока 500 А (стартовые потери энергии 0,65 Дж)

Стартовые потери фактически определяют мощность, выделяющуюся в тиратроне за счет анодного тока, которая равна интегралу импульса мощности на рис 6, отнесённому к периоду следования импульсов. От уровня стартовых потерь зависят тип необходимой системы охлаждения (естественное, принудительное воздушное, водяное) и предельно допустимая частота следования импульсов.

3.4 Восстановление электрической прочности

После полного разряда накопителя энергии и окончания рабочего импульса тока напряжение на аноде тиратрона близко к нулю и плазма распадается (деионизируется) за счет ухода электронов и ионов на электроды прибора в результате амбиполярной диффузии. На поверхности электродов частицы рекомбинируют (объединяются в нейтральные молекулы). Время деионизации плазмы сравнительно велико (сотни микросекунд). В течение этого времени тиратрон в процессе роста напряжения на аноде при заряде накопителя энергии может открываться до прихода управляющего импульса на сетку. Причина открывания — развитие разряда в результате ионизации газа электронами, оставшимися в объёме от предыдущего импульса тока. Время деионизации определяет предельно допустимую частоту следования импульсов, величина которой обратно пропорциональна времени распада плазмы.

Для приближенной оценки времени деионизации (постоянной распада плазмы — времени уменьшения концентрации зарядов в е раз) и определения влияния на него различных параметров используется следующее соотношение:

(8)

где t_d — постоянная распада плазмы; D_a — коэффициент амбиполярной диффузии, возрастающий при уменьшении давления газа и массы его молекул.

Из соотношения (8) следует, что для быстрого восстановления электрической прочности тиратрона необходимо, чтобы прибор был наполнен легким газом при минимально возможных значениях давления газа и расстояния между электродами. Эти требования обусловили применение водорода в тиратронах при сравнительно низком (до 100 Па) давлении в условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена.

На практике недостаточно быстрое восстановление электрической прочности тиратрона проявляется в возникновении «повторных зажиганий», когда в процессе роста напряжения на аноде тиратрон открывается до поступления управляющего импульса (случай 2 на рис. 7). Повторные зажигания нарушают нормальное функционирование радиоэлектронной аппаратуры, в которой используются тиратроны.

Рис. 7. Осциллограммы напряжения на аноде в нормальных условиях (1 — давление водорода 60 Па) и при «повторных зажиганиях» (2 — давление 120 Па) Предельно допустимая частота следования импульсов для современных тиратронов достаточно высока (десятки кГц), что выгодно отличает их от коммутационных разрядников, для которых характерны более низкие (на 2 — 3 порядка) допустимые частоты из-за высокого давления газового наполнения. По допустимой частоте следования импульсов тиратроны существенно уступают вакуумным модуляторным приборам, но значительно превосходят их по максимально допустимому току и выгодно отличаются малым напряжением между анодом и катодом в открытом состоянии, и, соответственно, — высоким коэффициентом полезного действия коммутатора.

Заключение

Тиратромн — ионный газоразрядный многоэлектродный коммутатор тока, в котором между анодом и катодом могут располагаться одна (триод), две (тетрод) или более (пентод, гексод) управляющие электроды (сетки). Для того, чтобы зажечь разряд между анодом и катодом, на сетку подаётся электрический сигнал. В отличие от вакуумных триодов, при снятии управляющего сигнала ток между анодом и катодом продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде не уменьшится ниже напряжения поддержания разряда. В современной электронике, маломощные тиратроны практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Современные мощные тиратроны применяются при коммутации импульсов тока до 10 кА и напряжения до 50 кВ.

С развитием полупроводниковой электроники Т., предназначенные для использования в качестве реле, в выпрямителях тока, преобразователях почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами (гл. обр. тиристорами). Однако импульсные Т. (ИТ) применяются широко — преим. в цепях формирования мощных импульсов электрического тока (гл. обр. в качестве коммутирующих приборов в модуляторах передатчиков радиолокац. станций).

Принципиальная схема линейного модуэлятора на импульсном тиратроне: ИТ — импульсный тиратрон; ФЛ — формирующая линия; Z — эквивалентное сопротива ление нагрузки; Lsap — зарядный дроссель; Енапряжения, подаваемого на сетку; Ср — разделительный конденсатор; R — резистор в цепи управления.

1. Каганов И. Л., Ионные приборы, М., 1972; Фогельсон Т. Б., Бреусова Л. Н., Вагин Л. Н., Импульсные водородные тиратроны, М., 197

2. М. Р. Шебес. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах. М.: Высшая школа, 1990. 528 с.

3. Киселев Ю. В. Искровые разрядники. Рязань: РРТИ, 1989.

4. Киселев Ю. В., Черепанов В. П. Искровые разрядники. М.: Сов. радио, 1976.

5. Фогельсон Т. Б. Импульсные тиратроны. М.: Сов. радио. 1974.