Импульсные водородные тиратроны
Информация - Разное
Другие материалы по предмету Разное
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;
dс к - расстояние сетка - катод;
Ке1 - 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 jп = 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 jп , 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