Импульсный газоразрядный прибор с двусторонним управлением

 

O П H C A H И Е ю894813

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6 l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 31.05.74 (21) 2057801/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет— (51)М. Кл.

Н 01 J 17/44

1ооуаеротеениый комитет по делам изобретений и открытий

Опубликовано 30.12 81 Бюллетень J% 48

Дата опубликования описания (53) САДК 621 387 (088.8) (72) Автор изобретения

И. И, Бакалейник (71) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР

С ДВУХСТОРОННИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к электронной технике, а именно к импульсным газоразрядным приборам с возможностью прерывания разрядного тока управляющим электродом без снятия анодного напряжения, т,е. с двухсторонним управлением, и может быть использовано в мощ- 5 ных импульсных устройствах с индуктивными и емкостными накопителями энергии в режимах полного или частичного разряда накопителей, Известны импульсные газоразрядные прибо- ры-тиратроны., используемые в качестве ключей в мощных импульсных устройствах, состоящие из анода, управляющей сетки и катода и наполнены рабочим газом для низкого давления (1т ., 45

Недостатком тиратронов является невозможность двухстороннего управления, поскольку сетка в тиратроне из-за сравнительно больших размеров ячеек неспособна гасить разряд и управляет только моментом его зажигания. Поэтому тиратроны неприменимы в импульсных устройствах с индуктивными накопителями энергии, в которых гашение разряда обязатель но произвонится управляющим электродом, а

2 также в устройствах с частичным разрядом емкостного накопителя.

Известны также газоразрядные приборы с двухсторонним управлением (таситроны), содержащие катод, анод и управляющую сетку.

Данные приборы отличаются от тиратронов только конструкцией сетки, имеющей мелкие ячейки. Размер ячеек выбирают из условия их перекрытия в период гашения заряда ионными оболочками при соответствующих токах и отрицательных смещениях на сетке. С друтой стороны, сетка не может быть слишком густой, так как это затруднило бы зажигание разряда на анод и увеличило потери мощности на сетке (21.

Основным недостатком таситронов является невозможность гашения больших токов и получения малого времени гашения при практически приемлемой мощности. управления. Это связано с тем, что возникающий в процессе высокоскоростного гашения больших разрядных токов ионный сеточный ток, соизмеримый с разрядным током, создает на выходном сопротивлении источника управляющих сигналов по. 894813

55 ложительное падение напряжения, полностью или частично компенсирующее отрицательное смешение на сетке. В результате этого разряд или совсем не гасится, или гасится с большим запаздыванием и эа длительное время. Высокоскоростное гашение возможно только при очень малом выходном сопротивлении источника сиг- . налов, но при этом мощность управления делается соизмеримой с выходной мощностью прибора, использование которого в таком режиме становится нецелесообразным.

Кроме того, недостатками таситрона являются большая мощность канала и большое время готовности, а также значительная средняя мощность управления в режиме малой скважности. Поскольку длительность, и в значительной степени форма, выходного импульса определяется длительностью и формой управляющего импульса, возникает необходимость в дополнительном блоке для формирования длительности управляющего импульса. В таситроне весьма значительны стартовые и финишные потери и перенапряжения на сетке в период формирования разряда, которые создают опасность пробоя полупроводниковых приборов в подмодуляторе ..

Цель изобретения — увеличение коммутируемого прибором тока при одновременном уменьшении времени гашения разряда, мощности управления и запаздывания,а также получение независимости длительности выходных импульсов от длительности и формы управляющих сигналов, кроме того, значительное уменьшение времени готовности мощности накала и исключение перенапряжений в цепях управления прибором.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство введены дополнительный анод и дополнительная сетка, расположенная между катодом н дополнительным анодом и соединенная с клеммой для подключения источника

r.::. åãî сигнала, причем дополнительный анод соединен через емкостный накопитель энергии с p ïpàíïÿþùåé сеткой, а последняя соединена через элемент электрической развязки с

"«ëîMMîé для подключения источника включаю щего сигнала.

Катод прибора выполнен полым, с одного торца которого расположены управляющая сетка и анод, а с другого торца-соответственно дополнительная сетка и дополнительный анод.

Элементом электрической развязки в цепи управляющей сетки служит резистор.

В таком приборе емкостной накопитель энергии служит импульсным источником сеточного запирающего напряжения н отрицательным полюсом соединен с управляющей сеткой прибора, а положительным — с дополнительным анодом. Это запирающее напряжение при1О

15 яо

4 кладывается к управляющей сетке относительно плазмы, созданной основным разрядным током, в момент поступления на дополнительную сетку гасящего сигнала, задержанного на требуемое время относительно включающего сигнала, причем в качестве коммутирующего элемента используется та же, плазма основного разряда.

Возникающий при этом очень большой ионный ток управляющей сетки не уменьшает приложенного к ней запирающего напряжения, поскольку управляющая сетка прибора и дополнительный анод, приходящий в этот момент в контакт с газоразрядной плазмой, представляют собой как бы двойной зонд, погруженный в плазму основного разряда. При этом емкостной накопитель энергии (конденсатор), включенный между управляющей сеткой и дополнительным анодом служит импульсным источником питания двойного зонда. Вместо емкостного накопителя энергии может быть использован источник напряжения с малым динамическим сопротивлением, подключенный соответствующей полярностью к управляющей сетке и дополнительному аноду.

В соответствии с теорией двойного зонда нрактическн все напряжение источника нитання надает в ионной оболочке отрицательного электрода управляющей сетки прибора, если динамическое сопротивление источника питания зонда мало. В этом случае обеспечивается гашение очень больших разрядных токов при условии подачи соответствующего напряжения на накопитель энергии (конденсатор).

Уменьшение времени гашения сильноточного разряда и запаздывания гашения обусловлено тем, что в предлагаемом приборе плазма, созданная основным разрядным током, по существу служит плазменным катодом для дополнительного анодно-сеточного узла. Благодаря этому резко уменьшается время формирования разряда в цепи дополнительного анода и запирающее напряжение прикладывается к управляющей сетке с очень высокой скоростью и практически без запаздьвания относительно сигнала гашения.

Элемент развязки, включенный между управляющей сеткой и источником управляющих сигналов, препятствует прохождению мощного отрицательного гасящего импульса, вырабатываемого прибором в цепь источника управляющих сигналов, уменьшает мощность, затрачиваемую источником сигнала на управление (она расходуется только на зажигание разряда и оказывается очень незначительной), а также позволяет управляющей сетке приобрести в плазме "плавающий" потенциал после поступления на нее первого включающего сигнала н зажигания разряда. Это обеспечивает прово5 894813 Ь. дящее состояние прибора до пос ления туп ения на держивается постоянньгй подготовительный раздополнительную сетку второго (гасящего) сиг- - ряд в полом катоде. нала, задержанного относительно первого сигна- Подготовительный разряд способствует ла на время, оп еделяемое т еб ем " р уемой длитель- уменьшению амплитуды управляющих сигналов ностью коммутирующего тока. Тем самым м самым ч и препятствует возникновению перенапряжений обеспечивается независимость длительности вы- на управ на управляющеи сетке 2, которые в тиратроходных импульсов от длительности и формы . нах и таситронах достигают нескольких килоуправляющих сигналов. вольт и могут вывести из строя полупроводНа фиг. 1 представлены один из вариантов никовые приборы в цепи управления. выполнения прибора и схема его включения to Необходимо подчеркнуть, что емкостной в импульсном устройстве с индуктивным нако- накопитель 6 энергии (конденсатор) и элемент пителем энергии; на фиг. 2 — качественные 7 развязки, несмотря на zo, что они находятся диаграммы токов и напряжений, поясняющих вне оболочки 13 прибора, входят в состав работу прибора в схеме. прибора, так как без этих элементов в любой функционально прибор состоит иэ двух tS иэ схем включения невозможно получение по-частеи: коммутирующей части и гасящего уст- ложительного эффекта. Эти элементы можно ройства. Разместить, например, в цоколе прибора.

Коммутирующая часть прибора, представля- . Схема на фиг. 1 содержит источники 14 ющая собой по существу тиратрон, содержит . и 15 анодного питания с напРяжением соотанод 1, управляющую сеТКу 2 и катод 3. Z0 ветственно Е 1 и Е Э. велич ной о сотен а

Электроды 2 и 3 ограничивают область обра- вольт до 1 — 2 кВ, которые могут быть зазования сеточно-катодной плазмы основного менены одним общим источником, и источник разряда.

16 отрицательного смещения с напряжением

В области этой плазмы размещено гася- смещения Есм. Схема содержит также индукщее устройство, содержащее дополнительную 2S тивный накопитель 17 энеРгии, Разделительные сетку 4 и анод 5 и емкостной накопитель 6 . конденсатоРы 18 — 20, сопРотивление 21 нагРУзэнергии, связывающий анод с управляющей ки, сопротивления 22, 23 (десятки килоом) сеткой 2, которая в свою очередь связана че- Утечки, заРЯдное сопРотивление 24 (5 — 10 кОм), рез резистор 7 развязки с источником 3 вклю- балластное сопРотивление 25, огРаничивающее чающего сигнала. Дополнительная сетка 4 свя- 30 ток подготовительного РазрЯда в цепи поджизана с источником 9 гасящего сигнала. тающего электрода 12 на уровне нескольких

Катод 3 может быть выполнен в виде по- миллиампер лого холодного катода. Катод может содержать Для разогрева вспомогательного катода 10 вспомогательный маломощный прямонакальный и генератора 11 водорода используются общий полукатод 10 с активным покрытием, кото- зз или Раздельный источники накальных напРЯжерый служит активатором полого катода. В та. ннй (не показаны). При включении всех питакой катодной системе основная доля тока ющих напряжений и после выделения водорообеспечивается полым холодным катодом, да генератором 11 водорода внутри полого а время готовности определяется временем ра- катода между вспомогательным катодом 10 зогрева вспомогательного термокатода, которое у0 и поджигающим электродом 12 зажигается подсоставляет доли единицы секунд, т.е. достаточ- готовительный разряд с постоянным током подготовки около 6 — 10 мА и напряжением

Остаточное напряжение (напряжение горе- горения 30 — 50 В. Момент зажигания подготония) снижается примерно на порядок по срав- вительного разряда является моментом готовнению с прибором, в котором используется ности прибора к работе. В приборах беэ генетолько холодный катод, и составляет 80 — 1508. Ратора водорода время готовности составляет около секунды и определяется вспомогательПрибор наполнен водородом и может быть ным термокатодом. При использовании и ям ользовании прямоснабжен прямоканальным генератором 11 во- . канального генератора водорода время готовдорода с малым временем готовности. Воэмож- ности возрастает до нескольких секунд.

$0 но использование и инертных газов. Анод 1 и сетку 2 коммутирующей части

Давление газа в приборе и расстояния меж- прибора будем в дальнейшем называть "перду анодами 1 и 5 и соответствующими сетка- вым" анодом и "первой" сеткой, а анод 5 ми 2 и 4 устанавливают в таких пределах, и сетку 4, функционально относящихся к гачтобы средняя длина свободного пробега элект- сящему устройству, будем называть "вторым" ронов была соизмерима с этими расстояниями анодом и "второй" сеткой. и размерами ячеек сеток. В исходном состоянии прибор заперт по

Полый катод может содержать поджигаю- первой и второй сеткам отрицательным смещеший электрод 12, с помощью которого под- нием Ес„величиной 100 — 200 В, а первый!

Еа1 — Ь0

1н

1 (3) где AU — остаточное напряжение на приборе (напряжение горения);

R зяр активное сопротивление в цепи про20 текания. тока i 1, включающей внутреннее сопротивление источника 14, активное сопротивление катушки 17 индуктивности и динамическое сопротивление плазмы;

25 — значение индуктивности накопителя

17 энергии.

Обычно условие (2) выполняется.

Благодаря наличию постоянного подготовительного разряда, малому значению Ь0(-100В) и сравнительно высокому рабочему давлению (до 09 Top), включение коммутирующей части прибора происходит на фронте сигнала

Овх1, т.е. практически без запаздывания и с высокой временной стабильностью, После зажигания разряда в цепи первого анода первая сетка, вследствие относительно большого сопротивления развязки 7 (несколько кОм) приобретает в плазме разряда потенциал, близкий к "плавающему" и не нарушающий токопрохождение сквозь сстку, Благо- 40 даря этому, входной сигнал U»1 уже не оказывает никакого действия на разрядный ток.

Поэтому сигнал U,,по длительности может быть значительно короче токового импульса i, (см, ди- аграммы на фиг. 2, где индексами g1 и g3 обозначены токи и напряжения, относящиеся к сеточным цепям, а индексом С4 — абсолютная величина напряжения на конденсаторе 6).

Во время прохождения разрядного тока во всем объеме полого катода образуется

50 плазма. При этом вторая сетка до прихода на нее сигнала гашения U „, должна экранировать второй анод от этой плазмы, что обеспечивается отрицательным потенциалом на сетке относительно плазмь1. 55

В момент поступления положительного сигнала 0вх на вторую сетку возникает контакт вхз второго анода с плазмой основного разряда, 7

894813 и торой аноды имеют потенциалы Еа и Е

1 соответствующие источникам 14 и 15 питания, Устройство работает следующим образом.

С поступлением на первую сетку положительного импульса U»< амплитудой в несколько сотен вольт происходит включение коммутирующей части прибора, и между первым анодом и катодным узлом 3 и 10 возникает разряд с током за

10 а = 11 — ехр(— — Р— t) j (1)

1 ВЗВАР L1

11 или,если t (< (2) зар

8 заполняющей полый катод. Наличие полностью сформированной плазмы в полом катоде и сравнительно высокий положительный потенциал на втором аноде (до 1 — 2 кВ), способствует тому, что этот контакт осуществляется за доли единицы наносекунды. В итоге, положительная обкладка конденсатора 6, соединенная со вторым анодом, приобретает потенциал плазмы. В то же время к первой сетке, соединенной с отрицательной обкладкой этого же конденсатора, прикладывается относительно плазмы вся разность потенциалов (Еа + Е 1ч1 ), до которой бьш заряжен конденсатор 6 в исходном состоянии, Если, например, Е =1500В, а Е,м = — 200В, то к первой сетке относительно плазмы прикладывается потенциал — 1700В, Практически одновременно, как результат приложения этого потенциала, в цепи первой сетки возникает очень большой сеточный ток, который имеет направление ионного тока и по величине может достигать половины разрядного тока и более. Этот сеточный ток, который в таситронах и тиратронах препятствует гашению сильноточного разряда, в рассматриваемом приборе протекает по замкнутой цепи "плазма— первая сетка-конденсатор 6-второй анод-плазма" и по рассмотренным выше причинам практически не .уменьшает приложенного к сетке высокого отрицательного относительно плазмы потенциала.

В итоге, если импульсно приложенный к первой сетке высокий отрицательный потенциал, величину которого можно регулировать с помощью источников 15 и 16, оказывается достаточным для гашения проходящего сквозь первую сетку разрядного тока, ток в цепи первого анода резко прекращается и на сопротивлении нагрузки 21 возникает импульс напряжения с амплитудой за

U»,„= L1 р. (1 — ехр(— — t )), (4)

t m а где = — з — — t — значение назар зар

1 рядного тока в индуктивности 17 (L1), и, соответственно, в цепи первого анода к моменту времени t предшествующему гашению зар р зряд t3àð временной сдвиг между управляющими сигналами U u U (см. диВХ1 вхз аграммы на фиг. 2); I,. определяется иэ (3) при подстановке t = t; t — врезар гаш мя гашения разряда, соизмеримое со временем нарастания отрицательного напряжения на первой сетке и составляющее единицы-десятки нс;

R1 — величина сопротивления 21 нагрузки, L

Если R >) t, то выражение (4) упрощается и принимает вид: (5) 894813 10

Длительность этих импульсов будет, равна двойному времени пробега электромагнитной волны вдоль линии (кабеля).

Схему (фиг. 1) легко преобразовать в устройство с частичным разрядом накопительной емкости, если значительно увеличить индуктивность L< или заменить ее зарядным сопротивлением, а разделительный конденсатор 18 превратить в накопительный, увеличив его емкость и пробивное напряжение, Целесообразно также увеличить напряжение питания Е иса точника 14, так как им определяется амплитуда напряжения выходных импульсов. Предлагаемый прибор будет эффективно работать и в этом устройстве, формируя на нагрузочном сопротивлении 21 прямоугольные импульсы тока и напряжения с длительностью, равной временной задержке сигнала U относительно 0 вх вх

Испытания данного прибора впервые обнаружили возможность гашения газовых разрядов с токами в сотни ампер за единицы наносекунд. Учитывая это уникальное свойство прибора, наиболее эффективным применением прибора будет его использование в качестве ключа индуктивного накопителя энергии.

Импульсные устройства на основе индуктивного накопителя энергии обладают целым рядом преимуществ по сравнению с устройствами с емкостными накопителями в силу того, что плотность магнитной энергии в индуктивном накопителе ограничивается только механической прочностью катушки и на несколько порядков превосходит плотность электрической энергии в конденсаторе, которая ограничена электрической прочностью диэлектрика.

В частности, на основе индуктивного накопителя можно создать малогабаритные генераторы сильноточных высоковольтных импульсов с наносекундной длительностью фронтов, которые могут найти самое широкое применение. т.е. при быстром гашении разряда весь ток, протекающий через прибор, направляется в на- грузку, Если Lf = 50 мкГн; R) = 200 Ом, I, = 200 А и 1 = 20 нс, то — 1 >) т гаш гаш 5

При питающем напряжении Е = 1000 В а1 и Ь0 = 100 В из (3) можно найти время заряда 1, индуктивности 1 1 до тока i

-Р

= 200 А. Расчет дает t = 11 мкс, зар

Итак, быстрое приложение к первой сетке высокого отрицательного потенциала привело к возникновению сеточного тока i сравнимод > го с разрядным током i и последующему оба рыву протекавшего сквозь сетку разрядного тоKR.

Исключительно важным для реализации предлагаемого изобретения является тот факт, что сеточный ток управляющей (первой) сетки i эо а имеет очень большую величину лишь в том слу-. чае, когда к сетке приложен высокий отрицательный потенциал, и сквозь сетку протекает значительный разрядный ток. Но как только разрядный ток сквозь сетку обрывается, ток первой 25 сетки также спадает почти до нуля, Поскольку ток первой сетки протекает через гасящее устройство, с гашением основного разряда резко уменьшается и ток в цепи гася30 щего устройства i . Остающийся в цепи гасяа2 щего устройства незначительный ток i а,аМ (сотни миллиампер), определяемый в основном напряжением Е источника, 15, сопротивлением 7 развязки и выходным сопротивлением источника 8 включающего сигнала полностью прекращается с окончанием управляющего сигнала 0 „(фиг. 2). На этом завершается рабочий цикл прибора.

Таким образом, благодаря введению в прибор гасящего устройства с накопителем 6 энергии и элементом 7 развязки, процесс гашения сильноточного разряда с током в сотни ампер при напряжении в десятки киловольт сводится в конечном итоге к гашению слаботочного разряда в гасящем устройстве с током в сотни миллиампер (i ) при напряжении в сотни вольт-единицы киловольт, создаваемом источником 15.

Если накопительную индуктивность 17 (L ) заменить короткозамкнутой формующей лини- 50 ей (или кабелем), то в схеме (фиг, I) возможно формирование прямоугольных высоковольтных импульсов при низком питающем напряжении Еа источника 14, При R, = р— волновому сопротивлению линии (кабеля), в соответствии с (5) получим

Однако импульсные устройства на основе индуктивного накопителя практически нигде не используются из-за отсутствия эффективных ключей, способных работать в этих схемах.

Эксплуатация предлагаемого прибора в малогабаритном генераторе мощных высоковольтных импульсов на основе индуктивного накопителя энергии показала возможность получения следующих параметров: разрывная мощность

5-10 МВт; коммутируемые токи сотни ампер (в металлокерамических образцах — до 1 кА); скорости выключения тока 10 — 10" А/с; импульсной мощности управления 50 — 150 Вт; минимального временного интервала между последующими импульсами 3 — 5 мкс.

Получение подобных параметров в этих же о

Вых Зар условиях с помощью существуюших классов приборов невозможно.

11

8948)3 12

Предлагаемый прибор может найти приме- сящего сигнала, причем дополнительный анод нение в качестве согласующего элемента устрой- соединен через емкостной накопитель энергии ства на полупроводниковых приборах с мощ- с управляющей сеткой, а последняя соединена ными выходными электровакуумными и газо- через элемент электрической развязки с клемразрядными приборами и в высокоэкономичной 5 . мой для подключения источника включающего аппаратуре с малым временем готовности. сигнала.

2. Прибор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что катод прибора выполнен полым, Формула изобретения с одного топца которого расположены управляющая сетка и анод, а с другого торца — соотз ядный прибор с

1. Импульсный гаэоразрядный п и р с ветственно дополнительная сетка и дополнительдвухсторонним управлением, содержащий катод, анод и управляющую сетку, о т л и ч а ю- 3. Прибор по по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющии с я тем, что, с целью м что с целью увеличения ком- шийся тем, что элементом электричесмутируемого тока при одновременном уменьше- 15 KoR развязки в цепи управляющей сетки слунии времени гашения разряда, мощности управ- жит резистор. ления и запаздывания гашения, а также полу- Источники информации, чения независимости длительности выходных им- принятые во внимание при экспертизе пульсов от длительности и формы управляющих 1. Ворончев Т. А. Импульсные тиратроны. сигналов, в него введены дополнительный анод М., "Советское радио", 1958. и дополнительная сетка, расположенная между 2. Герен А. И. Мощные металлокерамическатодом и дополнительным анодом и соединен- кие таситроны. — "Радиотехника", 1973, Р 3 ная с клеммой для подключения источника га- (прототип).

894813

<а> редактор В. Пилипенко

Заказ 11501/83 Тираж 787 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раутпская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ел

Иа аг

Ид

Еи

Фиг. Г

Составитель Т. Лакомкина

Техред З.Фанта Корректор Г. Назарова