Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

230 Глава

12.

Разрядники низкого давления

коммутации /

будет определяться свойствами разряда по торцу диэлектрика и со-

ставит < 10~

с [1, 2]. Во-вторых, стабилизируется время задержки запуска разрядни-

ка, так как в катодном контакте присутствуют тройные точки металл-диэлектрик-ва-

куум, которые, как мы показали выше, приводят к существенно более стабильному

времени появления разряда. Наконец, в-третьих, значительно снижается амплитуда

импульса напряжения, при которой инициируется разряд.

Итак, одним из способов управления вакуумными разрядниками является уве-

личение электрического поля, как и в газовом разряде. Поэтому управляемые ваку-

умные разрядники могут быть двухэлектродными, трехэлектродными или после-

довательными многоэлектродными. Кроме того, существуют вакуумные разрядни-

ки, управляемые плазмой, лучом лазера, электронным пучком и

т.д.

Однако, как мы

показали выше (см. главу 5), основным во всех этих методах является создание

плазмы на катоде и ее взаимодействие с катодной поверхностью. Наиболее про-

стым механизмом инициирования вакуумного пробоя плазмой является зарядка

ионами плазмы диэлектрических пленок и включений, а затем пробой их. В этом

случае время задержки пробоя определяется из формулы (5.12) /

« А/П

, где

У[

- концентрация и скорость ионов на катоде. Если пленка имеет диэлектрическую

проницаемость е « 2 и пробивную напряженность Е- 10

см/с, то А « 10

Известно много типов вакуумных разрядников с запуском плазмой на катоде.

Например, Бриш и др. [3] разработали миниатюрные вакуумные разрядники типа

ВИР. В этих разрядниках пробой основного промежутка инициируется вспомога-

тельным пробоем по поверхности слюды, которая разделяет электроды поджи-

гающего промежутка. Применение этой изоляционной прокладки позволяет сни-

зить пробивное напряжение поджигающего промежутка, а тем самым и амплитуду

пускового импульса. Разрядники типа ВИР имеют большую область рабочих на-

пряжений. Например, ВИР-7 надежно работает при изменении рабочего напряже-

ния от 10 кВ до 100 В. Время запуска разрядника и его стабильность зависят от

конструкции разрядника и крутизны фронта пускового импульса, лучшей оказа-

лась коаксиальная конструкция (рис. 1). При амплитуде пускового импульса 2,2 кВ и

крутизне фронта

225

кВ/мкс время запуска около 3-Ю

-8

с при разбросе менее МО

-8

Несколько типов управляемых вакуумных разрядников было описано в работах

[4, 5]. Например, в первой из них используется девять последовательно соединен-

ных промежутков из бронзовых шайб с отверстием посредине, которые изолиро-

ваны друг от друга тефлоновыми кольцами. Плазма создается при разряде по

У - управляющий электрод; Д - диэлектрическая прокладка (слюда)

12.2 Импульсные водородные тиратроны

231

поверхности стекла от пускового напряжения. Эта плазма проникает внутрь от-

верстий и вызывает разряд во всех девяти промежутках. Такой разрядник комму-

тирует ток в

МА со временем задержки 1,5 мкс. В [6] использован плазменный

источник с разрядом по поверхности ВаТЮ

в системе типа тригатрон. В этом

случае для запуска разрядника достаточно иметь амплитуду импульса напряже-

ния не более

кВ.

Важное место среди вакуумных разрядников занимают приборы с жидким

ртутным катодом - игнитроны. При пропускаемом за импульс заряде порядка

1 кулон они имеют долговечность на два-три порядка большую, чем вакуумные

разрядники с холодным твердым катодом. Ртутный катод, являющийся самовос-

станавливающимся и не подверженным эрозии, обусловливает как уникальные

качества разрядников (рекордно большой срок службы при значениях коммути-

руемого заряда до нескольких сотен кулон и токах до 500 кА), так и серьезные не-

достатки - малый диапазон рабочих температур, строгое ограничение в простран-

ственной ориентации разрядника, невозможность работы в передвижных установ-

ках и в условиях невесомости, недостаточно высокую надежность прибора и,

наконец, токсичность ртути, требующей особых условий при производстве прибо-

ров, осторожного обращения с приборами при эксплуатации и специальных

предприятий по регенерации.

Был исследован ряд вакуумных разрядников с запуском от луча лазера [7]. Луч

лазера фокусируется на катод и создает плазму, которая, как и в предыдущих слу-

чаях, инициирует ВЭЭ и вакуумный разряд. При диапазоне рабочих напряжений

5^-50 кВ время задержки пробоя меняется в пределах 12-И5 не [8]. В [9] исследо-

ван разрядник с длиной промежутка

- 5 мм. При изменении вакуума от 210"

до

310

-6

мм рт. ст. авторы не заметили какой-либо разницы во временных характери-

стиках разрядника. Время задержки разряда составляло 7^-9 не. При воздействии

лазерного импульса на катод (к = 0,69 мкм, = 30 не,

= 1,2 см,

11=

8 кВ) время

коммутации не менялось при изменении плотности энергии на катоде от 0,1 до

1,5 Дж/см

и составило -45 не [7]. При этом время задержки уменьшалось от 120

до 50 не. Отношение

с!/1

» 2,7-10

см/с. Это несколько больше скорости разлета

катодной плазмы, что связано со встречным движением анодной плазмы. При воз-

действии лазерного луча на анод пороговая плотность энергии, при которой воз-

буждается вакуумный разряд, увеличивается более чем на порядок, а время зна-

чительно уменьшается - почти на два порядка - и составляет 0,8 не при зазоре

0,5 мм и напряжении 15 кВ. Более подробное обсуждение физики лазерного под-

жига в вакуумных разрядниках дано в монографиях [7, 10] и обзоре Томпсона [11].

§ 12.2 Импульсные водородные тиратроны

Классический импульсный водородный тиратрон (ИВТ) относится к управляе-

мым газонаполненным приборам с накаленным катодом, работающим в области

давлений примерно 10-50 Па, соответствующих левой ветви кривой Пашена [12].

Схематическое изображение конструкции прибора со стеклянной оболочкой пред-

ставлено на рис. 2. Основными элементами конструкции являются анод 2, сеточ-

ный диск с отверстиями 3 и накаленный катод, который обычно выполняется по-

лым (в данном случае эмитирующей поверхностью катода является внутренняя

232 Глава

12. Разрядники низкого давления

поверхность цилиндра 6). В исходном состоянии к аноду прикладывается положи-

тельное высокое напряжение, а сетка соединена с катодом через сопротивление

порядка

кОм. В результате сетка и катод оказываются под одним потенциалом, а

все падение напряжения сосредоточено между анодом и сеткой, типичное расстоя-

ние между которыми

с1

= 3-4 мм. Отверстия сетки имеют размер, соизмеримый

с б/, и толщина сетки выбирается такой, чтобы потенциал анода был экранирован

от катодно-сеточной камеры. Кроме того, для этого дополнительно используется

экранирующий диск 4, обычно соединенный с сеткой. В целом описанные меры

препятствуют попаданию потока электронов через отверстия в основной промежу-

ток прибора и случайному инициированию разряда

основном промежутке.

Сетка и экран устроены таким образом, что полностью охватывают катод и

анодный диск, так что предотвращается развитие разряда по длинным путям, и

электрическая прочность прибора определяется зазором анод-сетка. Запуск тира-

трона осуществляется при приложении импульса напряжения положительной по-

лярности к промежутку сетка-катод. Поскольку длина зазора здесь выбирается

достаточно большой, чтобы облегчить зажигание разряда, и в промежутке имеется

большое число инициирующих электронов от накаленного катода, то за время ме-

нее 100 не развивается разряд с током, определяемым цепью запуска прибора. Су-

щественным является то, что система электродов представляет собой полый нака-

ленный катод и полый анод и в ней горит разряд с отрицательным анодным паде-

нием потенциала. Плазма разряда заполняет анодную полость, проникает в щель

между экраном 4 и сеточным диском 3, а также в отверстия сетки. По существу,

на этой стадии запуска возникает ситуация, когда диск 3 с отверстиями начинает

Рис.

12.2.

Схематический чертеж импульсного тиратрона со стеклянной оболочкой.

- ввод

анода, 2 - анод, 3 - диск сетки, 4 - экранирующий диск, 5 - верхний экран катода, 6 - эми-

тирующая поверхность катода,

- подогреватель, 8 - тепловой экран катода, 9 - экран

12.2 Импульсные водородные тиратроны

233

играть роль плазменного катода по отношению к основному зазору. Электронный

поток извлекается из отверстий сетки в основной зазор, обеспечивая инициирова-

ние разряда в основном зазоре д.

Диапазон рабочих давлений в тиратроне соответствует условиям, когда длина

свободного пробега электрона для реакции ионизации превышает д. Тем не менее

газовая среда играет важную роль в инициировании и поддержании разряда. Здесь

имеет место промежуточный случай между «чисто» вакуумным разрядом и клас-

сическим газовым разрядом, в котором механизм пробоя связан с развитием элек-

тронных лавин, инициируемых одиночными электронами. Для развития пробоя

необходим существенный начальный ток электронов с катода, близкий по величи-

не к предельному электронному току вакуумного диода. Идея механизма пробоя в

таких условиях была высказана Ленгмюром. Важным понятием для этих условий

является так называемая критическая концентрация нейтральных частиц в зазо-

ре или критическое давление газа

где а, - среднее сечение ионизации нейтральных частиц под действием электронно-

го пучка, стартующего с катода, т/М- отношение массы электрона к массе иона.

Среднее число ионизаций, производимое единичным электроном в зазоре,

ИкрО/^ « 1. Если концентрация нейтральных частиц и

< то газовый разряд не

может возникать, и зазор будет представлять собой вакуумный электронный ди-

од с ионной компенсацией. Для условий тиратрона и

> и основным фактором

в развитии разряда становится избыточный объемный заряд положительных ио-

нов, которые накапливаются в зазоре со временем. Это происходит потому, что

часть электронов из полного потока все же вступает в реакцию ионизации, а время

ухода ионов из зазора и существенно больше, чем время ухода электронов. Тогда

электрическое поле вдоль промежутка искажается таким образом, что распределе-

ние потенциала становится немонотонным. Вблизи анода возникает область горба

потенциала, являющаяся ловушкой для электронов. Благодаря осциллирующему

движению электронов в этой области (подобно осцилляциям в полом катоде тлею-

щего разряда) обеспечивается эффективная генерация плазмы в прианодной облас-

ти и распространение фронта плазмы в сторону катода (сетки). Характерное время

возникновения области горба потенциала имеет порядок и [13]. При приближении

фронта плазмы к сетке на ней возникает импульсный потенциал, поскольку потен-

циал анода переносится в зазор

при распространении фронта ионизации. Далее

плазма генерируется в отверстиях сетки, происходит развитие сильноточного раз-

ряда в промежутке сетка-катод и процесс коммутации завершается. Возникающий

сильноточный разряд с низким падением напряжения между катодом и анодом

можно классифицировать как дугу с полым накаленным катодом. Сетка здесь ока-

зывается под потенциалом, практически равным плавающему. Это значит, что вблизи

внутренней поверхности сеточных отверстий имеется нескомпенсированный объем-

ный заряд положительных ионов, обеспечивающий существование области отрица-

тельного падения потенциала длиной /« Д где Э - размер отверстий сетки. Вели-

чина отрицательного падения потенциала V и длина / самосогласованно устанавли-

ваются так, чтобы хаотический ток электронов из плазмы, преодолевающий

(12.1)

234 Глава

12. Разрядники низкого давления

потенциальный барьер и ионов, генерируемых в области отверстия, были рав-

ны друг другу (полный ток на сетку близок к нулю).

Одним из важных факторов, обеспечивающих возможность работы тиратрона с

высокой частотой следования импульсов, является быстрая деионизация проме-

жутков анод-сетка и сетка-катод в паузе между импульсами. В современных силь-

ноточных приборах степень ионизации газа составляет до 10% (концентрация

плазмы порядка 10

см

На начальных этапах деионизация обусловлена процес-

сом рекомбинации, а по мере уменьшения концентрации заметную роль играет

процесс амбиполярной диффузии на стенки и ухода заряженных частиц под дейст-

вием электрического поля. В связи с этим для уменьшения времени деионизации

рекомендуется использовать электрические схемы, обеспечивающие небольшое

(до сотен вольт) падение напряжения между сеткой и катодом и сеткой и анодом.

Для этой цели в приборы также иногда вводятся дополнительные электроды, спо-

собствующие рассасыванию зарядов на поздних стадиях распада плазмы.

Управляемые тиратроны известны с 20-х годов XX в. Эти приборы наполня-

лись газами с низким потенциалом ионизации (Аг, Кг, Хе) и ртутью. В их конст-

рукциях катод слабо экранировался от анодно-сеточной камеры, и отпирание

происходило при уменьшении отрицательного потенциала сетки, т.е. управление

имело потенциальный характер. Такие тиратроны с накаленным катодом исполь-

зовались в низкочастотных выпрямительных и инверторных схемах, а с холод-

ным катодом - в качестве маломощных усилителей, индикаторов, переключате-

лей логических схем. Однако с появлением более надежных и долговечных твер-

дотельных приборов - светодиодов, транзисторов, тиристоров - их выпуск был

прекращен.

Разработка и начало промышленного выпуска импульсных водородных тира-

тронов (ИВТ), использующих в качестве рабочего газа водород или дейтерий,

были связаны с развитием радиолокации, где они служили в качестве ключевых

элементов для модуляции в магнетронах потока микроволнового излучения.

Сильная экранировка катода от высокого напряжения анода обусловливает отпи-

рание тиратрона только при появлении в катодно-сеточной камере плазмы с дос-

таточно высокой плотностью, что позволяет характеризовать ИВТ как приборы с

токовым управлением.

Тиратрон располагается в диэлектрическом корпусе из боросиликатного стекла

или алюмооксидной керамики, которые герметично спаиваются с металлическими

электродами и выводами. Металлокерамика позволяет получить лучшие условия

охлаждения электродов, значительно большие рабочие напряжения, большую ме-

ханическую прочность, при существенно меньших габаритах. Место спая (так на-

зываемое «тройное соединение» вакуум-диэлектрик-металл) представляет собой

наиболее ответственный элемент оболочки. В этом соединении электрическое поле

усиливается, и велика вероятность возникновения эмиссии и инициирования раз-

ряда с места контакта. Поэтому его защищают экранами, либо конструируют элек-

троды таким образом, чтобы снизить в месте спая напряженность поля.

Электропрочность внутренней поверхности оболочки, находящейся в ваку-

уме, выше, чем наружной, часто находящейся в атмосферных условиях. В связи с

этим длина оболочки определяется внешней средой и значением необходимых

рабочих напряжений. ИВТ с анодными напряжениями до 25 кВ конструируются

12.2 Импульсные водородные тиратроны

235

для работы в открытом воздухе. Приборы с анодными напряжениями свыше

50 кВ большей частью работают в трансформаторном масле, обладающем высо-

кой электропрочностью, что позволяет существенно снизить габариты и вес при-

боров.

Единичный хорошо тренированный высоковольтный промежуток в тиратроне

может выдерживать напряжение до 40 кВ. Однако при длительной работе его

электропрочность снижается. Поэтому гарантия дается обычно только на напря-

жение максимум до 30-35 кВ. Для повышения рабочих напряжений ИВТ приме-

няется секционирование. Количество секций (градиентных электродов) в совре-

менных металлокерамических ИВТ доходит до 8, что позволяет им работать при

напряжениях более 200 кВ.

Одним из основных элементов ИВТ является катодный узел. Он состоит из нака-

ленного термоэмиссионного катода и высокотемпературного подогревателя. Наибо-

лее широко распространен в ИВТ оксидный катод, обладающий высокой экономич-

ностью и обеспечивающий плотность тока до 20 А/см

. В мощных ИВТ распростра-

нены диспенсерные катоды, состоящие из металлической матрицы (\У или \У-Мо), в

порах и на поверхности которой находится активное вещество на основе различных

окислов, обладающее высокими термоэмиссионными свойствами. Температуры ка-

тодов в ИВТ составляют 700-5-1000 °С.

Долговечность катода ограничивается испарением активного вещества, раз-

рушением поверхности ионной бомбардировкой, отравлением выделяющимися

из электродов газами. На снижение срока службы оказывают сильное влияние

колебания температуры катода (например, при изменении мощности накала) и

уменьшение давления водорода, приводящее к существенному росту потерь

мощности в разряде.

Ион водорода обладает наибольшей подвижностью, что обеспечивает малое

время деионизации, а малая масса ионов - меньшее, чем в других газах, разру-

шение катода в разряде. Выбор водорода обеспечивает приборам высокие час-

тотные свойства, а существующие технические решения позволяют иметь его

запас в специальных нагреваемых резервуарах (генераторах водорода) и попол-

нять естественную убыль при поглощении материалами электродов в процессе

работы.

Сетка ИВТ играет роль управляющего и высоковольтного электрода и должна

обеспечивать как прохождение больших плотностей тока через свои отверстия,

так и надежное запирание в промежутках между импульсами. Температура сетки

сильно влияет на электрическую прочность ИВТ. Усиливают это влияние появ-

ляющиеся в период эксплуатации напыления активного вещества с термоэмисси-

онного катода, а также диэлектрические пленки, испаряемые при взаимодействии

дугового разряда с диэлектрической оболочкой и осаждаемые на поверхность

сетки. В связи с этим температура сетки должна ограничиваться на уровне

300-400°С облегчением режима работы или принудительным охлаждением.

В усовершенствованных конструкциях ИВТ используется дополнительная

сетка, которая расположена у катода. Это позволяет снизить потери энергии в

ИВТ, уменьшить /

и Д/

. На эту сетку подается постоянное или импульсное (с

опережением управляющего импульса 2-й сетки) напряжение. Постоянный ток

подготовительного разряда величиной 10-100 мА снижает время запаздывания

236 Глава

12. Разрядники низкого давления

до 100 не, а А(

до 1 не. При импульсном питании 1-й сетки током до 100 А

тиратрон СХ1599 обеспечивает сверхбыструю коммутацию в несколько нано-

секунд. Стандартные тиратроны обладают вентильными свойствами. В некото-

рых случаях, например при работе с осциллирующим током, требуется двусто-

ронняя проводимость. Такую проводимость можно получить, последовательно

соединяя аноды двух тиратронов. В двунаправленном ИВТ катоды имеются на

обеих сторонах прибора, что удобнее в эксплуатации, чем при использовании

двух тиратронов. Для этих же целей предназначены ИВТ с полым анодом, ко-

торый при быстром приложении обратного напряжения работает как катод,

сверхплотный разряд в нем возникает из остаточной плазмы. Эти приборы де-

шевле, чем двунаправленные, и используются в источниках питания мощных

лазеров. Для работы на частотах в десятки кГц, например в цепях питания ла-

зеров на парах металлов, необходимо иметь время восстановления электриче-

ской прочности порядка нескольких мкс. В анодно-сеточной камере, благодаря

ее малому объему, значительной площади поверхности электродов и наличию

небольшой разности потенциалов между ними, деионизация завершается на-

много быстрее, чем в катодно-сеточной. Поэтому частотные свойства ИВТ оп-

ределяются распадом плазмы в существенно большем объеме между катодом и

сеткой. С другой стороны, на получение максимальных значений частоты влия-

ет и температура электродов, увеличивающаяся с ростом частоты и потерь

мощности. Для ускорения деионизации к сетке прикладывают отрицательное

напряжение смещения 50-100 В, а для снижения температуры электродов при-

меняют интенсивное охлаждение.

В обычных тиратронах максимальная рабочая частота ограничена величиной

10 кГц. Для ее повышения современные ИВТ выполняют в тетродном и пентодном

исполнении. Конструкция тиратрона СХ1535 с тремя близкорасположенными изо-

лированными друг от друга сетками и хорошим теплоотводом во внешнюю среду

позволяет коммутировать импульсную мощность до 12,5 МВт при частоте до

80 кГц. В пространстве между сетками, имеющими различные потенциалы, плазма

быстро распадается, обеспечивая восстановление изолирующих свойств проме-

жутка за

мкс.

В таблице 1 даны характеристики импульсных тиратронов, выпускаемых в

России. Три первых типа - стеклянные, а три остальных - металлокерамиче-

ские. Как видно из таблицы, собственная индуктивность мощных импульсных

водородных тиратронов на напряжение в десятки киловольт и токи до единиц

килоампер составляет Ь « 0,3 мкГн. При малом внутреннем сопротивлении

формирующего устройства 2

< 10 Ом постоянная времени нарастания тока

/,/2

велика и не позволяет применять мощные тиратроны для формирования

высоковольтных наносекундных импульсов. В то же время, в отличие от других

газоразрядных приборов, тиратроны обладают целым рядом исключительно

ценных качеств, таких, как высокая надежность, простота запуска, большая

частота следования импульсов, возможность параллельного и последовательно-

го соединения и т.д. Для уменьшения фронта импульса водородных тиратронов

используют нелинейную индуктивность, например феррит. Подробнее об этом

будет сказано ниже.

§ 12.2

Импульсные водородные тиратроны

237

Таблица 12.1.

Тип тиратрона

Параметры

ТГИ-1

ТГИ-1 ТГИ-1

ТГИ-1

400/16

700/25 2500/35

1000/25 3000/50

500/16

Импульсный ток анода

номиналь-

ном режиме, А 400

700 2500

1000 3000

500

Импульсный ток анода в номиналь-

ном режиме при

- 100 не, А 10

2-10

7-10

3-10

10-Ю

Средний ток анода, А

0,5

1,0

2,5

0,5

Частота повторения, Гц

450

500 250

700

Наибольшее напряжение анода, кВ

25 35 25

Ток накала, А

20 55 20 87

Наибольшая амплитуда обратного

напряжения, кВ

5 5 5

3,2

Средняя выходная мощность, кВт

25 43

25 250

Нестабильность во времени развития

разряда при номинальном режиме, не

±1

±4

±1

- -

Фронт в номинальном режиме при

напряжении накала

нак

6,3

В, не

25 35 20 25 15

Минимальный фронт при

вак

= 6,3

В, не

12 15

15 10

Индуктивность тиратрона, мкГн

0,15 0,35

0,7 0,2

0,3

0,12

Характеристики некоторых металлокерамических тиратронов, разработанных в

США, приведены в таблице 2 и описаны в обзоре Кридона [14]. Характеристики

последнего из них относятся к кратковременному режиму: 30 секунд работы и

10 минут паузы. Последние результаты о теории и экспериментальных данных во-

дородных тиратронов можно найти в обзоре Пенетранте и Кунхардта [15].

Таблица 12.2.

Характеристики металлокерамических тиратронов

Тип трубки

Максимальное

напряжение, кВ

Максимальный ток, А

Средняя мощность, кВт

7621

8 100 4

8613

500

7322

1500

7390 33

2000

7890

40 2400

8479 50

5000

100

НУ-7

40 40000

1000

238 Глава

12. Разрядники низкого давления

§ 12.3 Псевдоискровые разрядники

Псевдоискровые разрядники (ПИР) - это разрядники низкого давления, кото-

рые, как и тиратроны, работают в левой ветви кривой Пашена, когда длина свобод-

ного пробега электрона X >

с1.

По конструктивным особенностям и по механизму

пробоя они также сходны с тиратронами. Отличительной особенностью является

то, что в ПИР используется полый холодный катод, внутри которого расположен

узел инициирования разряда. При сравнении конструкции тиратрона на рис. 2 и

типичной конструкции псевдоискрового разрядника можно заключить, что в раз-

ряднике роль полого катода выполняет сетка, на которую замыкается основной ток,

а катодный узел используется только для инициирования разряда. В связи с этим

ПИР иногда называют тиратроном с заземленной сеткой. Разные конструкции ПИР

имеют скорость роста тока

сШЖ

« 10

А/с, амплитуду импульса

до

200 кА, частоту

следования импульсов до 10

-И0

Гц, время задержки пуска /

порядка 100 не, не-

стабильность А/

в несколько наносекунд. Количество импульсов, которые выдер-

живают такие разрядники без разрушения, иногда превышает 10

Общий принцип инициирования разряда в приборе сводится к созданию плаз-

мы в катодной полости тем или иным способом. В результате вначале в системе

электродов зажигается импульсный плотный тлеющий разряд с холодным катодом.

Характеристики такого типа разряда были исследованы Клярфельдом с сотрудни-

ками [16]. По мере роста тока на последующих этапах своего развития плотный

тлеющий разряд трансформируется в так называемый сверхплотный тлеющий раз-

ряд и далее в дугу с контрагированной привязкой катодного пятна. Детальное опи-

сание .механизма развития пробоя в системе электродов псевдоискрового разряд-

ника представлено в обзоре [13].

Одни из первых ПИР были разработаны Лобовым и др. [17]. Схематическое

расположение электродов в разряднике показано на рис. 3. Давление газа и межэ-

лектродные расстояния в разряднике устанавливаются так, чтобы основной раз-

рядный промежуток А-К имел напряжение пробоя, находящееся на левой ветви

кривой Пашена, а напряжение поджигающего промежутка А-У около минимума.

До поступления пускового импульса между пусковым электродом У и катодом К

горит «дежурный» разряд с током 10 мкА. После прихода отрицательного пускового

Рис.

12.3.

Конструкция разрядника низкого давления. А -

анод; К

- катод;

- отверстие; У -

управляющий электрод

§12.3 Псевдоискровые разрядники 239

импульса на электрод У промежуток У-К пробивается; при этом электроны через

отверстие О в катоде устремляются к аноду и вызывают главный разряд между

анодом А и катодом К. Такие разрядники работают в диапазоне рабочих напряже-

ний 2-10 кВ при амплитуде пускового импульса 2 кВ и крутизне роста тока

А/с. Время задержки запуска составляет 20-40 не, рабочий ток до 5 кА.

Современные ПИР имеют различные системы получения инициирующей плаз-

мы, такие, как ультрафиолетовое облучение катодной полости, разряд по поверх-

ности диэлектрика, а также вспомогательный тлеющий разряд, аналогичный [17].

В развитии современных псевдоискровых разрядников сыграли роль работы [18-22].

Геометрия электродов такого разряда показана на рис. 4 [22]. Этот вид разряда

с полыми катодом и анодом используется в сильноточных частотных коммутато-

рах, которые по своим характеристикам превосходят тиратроны, а также в источ-

никах электронов. Особый интерес в этом виде разряда вызывает механизм эмис-

сии, обеспечивающий среднюю плотность тока « 10

А/см

Основные характеристики псевдоискр таковы. В промежутке между электро-

дами длина свободного пробега X > с1. После зажигания разряда в полом катоде

плазма проникает в зону отверстия, формируется электронный пучок с током

10-100 А. В этой стадии происходят десорбция и ионизация газа с поверхности, и

концентрация газа в области отверстия достигает 10

см

-3

На рис. 5 показан ПИР, в котором используют вспомогательный тлеющий

разряд. Он горит в системе электродов 8 и Р. Расстояние между электродами вы-

бирается достаточно большим, чтобы обеспечить зажигание разряда в области

левой ветви кривой Пашена при напряжениях 1-2 кВ. При приложении импульса

к электроду 9 происходит усиление тока между электродами 8 и 9 и, кроме

того, зажигается разряд по длинному пути между электродом 9 и катодной по-

лостью основного электрода 4. Таким образом, в полости ниже электрода 4 воз-

никает плазма и электроны извлекаются в основной разрядный промежуток,

инициируя его пробой. Подобные системы запуска позволяют достигать частоты

следования импульсов до 100 кГц. Однако их недостатком является то, что в

приборе постоянно горит вспомогательный тлеющий разряд.

Геометрия одного из современных ПИР с ультрафиолетовой подсветкой приве-

дена на рис. 6. Разрядник имеет полый катод и полый анод. Благодаря ультрафио-

летовому облучению инициируется разряд в полом катоде. Плазма этого разряда

проникает в зону отверстий на катоде. Диаметр канала свечения примерно равен

диаметру отверстия.

Сильноточный разряд с плотностью тока 10

А/см

формируется, когда свечение

плазмы, радиально расширяясь со скоростью 10

см/с, заполняет межэлектродный

I—

Полый катод

IУ///////ШЩ

Ш////^ У////////////М

Полый анод Изолятор

-о +

Рис.

12.4.

Основная схема псевдоискровой камеры