Способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента Советский патент 1991 года по МПК H01J17/00 

Изобретение относится к области управления током в сильноточных газоразрядных приборах, в частности к

области сильноточной высокотемпературной газовой электроники, и может быть использовано при создании газоразряд-

315634

ных приборов для различных областей промышленности, например при создании мощных высокотемпературных преобразователей тока для решения задач коммутации больших токов с малыми потерями, при создании мощных сильноточных высокотемпературных генераторов кило- герцовой частоты.

Целью изобретения является повыше- JQ ние надежности модуляции за счет обеспечения условий повторного зажигания разряда в диодном режиме, а также стабилизации частоты модуляции.

На разрядный промежуток, межэлект- j родное- расстояние которого d меньше длины свободного пробега электрона в газе, подают такое напряжение, при

25

котором плотность анодного тока 1 больше критической I ev;/kTa Va x 2Q r-rt

Xnt-Ч объемный заряд которого может

быть скомпенсирован при полной ионизации атомов плазмообразукщего вещества, но меньше максимального тока эмиссии термокатода 15 (т;, tag - массы ионов и электронов; е - заряд электрона; a, TQ - давление и температура атомов газа наполнителя; k - .постоянная Больцмана; vj - средняя 30 скорость ионов в плазме). Величину напряжения на разрядном промежутке . устанавливают выше напряжения зажигания разряда на низковольтном участке предразрядной вольт-амперной характе-35 .ристики (ВАХ) U{ и ниже напряжения .зажигания разряда при уменьшении наге. ряжения на высоковольтном участке предразрядной ВАХ, причем давление газа наполнителя выше минимального 40 давления существования разряда.

Для стабилизации частоты модуляции газоразрядный ключевой элемент включают последовательно с контуром, содержащим индуктивность L, емкость С и сопротивление R, параметры которогб выбираются из условия превышения временем непроводящего состояния ключевого элемента Тнепр времени восстановления начального давления в разрядном промежутке„

На фиг.1 представлено семейство расчетных ВАХ с цезиевым наполнением; на фиг. 2 показаны зависимости минимального напряжения зажигания разряда U и максимальное напряжение„ при котором существует разряд, на фиг.З представлена ЪАХ газонаполненного диода и нагрузочная характеристика источника; на фиг.4 изображены осциллограммы тока и напряжения на ключевом элементе в одном из вариантов реализации способа

Установлено, что из-за немонотонной зависимости, сечения ионизации плазмообразующей компоненты от энергии электронов зажигание несамостоятельного дугового разряда возможно в области не слишком низких значении1 приэведения давления газа-наполнителя PQ на размер межэлектродного зазора d, когда безразмерный параметр

больше Ъ0 ( CQ макси-

ш

е и° кта

5

Q

0 5 0

5

мальное значение сечения ионизации газа-наполнителя). Если , то зажигание дугового разряда оказывается невозможным. Область существования разряда при заданном Pfld ограничена как со стороны низких, так,и со стороны высоких напряжений на разрядном промежутке. При ) в диоде осуществляется- устойчивый предраэрядный режим t током порядка вакуумного. При происходит зажигание разряда, и в диоде устанавливается ток, величина которого при достаточно высокой эмиссионной способности катода определяется количеством ионов, образующихся в межэлектродном зазоре при полной ионизации атомов наполнителя,, и параметрами внешней цепи. Существенно, что при достаточно боль ших значениях напряжения (b) из-за уменьшения ионизационной способности электронов с увеличением их энергии диод снова переходит в разрядный режим с током, близким к вакуумному, определяемому из закона 3/2. В качестве единицы измерения напряжения на ключевом элементе (фиг.1) выбран потенциал ионизации атомов наполнителя ИО(, (для цезия ,89 В), а единицы измерения тока - ток по закону 3/2 J-2,33 x

фи он/ 8 где фион измеряется в вольтах, d - в сантиментрах, а J - в А/см2. При ,55 (кривые 1 - 3) ВАХ соответствуют предразрядному режиму, и диод имеет положительное дифференциальное сопротивление при любом напряжении. При (кривые 4-6) предразрядным режимам соответствуют два участка ВАХ при UC cU4(b) и (Ь)„ где II, и иг точки нулевого дифференциального сопротивления диода на левой и правой | ветвях соответственно. Из фиг.2 следует, что при увеличении параметра Ь (при условии Ь§.Ь0) U,1 (Ь) над а-

ет, a Uji(b) растет, т.е. происходит расширение диапазона существования разряда по напряжению0

Анализ заявляемого решения показы- вает, что для осуществления повторного зажигания разряда после обрыва тока и перехода сильноточного ключевого элемента в непроводящее состояние необходимо прикладывать к разряд- ному промежутку напряжение U, определяемое из соотношения

U,(b)Ј UЈU2(b) .

Поскольку при обрыве тока в меж- электродном зазоре происходит резкое уменьшение давления Рд, значение параметра Ь становится меньше Ьо. Зажигание в этом случае возможно, когда давление снова примет свое первоначальное значение, соответствующее

значению параметра . Восстановление давления в межэлектродном зазоре происходит в течение конечного интервала времени , которое определяют экспериментально для каждых конкретных условий эксперимента. Если рабочая точка совпадает с напряжением U раньше момента, когда происходит полное восстановление давления в межэлектродном зазоре, то в этом слу- чае более раннее зажигание разряда может привести к тому, что положение рабочей точки будет находиться на ВАК, соответствующей другому значению Ь. Это может привести к нестабильной модуляции тока по частоте и амплитуде. Поэтому с целью стабилизации частоты модуляции, момент повторного зажигания разряда регулируют путем подбора параметров контура R, L . С, исходя из условия Тнепр ТвоССТ .

Таким образом, в заявляемом способе нет необходимости в наличии управляющей сетки и формирователя сигнала управления.

Предлагаемый способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента осуществляют сле дующим образом.

Кривыми 7 - 8 на фиг.З показаны ВАХ ключевого элемента соответственно на высоковольтной и низковольтной ветвях для заданного значения параметра . Напряжение U (точка 9

на Фиг.)1) с |,тветс вурт ча/п1Г п.-шч разряпа при увеличении ъ.шря-кенич

на дно, с1

а напряжение

U9 (точка и))

5

0

5

0

0 5

0

5

5

соответствует зажиганию разряда при уменьшении напряжения на диоде. Момент зажигания разряда характеризуется относительно низким уровнем проходящего тока, поэтому напряжение, приложенное к диоду, практически равно ЭДС источника Е„ Таким образом, выбор напряжений и и U для осуществления зажигания разряда мо;.сьо производить из условия U( Ј U хК . и После зажигания разряда напряжение и ток на диоде определяются точкой пересечения нагрузочной характеристики источника К (кривая 11 на фш ,3) с разрядным участком ВАХ диода (точка 12 на фиг.З).

Для заданного значения ЭДС источника Е находят параметр Ь,, при котором U ()E или ) Е (фиг.2). Тогда, очевидно, что при Ь Ьмии11,(Ъ)(Ь) . Далее, поль, го /

зуясь связью ---, опредепяют mg к. q

произведение Р d и, таким образом, выбирают давление наполнителя Ра и величину межэлектродного зазора j. Следует отметить, что выбранное значение давления при данном bM(1t( соответствует минимальному значению давления Рд, при котором возможно зажигание разряда для заданного значения Е. Согласно прототипу из условия находят максимальное значение давления PMQKC, при превышении которого обрыва тока в цепи не происхог дит. Таким образом, диапазон давлений PMQirc соответствует рабочему режиму, при котором возможно осуществление предлагаемого способа модуляции тока.

После зажигания разряда (точка 12 на фиг.З) стационарное проводящее состояние диода существует в течение конечного интервала времени Т„осст, на протяжении которого происходит откачка ионов из межэлектродного засораа В результате этого процесса в разряде развивается неустойчивость типа Пирса, приводящая к обрыву тока и переходу диода в запертое состояние. Поскольку контур обладает конечной индуктивностью L, то ток в цепи не может сразу скачком измениться до нуля. Поэтому рабочая точка перемещается.с сильноточной ветви на слаботочную высоковольтную ветвь предразрядной ВАК (точка 13 на фиг.З) по пути поз о 14С Величина напряжения в точке 13 определяется параметрами контура К, L, С исходя из соотношений

для R t. i

10

J0

tf

ь.

-- expC- arctg)

QC

tf,

х. sin (arctg g) + Kt

.L.

2kc -JuTлкс

ГДе

Jn - ток в момент обрыва;

г, 1 П

для R г -U Ј j

иП E+lЈ Л° еХр( ))

л - |LC-4R2 С2 ГДе р .

2RC HLC

Поскольку напряжение в точке 13 больше напряжения источника Е, последний не может обеспечить поддержание такого напряжения. Поэтому рабочая точка 13 перемещается по высоковольтной ветвя предразрядной ВАХ по направлению к значению Е, тем самым уменьшая напряжение на диоде. Время непроводящего состояния сильноточного ключевого элемента, в течение которого рабочая точка перемещается от значения U до U2, можно оценить

из выражения

tL

Л

1непр со

где (0

4l4R2 С2-LC

2КС -$U

Параметры контура R, L, С подбирают таким образом, чтобы удовлетворить условию Тиер Твосст.

Предлагаемый способ был реализован в кнудсеновском диоде с цезий- бариевым наполнением с плоской геометрией электродов. Рабочими поверхностями катода и анода служили торцы цилиндров диаметром 15 мм, меж-, электродный промежуток мог варьироваться в пределах от 0,1 до 2 мм. На расстоянии 2 мм от боковых поверхностей электродов располагался изоли-

5

0

5

0

5

0

5

0

5

рованный от катода и анода цилиндрический электрод.

Модуляция тока и напряжения наблюдалась в широком диапазоне температур катода и давления бария и в диапазоне изменения давления цезия от (Г4до 5-Ю-з „м рт.СТо На фиго4 в качестве примера приведены осциллограммы тока и напряжения, полученные при подаче на анод прямоугольного импульса напряжения длительно-. стью а 1 мс от источника напряжения с ЭДС 21 В. Температура катода составляла 14ЬО К, температура анода - 1100 К, ,5-10-3 мм рт.ст., Vfa мм pT.CT.,d - 1,6 мм. Пос- ледовательно в анодную цепь был включен контур из параллельно соединенных сопротивления, индуктивности и емкости: Ом, мкГ, . При этом величина модулируемого тока достигает «10 Л/см2 , а напряжение на стадии горения разряда составляет #4 В„ Таким образом, экспериментальные результаты подтверждают, что предлагаемый способ модуляции /тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента можно реализовать на практике.

Использование предлагаемого способа модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента обеспечивает по сравнению с прототипом повышение надежности модуляции и упрощение схемы модуляции за счет возможности управления моментом повторного зажигания разряда и модуляции тока стабильной частоты без формирования сигнала управления, что позволяет существенно уменьшить мае- согабаритные показатели сильноточного ключевого элемента.

Формула изобретения

1. Способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента путем подачи напряжения на разрядный промежуток с межэлектрод- ным расстоянием, меньшим длины свободного пробега электронов в газе, при превышении величины плотности анодного тока критического значения и ограничении его меньше плотности тока эмиссии, отличающий- с я темл что, с целью .повышения надежности модуляции за счет обеспечения условия повторного .зажигания

разряда в диодном режиме, напряжение на разрядном промежутке устанавливают выше напряжения зажигания разряда при увеличении напряжения на низковольтном участке предразрядной вольт- амперной характеристики и ниже напряжения зажигания разряда при: уменьшении напряжения на высоковольтном участке той же характеристики, а газовый разряд осуществляют при условии, что произведение давления наполнителя на величину межэлектродного

расстояния не менее минимального значения существования разряда.

20 Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента стабилизации частоты модуляции, ключевой элемент включают в колебательный контур и регулируют параметры из условия.превышения временем непроводяшего состояния ключевого элемента времени восстановления начального давления в разрядном промежутке.

Изобретение относится к области сильноточной высокотемпературной газовой электроники и может быть ис- пользовано при создании мощных высо- котемпературных преобразователей тока, коммутации больших токов с малыми потерями, при разработке сильноточных генераторов килогерцовой частоты. Цель изобретения повышение надежности модуляции за счет создания условий повторного зажигания разряда в диодном режиме, а также стабилизация частоты модуляции. Способ реализуется следующим образом. В двухэлектродном ключевом элементе с разрядным проме- жутком, межэлектродное расстояние которого меньше длины свободного пробега электронов, давление газа- накопителя выбирают таким образом, что произведение давления на величину межэлектродного расстояния выше минимального значения, при котором возможно существование разряда. При этом вольт-амперная характеристика (ВАХ) состоит из двух ветвей - низковольтной и высоковольтнойо Плотность анодного тока устанавливают выше критического значения, при котором возможна компенсация объемного заряда тока при полной ионизации атомов плазмообраэующего вещества и ниже плотности максимального тока эмиссии катода„ Критическое значение тока определяется отношением масс электронов и ионов, давлением и температурой газа, средней скоростью ионов. Напряжение на разрядном промежутке выбирают выше напряжения зажигания разряда на низковольтном участке ВАХ и ниже напряжения зажи- гания на высоковольтном участке той же характеристике при уменьшении напряжения. Для стабилизации частоты модуляции ключевой элемент включают в колебательный контур, параметры которого выбирают таким образом, чтобы время непроводящего состояния ключевого элемента превышало время восстановления давления в разрядном промежутке. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. сл С ел Os со 4 00 00

,.-

UW

ч

г,/5

10 15

Фиг.1

iz

10

Wi

ион

iv/#

t i -л

i i

го я

IT

..Гл

: У

0 ZOO 400 Ш 800 Г.мкс

Фиг.4

i t I