ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР Советский патент 1970 года по МПК H01J1/30 H01J17/06 

Изобретение относится к газоразрядным приборам, в частности - к управляемым коммутаторам или вентилям с генерацией плазмы быстрыми электронами и управлением с помощью поглощения быстрых электронов управляющим электродом.

Известен газоразрядный прибор (коммутатор или вентиль), содержащий анод, холодный, катод, вспомогательный накаленный катод и управляющий электрод. Однако в указанном приборе максимальное значение выходного тока имеет малую величину при низких значениях амплитуды входного сигнала или анодного напряжения.

Предложенный прибор отличается от известного тем, что холодный катод выполнен таким образом, что нормали, восстановленные из любой точки его рабочей поверхности, пересекаются на одной линии, и в месте пересечения нормалей расположен управляющий электрод, а расстояние между холодным катодом и управляющим электродом меньще длины свободного пробега электронов в 1 - 20 раз. Это позволяет увеличить отнощение величины коммутируемого тока к коммутируемому напряжению.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны схемы различных вариантов предлагаемого прибора; на фиг. 4- временное расположение входных и выходных сигналов.

На фиг. 1 изображен газоразрядный прибор с полым цилиндрическим холодным катодом 1, анодом 2 в виде одного или двух дисков, расположенных по торцам полого катода, и управляющим электродом 3, представляющим собой иглу, распололсенную в месте пересечения нормалей, восстановленных из любой точки рабочей поверхности катода, т. е. по оси цилиндрического катода. Для инициирования разряда в полом катоде используется электронная пушка, состоящая из накаленного катода 4 п анода 2. Использование накаленного катода дает возможность получить минимальную временную нестабильность

выходных импульсов.

В исходном состоянии на анод подан «+ источника питания, холодный катод заземлен через сопротивление нагрузки н- Управляющий электрод и накаленный катод также находятся под потенциалом анода. При этом управляющая электронная лампа 5 полностью заперта.

При подаче входного управляющего импульса 1/вх лампа 5 отпирается, потенциал ее

анода, а следовательно, управляющего электрода и накаленного катода падает. В этот момент катодом электронной пушки в полость холодного катода инжектируется поток инициирующих электронов, который благодаТИ первоначальную плазму, имеющую потенциал анода. При падении ионов этой плазмы на поверхность полого холодного катода происходит эмиссия вторичных -у-электропов. Эти 7-электроны приобретают энергию, соответсгвующую потенциалу прксутстБуюш,ей здесь первоначальной плазмы. Ьсли потенциал управляющего электрода равен или ниже потенциала холодного катода, то у-электроны начинают осциллировать по радиусам в полости холодного катода, создавая вторичную плазму. Возрастающий ионный ток на холодный катод приводит к соответствующему увеличению у-электронного тока. Ионный ток, идущий на холодный катод, создает на сопротивлении выходное напряжение. При этом потенциал холодного катода поднимается до значения, соответствующего амплитуде выходного импульса. В основном разряде устанавливается падение напряжепия между плазмой и холодным катодом;

Спл-к UIL - ь/выхДля ОСЦИЛЛЯЦИИ у-электронов в этом случае, как и раньше, необходимо, чтобы потенциал управляющего электрода был равен пли ниже потенциала холодного катода. Следовательно, разность потенциалов между управляющим электродом и анодом, необходимая для поддержания прибора во включенном состоянии, будет равна U32 Uan--K, где 32 - разность потенциалов между управляющим электродом 3 и анодом 2.

Поскольку в это время управляющий электрод должен находиться под тем же самым потенциалом, что и холодный катод (или более отрицательным), то плотность ионного тока на управляющий электрод будет равна плотности ионного или разрядного тока на катод.

. Сама величина тока в цепи управляющего электрода, определяющая ток управления, будет определяться его поверхностью. Чем больше отношение поверхности холодного катода к поверхности управляющего электрода, тем больше усиление по току. При цилиндрическом холодном катоде это отношение равно

/

- , Где R я г - радиусы соответственно хо.г

лодного катода и управляющего электрода.

Более выгоден вариант со сферическим катодом и сферическим управляющим электродом (фиг. 2), для которого усиление по току

/ D ч g

будет определяться соотношением ( 1 . Гащение разряда в оооих вариантах происходит при снятии отрицательного напряжения с управляющего электрода. Вследствие прекращения осцилляции 7-электронов длина их пути в газе резко сокращается, поэтому выделение ими энергии и соответственно скорость ионизации также резко уменьшаются. В результате концентрация плазмы падает, разрядный ток на холодный катод ip+jiy (где ip - ионный ток) уменьшается, ввиду чего и -электронный ток также уменьшается, что опятьтаки приводит к уменьшению ip+yh- В итоге разряд гаснет.

Па фиг. 3 представлен вариант с конусным холодным катодом. Выходящие нормально к поверхности холодного катода -электроны под действием поля в ионной оболочке после одного или нескольких отражений от стенок (угол падения равен углу отражения) попадают на управляющий электрод и либо отражаются от него обратно в полость холодного катода, либо поглощаются (в зависимости от потенциала управляющего электрода). Анодом собираются медленные вторичные

электроны, образовавшиеся в газе, и «отработавшие 7-электроны. Пакаленный катод, как и в первых двух вариантах, служит для инициирования разряда.

Представленная на фиг. 3 схема включения

является схемой с двойным управлением. Подобпую же Схему могут иметь и варианты по фиг. 1 и 2. Эта схема особенно выгодна при формировании длинных импульсов. Другое отличие этого варианта от предыдущих - заземление анода и подача отрицательного напряжепия па холодный катод.

В исходном состоянии на управляющий электрод уже подано отрицательное напряжение, так что его потенциал равен или ниже

потенциала холодного катода. При подаче в момент ti на накаленный катод короткого входного сигнала LBX, в полом катоде возникает самостоятельный разряд, а на нагрузке- скачок выходного напряжения. Сопротивление

смещения , подобрано так, чтобы проходящий по нему ионный ток в период горения разряда не поднимал потенциал управляющего электрода выше катодного. Сопротивление Ксы, - порядка десятков или сотеп килоом.

в момент tz на управляющий электрод поступает положительный импульс , такой величины, чтобы вызвать поглощение осциллирующих -электронов. Длительность этого импульса должна быть не меньше времени распада плазмы в полом катоде. Тогда после прекращения действия сигнала Usx, разряд прекратится. Таким образом на нагрузке будет сформирован импульс длительностью . В этой схеме не предъявляется жестких требований к спадам управляющих импульсов.

Предложепный прибор может быть использован и в качестве выпрямителя.

Предмет изобретения

1. Газоразрядный прибор, например коммутатор или вентиль, содержащий анод, холодный катод, вспомогательный накаленный катод и управляющий электрод, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения величины коммутируемого тока к коммутируемому напряжению, форма и взаимное располол епие холодного катода и управляющего Мали, восстановленные из любой точки рабочей поверхности холодного катода, пересекаются с поверхностью управляющего электрода, а расстояние между холодным катодом и управляющим электродом меньше длины свободного пробега электронов в 1-20 раз. 2.Прибор по п. 1, отличающийся тем, что выполнен в форме цилиндра, холодный катод 3.Прибор по п. I, отличающийся тем, что выполнен в форме сферы, холодный катод 4.Прибор ,по п. 1, отличающийся тем, что выполнен в форме конуса. холодный катод

П...

J 1

X

fuf I

Vui.2