Способ модуляции тока в газовом разряде Советский патент 1979 года по МПК H01J17/44 

-., t Изоб{эетение относится к проблеме управления током в газораэрядньгх приборах и мсокет быть использовано при создании разнообразных газоразрядных и ионных приборов для многих отраслей промышленности, например, в энергетике при создании мощных коммутирующих высокотемпературных ключевых элементов и для инвертирования и преобразования напряжения р низковольтных сильноточг ных депях, при решении разнообразныхзадач коммутации больших токов с малыми потерями. Известен способ модуляции тока в газовом разряде, осуществляемый в цезиевых приборах с сеточным управлением Ll Однако ему свойственно ограничение на величину коммутируемой плотности тока порядка единиц ампер на см, Наиболее близким к изобретению является способ модуляции тока в газовом разряде подачи напряжения на упра ляющий электрод, который осуществляется в таситронах 2. В этих йрибсфах сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом, поддер| ч. живает разрядный промежуток в запёртетй состоянии при высоких (до киловольт и более) анодных напряжениях. Прджиг раа ряда и переход В проводящее состояние осуществляют 11бДачей на сетку положительного напряжения. Наиболее ложную рцерацию - гашение разряда - производят подачей на сетку значительного отрицательного напряжения, обеспечивающего перекрывание ленгмюровских оболочек соседних витков. При осуществлении этого способа не-: обходимо цодавать на сетку большие (по рядка нескольких сотен вольт) Напряжения. Кроме этого для способа характерно принципиальное ограничение управляемых токов величиной порядка одного ампера на квадратный сантиметр площади сет ки. Целью изобретения.является увеличе- ние модулируемой плотности тока и мощнбсти, а также управление вели ганой длйгельности импульса тсжа , синхронизация заднего фронта импульра тока и управление длительностью импульса. Достигается это тем, что давление компонент гаэа и температуру катода вьббирают из условий. л - л., , --p-pv-p;, 1 а рабочую точку выбирают, исходя из ус« .J. Л-- длина свободного пробега © электронов; О, « величина межэлектродного зазора} - -средняя скорость и(жов в ; плазме} ni()- масса иона (э1Н&я рона); р «давление гшазмообразующей компсшенты; Т - температура атомов плазмо- образующей компоненты; К - постоянная Больцмана; е заряд электрона; j - ток электронной эмиссии ка тода; :}д - анодный ток; j „,; критический ток, объемный , заряд которого мозйно ском- пенсировать при полной ионнзации атомов плазмообразующей компоненты газа. Дойелнительными .признаками является то,ЧТО изменяют плотность надкритичес- кого разрядного Toica (с1 3крит) путем регулировки температуры катода, на упра ляющий электрод подают импульсы отрица тельной полярности длительностью порядка времени дейонизации и амплитудой порядка прямого падения напряжения в проводящем с остоянии. Экспериментально обнаружено, что ЩЯ токах в плазме, превышающих ;5ць , разряд переходи в неустойчивое состоя;цив и плазма в разр5 де существует огра ниченное время, по иетечении которого происходит самостоятельный обрыв тока, причем длительностью импульс/а тока существенно определяется процесс десорбции атомов с поверхностей анода и сетки Таким образом при выполнении указан ных условий ( Зкрит создается внутренняя неустойчивость разряда в щюводящем состоянии, что существенно об- легчает гашение разряда при плотностях разрядного тока порядка десяков ампер на квадратный сантиметр и .более. Неустойчивость разряда обуславливяется тем, что при длине свободног-о пробега электронов Ag. значительно превышающей межэлектродное рпсстоянис d , ток в разряде переносится пучком электронов, ускоренных на прикатопном падении потенциала. В этом случае величина разрядного тока раэр связана с концентрацией ионрв в плазме Н и их средней скоростьк) соотношением. .РС( Физические процессы, происхотящие в плазме при повышении плотности проходящего разрядного тока и, в частности, при превышении плотностью тока критического значения происходят следующие.С ростом плотности тока увеличивается степень ионизации Нейтральных атомов. В этих условиях существегшым оказывается все растущий отвод ионов электрическим полем- на катод. Атомы, слетающие с поверхности катода в силу малой длины ионизации, ионизуются преимущественно вблизи его поверхности. Образованные ионы вновь отводятся полем на катод. Это обстоятельство приводит к тому, что в силу условия постоянства попного Давления с ростом степени ионизаДии уменьшается концентрация нейтрального газа в межэлектродном промежутке и падает частота ионизующих столкнове- ний. И когда концентрация ионов вдали fy катода становится меньше и , наступает критический режим, В . этом режиме происходит нарушение равновесия между скоростью ионизации и скоростью ухода ионов на катод. Даль. ; нейщие попытки увеличить плотность тока приводят к обрыву тока в разряде через некоторое время после прихода на сетку поджигающего положительного импульса. После обрагва тока концентрация нейтральных атомов в межэлектродном промежутке увеличивается, однако, сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом, препятствует возобновлению разряда До подачи на нее следующего положительного импульса напряжения. режиме, в котором существует неустойчивое состояние разряда, модуляцию осуществляют следующим образом. Запертое состояние разрядного промежут.ка поддерживается отрицательным потенциалом на сетке (составляющем нескольfO ПрОЦОИТОП от ППОЦЧОГО ПОТОНИН.ЧЛ). Поджи(- рпзрядя, как и в narsecTttbtx citoсобпх, ocytr(ocTjvistK)T иолачой короткого (порядкп 1.0 + 10 сек) положитольно- го имиульсп ня сотку. Кпк укпэывалос.ь вьшю, при надкритической штотнос;тн рпэ рядного токп ( разр Арит) проподящее состояпио сушествуст в течение конечного времени Г . В течение этого времени существенно уменьшается концентрация ионов вблизи анода, вслйдствие чего возникает минимум потенциала и разряд переходит в неустойчивое состояние. Распространяясьпо направлению к катоду минил ум потенциала достигает сетки, вызывает перемыкание приапектродных слоев соседних витков сетки, и разрядный ток прерывается. Гаким образом, гашение разряда происходит самостоятел но без подачи на сетку гасящего отрицательного импульса напряжения. Длительность импульса тока Г сущес венно зависит ОТ величины разрядного тока и тем меньше, чем больше j рачр. Если в рассматриваемых условиях в качестве плазмообразующей компоненты используют вещество (газ) с высокой адсорбционной способностью по отношению к материалу анода и сетки, длитель ность импульса тока в проводящем состоянии может быть существенно увеличе на (больше, чем на порядок). Это проис ходит в силу того, что при высокой степени ионизации атомов, находяшйхся в межэлектродном зазоре, равновесие меж ду скоростями ионизации и ухода иойов на катод некоторое время еще поддерживается за счет атомов, десорбирующихся с анода и сетки, В реальных условиях возможно некоторое изменение длительности проводяще го состояния С нестабильности параметров разряда. В тех случаях, когда необходима модуляция тока с жесткими требованиями к величине и постоянству длительности импульса тока, леГКо осуществить принудительное гашениераз-ряда, подав на сетку небольшой отрицательный импульс напряжения в любой мо мент времени до самостоятельного обры разрядного тока. На фиг. 1 представлена вольтампер- ная характеристика триода на смеси паров цезия и бария для PCS ; 8.10 , Tg 800°К,Тц- 1728 К; на фиг. 2 зависимость плотности критического тока от давления паров цезия. Кривая 1 - расчет для случая, когда потоки нейтрал нык атомов с катода на агтод и обратно уравновешены; кривая 2 - jwicnor для но- стационарного режима, в котором гм:;е нейтральные атомы падают только на катод; кривая 3 - эксперимента;г1 име данный; на фиг, 3 представлена модуляция надкритического разрядного токя для Рс5 - б.б. Т а , Т 168О К Ej., 50 в; (а, б - при подаче на сетку положительных управл$поших импульсов напряжения; в, г - при подаче на сетку биполярных управ- ляпощих импульсов); на фиг. 4 представлены зависимости длительности импульса надкритического разрядного тока для PCS 6.6.10--тор, TBO, 850°К , от а - температуры катода и б - плотности разрядного тока. Предложенный способ модуляции осуществлен в трехэлектродном приборе плрскопараллельной геометрии с катодом косвенного накала. Величина межэлектродного промежутка составляет 4 мм. В качестве управляющего электрода использована сетка нз молибденовой проволоки диаметром ЗО мкм и размером ячейки ISO X ISO мкм, расположенная в центре мёжэлектродного промежутка. Прозрачность сетки с учетом радиаторов охлаждения составляет величину 0,S. В качестве напслнения триода используют смесь паров цезия и ёария. Давления компонент смеси регулируют температурами жидких фаз и выбирают такими, что длина свобояного пробега электронов превышает величину межэлектродного промежутка (.lO тор, (Н.„ 4.10 тсяэ). При указанных давлениях паров бария катоды из обычных Тугоплавких металлов,обеспечивают плотность электронной эмиссии порядка нескольких десятков ампе-р на квадратный сантиметр, что превышает критические плотности токов для 1 S. 10 тор. В результате в эксперименте осуществлены снадкритическими значениями плотности разрядного тока и самостоятельным гашением. На фиг. 1 представлена вольтамперная характеристика триода для одного из таких режимов. На участке а-в характеристики 1эазряд устойчив и может быть зарегистрирован статическими методами. В точке в, когда ток достигает критического значения, происходит самостоятельное погасание разряд т поэтому пунктирный участок в-с ре141стрировали в импульсном режиме (вид импульсов н зйкрйтического тока в зависимости от температзфы катода представлен на иг. 4). Экспериментальные исследова,ння пшсазали, что величина критического тока в триоде на смеси паров цезия и бария всецело определяется давлением паров цеэия н не зависит от давления паров бария в исследуемом диапазоне давлений. ,Э с с:вйаётШ1Ьстбуёт 6 toM, что плаамообразующёй компонентой являютЬя пары атомов педия, в то время как пары бария обеспечивают необходимую электронную эмиссию катода. разр ядногЧ) то беуйествляют в режиме неустойчивого горения (участок ), который подбирают либо изменением текмерйтуры катода, либо изменением величин cofipoз йвпенйя нагрузки, либо аноййо о напря г яЮЙИЯ.- , ; ,. ... ..-. . - , , . : Примеры модуляции Приведены на фиг. 3 aV 1б, На фиг. 3 а при ведена форма полоисйтёльных импульсов напряхсения, по- ЙЙЕйёШ кГна c6Tky ДШ раэрйда. Амплитуду управляющих импульсов во iecex режимах выбирали ia диапазоне + 8 4 3 1О..В..--. .;,; :,../.. На иК 3 б представлена форМа импульсов надкритического разрадного тока После о пиранИя триода попсжительным УПрввляющим импулЬсом разряд горит в тёчёйиёограниченного времени, по ис- . ёчёййн j oToporo набпйдается самостоятельное запирание триод:а без йШачЙ йт- рвдательного импульса на сетку. Картина МодУЛ 1ЦИи хорошо врспрризЬо дйтся в Диапазоне исследуемых частот 1-10 КГЦ. Использование в качестве гоюзмообразующей присадки атомов цезия хорошо адсорбирующихся на электродах, привело к тому, что абсолютное значение времени существбвания в проводя шем срстоянии (длительность импульса тока) tTj- существенно (до двух порядков) превышает время пропета атомов (ионов) . между электродами. Из фиг.. 3 б, видно й-оТ казал ь порядка i,5,, в то-врей как соответствующая велйчи на е парах ртути и в инертных газах, . как правило, не превосходит 10 -г 10 сек. Такое большое tr р обусловлено Участием в ионизации не только атомов цезия находящихся первоначально в мшкалектро ноМ зазоре, но и атомов, десорбирующнхс с анода и сетки. - ,v Изменением температуры катода рагу- -лировали величину надкритического разряд , ного тока, что позволило в широких пре. делах изменять длительность проводяшего состояния триода (см. рис. 4). Зависимость Т,- от pt,jp( см. фиг. 4) связана с тем, что при большей плотности тсяса откачка атомов из канала разряда происходит интенсивней, а для компенсации электронного заряда необходима большая котцейтрация ионов. Это обстоятельство позволяет менять частоту модуляции изменением разрядного тока. Для стабилизации длительности импульсов тока и ее регулирования в диапазоне /С С:, на сетку подавали короткие (10 мк сек) отрицательные импуль- сы (см. фиг. 3). Измерения проведены как на уровне докритических, так и на yjpoBHe надкритических значений плотности разрядного тока. Оказалось, что в режимах с надкритической плотностью paзpядн6tЧJ тока для гашения на сетку достаточно подать отрицательный импульс напряжения порядка 2-3 В, в то время, как при докритических плот- HOCTii: раарйдного тока для гашения разряда необходима амплитуда отрицательного импульса порядка десятков вольт. Пример модуляц п надкритического разрядного тока с помощью биполярных сеточных импульсов представлен на фиг. 3 г. Видно что отпирание и запирание триода происхряит с крутыми фронтом и сШдоМ импульса, что иллюстрирует высокую эффективность предлагаемого метода мбдуляции разрядного трка. Подобная картина модуляции разрядного тока в триоде на смеси паров цезия и бария наблюдалась экспериментально в Диапазоне даниюний паров цезия от 5. до 4.10 тор. При этом получе на универсальная экспериментальная зависимость плотности критического тока ходит самостоятельное погасание разряда; давления паров цезия, представленная на фиг. 2.. На этой же фигуре приведены расчетние- рийые, ноаученные из со- для двух отношения Крит случаев. В первом случае кривая 1 - потоки нейтральных атомов с катода на анод и обратно урановешены; во второмкривая 2 - нестационарный режим, в котором все нейтральные атомы падают тбпько на катод. Видно, что эксперил ентальные данные достаточно хорошо совпадают с расчетными значениями, Продлагаемый способ модуляции над критического разряднот-о токи позволил в исследуемом диапазоне PCS Р анод ном напряжении 60 В устойчиво с хорошей воспроизводимостью модулировать. мощность в диапазоне от 0,6 до 4 квт/с Формула изобретения 1. Способ модуляции тока в газовом разряде, путем подачи напряжения на уп равляющий электрод, отли ча ющ и и с я тем, что, с целью увеличения модулируемой плотности тока и мощ ности, давление компонент газа и темпе ратуру катода выбирают из условий ,, , КрИТ 141Mig а рабочую точку вьхбирают, исходя иэ условия где Ag - длина свободного пробега элект d - величина межэлектродного за зора; - средняя скорость ионов в плазме;ni-(Wg)- масса иона (электрона); р - давление плазмообразующей компоненты; Т - температура атомов плазмооб- разующей компоненты; К - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; и - ток электронной эмиссии като- да; анодный ток; .- критический ток, объемный заряд которого можно скомпенсировать при полной исюизации атомов плазмсобразующей компоненты гдза. 2.Способ по п. 1, отличаю - щ и и с я тем, что, с целью управление величиной длвтельяостн импульса тока tr , изменяют плотность надкритнческогЬ разрядного тока {,dq j цр«т ) Щггем ре- 1Г5Пировки TeMnepatti катода.. 3,Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью синхрсюнзации заднего импульса тока и управления Длительностью импульса, на- уп- равл$1ющйй опектрсп подают импульсы отрицательной полярности длительностью порядка времеаи деидви цви и амплитудой порядка прямого падения-иапр$1жвния в ПрСЮОДЯЩеМ СОСТОЯНИЕ. Истощики информации, принятые во внимание 1фй экспертизе 1.Заявка № 214585О, кл. Н О1Т17/74, 20.О6.76, по которой принято решение о вьшаче авторского свидетельства. 2.J-OCmstead u.aTtie Taciii-on а Noise T1iiVoitro i,Proc., 42, p. 1350, 1954 (прототип).

UcS

IS

a

to

5

-5

Uc6

100 700 wo 00 SOU

/

т Ш 300 ftoo SBo

J / /. л

f/w

y a/

Cf

0 /Г

too 00 300 00 500

1риг.З