Импульсный газоразрядный прибор с двусторонним управлением Советский патент 1981 года по МПК H01J17/44 

(54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР С ДВУХСТОРОННИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к электронной технике, а именно к импульсным газоразрядным приборам с возможностью прерьшания разрядного тока управляющим электродом без снятия анодного напряжения, т.е. с двухсторонним управлением, и может быть использовано в мощных импульсных устройствах с индуктивными и емкостными накопителями энергии в режимах полного или частичного разряда накопителей. Известны импульсные газоразрядные приборы-таратроны., используемые в качестве ключей в мощных импульсных устройствах, состоящие из анода, управляющей сетки и катода и наполнены рабочим газом для низкого давления Недостатком тиратронов является невозмож ность 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 знёргии, в которых гашение разряда обязательно производится управляющим электродом, а 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 другой стороны, сетка не может быть слишком густш, так как это затруднило бы зажигание разряда на анод и увеличило потери мощности на сетке 2. 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 гашення больших разрядных токов ионный сеточный ток, соизмеримый с разрядным током, создает на выходном сопротивлении источника управляющих сигналов положительное падение напряжения, полностью или частично компенсирующее отрицательное смещение на сетке. В результате этого разряд или совсем не гасится, или гасится с больишм запаздыванием и за длительное время. Высокоскоростное гашение возможно только при очень малом выходном сопротивлении источника сигналов, но при этом мощ ;эсть управления делается соизмеримой с выходной мощностью прибора, использование которого в таком режиме становится нецелесообразным. Кроме того, недостатками таситрона являются больщая мощность канала и больщое 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 допол штeльнoм блоке для формирования длитeлv кости управляющего импульса. В таситроне весьма значительны стартовые и финишные потери и перенапряжения на сетке в перюд фор мирования разряда, которые создают опасность пробоя полупроводниковых приборов и подмодуляторе. . Цель изобретения - увеличение коммутируемого прибором тока при одновременном умень шении времени гашения разряда,мощностн управления и за11аздывания,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. Указанная цель достигается тем, что в устройство введены дополнительный анод и дополвительная сетка, расположенная между катодом и дополнительным анодом и соединенная с клеммой для подключения источника г с. .дего сигнала, причем дополнительный анод соеданен через емкостный накопитель энергии с управляющей сеткой, а последняя соеданеiffi через элемент электрической развязки с клеммой для подключения источника включающего сигнала. Катод прибора вьшолнен полым, с одного горда которого расположены управляющая сетка к 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 и отрицательным полюсом соединен с управляющей сеткой прибора, а положительным - с дополнительным анодом. Это запирающее напряжение прикладывается 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 уменьщает 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 зтом 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 зояда практически все напряжение источшка питания падает в ионной оболочке отрицательного электрода управляющей сетки пртбора, если динамическое сопротивление источиика питашм зонда мало. В этом случае обеспечивается гашение очень больших разрядных токов при условии подачи соответствующего напряжения на накопитель энергии (конденсатор). Уменьшение временн гашения сильноточного разряда и запаздывания гашения обусловлено тем, что в предлагаемом приборе плазма, созданная основным разрядным током, по существу служит плазменным катодом дпя дополнительного анодно-сеточного узла. Благодаря этому резко уменьшается время формирования разряда в цепи дстолнительного анода и запирающее напряжение прикладывается к управляющей сетке с очень высокой скоростью и практически без запаздьтания относительно сигнала гашения. Элемент развязки, включенный между управляющей сеткой и источником управляющих сигналов, препятствует прохожде1шю мощного отрицательного гасящего импульса, вырабатываемого прибором в цепь источника управлякшшх сигналов, уменьщает 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 и зажигания разряда. Это обеспечивает прово5дящее состояние прибора до поступления на дополнительную сетку второго (гасящего) сигнала, задержанного относительно первого сигна ла на время, определяемое требуемой длительностью коммутирующего тока. Тем самым обеспечивается независимость длительности выходных импульсов от длительности и формы управляющих сигналов. На фиг. 1 представлены один из вариантов выполнения прибора и схема его включения в импульсном устройстве с индуктивным нако пителем энергии; на фиг. 2 - качественные диаграммы токов и напряжений, поясняющих работу прибора в схеме. Функционально прибор состоит из двух частей: коммутирующей части и гасящего устройства. Коммутирующая часть прибора, представляющая собой по существу тиратрон, содержит анод 1, управляющую сетку 2 и катод 3. Электроды 2 и 3 ограничивают область образования сеточно-катодной плазмы основного разряда. В области этой плазмы размещено гасящее устройство, содержащее дополнительную сетку 4 и анод 5 и емкостной накопитель 6 энергии, связываюидий анод с управляющей сеткой 2, которая в свою очередь связана через резистор 7 развязки с источником 8 вклю чающего сигнала. Дополтштельная сетка 4 связана с источником 9 гасящего сигнала. Катод 3 может быть выполнен в виде полого холодного катода. Катод может содержать вспомогательный маломощный прямонакальный полукатод 10 с активным покрытием, который служит активатором полого катода. В такой катодной системе основная доля тока обеспечивается полым холодным катодом, а время готовности определяется временем разогрева вспомогательного термокатода, которое составляет доли единицы секунд, т.е. достаточно мало. Остаточное напряжение (напряжение горения) С1шжается примерно на порядок по сравнению с прибором, в котором используется только холодный катод, и составляет 80-150В. Прибор наполнен водородом и может быть снабжен прямоканальным генератором 11 водорода с малым временем готовности. Возможно использование и инертных газов. Давление газа в приборе и расстояния между анодами 1 и 5 и соответствующими сетками 2 и 4 устанавливают в таких пределах, чтобы средняя длина свободного пробега электронов была соизмерима с этими расстояниями и размерами ячеек сеток. Полый катод может содержать поджигаюший электрод 12, с помощью которого под3держивается постоянный подготовительный в полом катоде. Подготовительный разряд способствует уменьщению амплитуды управляющих сигналов и препятствует возникновению перенапряжений на управляющей сетке 2, которые в тиратронах и таситронах достигают нескольких киловольт и могут вьшести из строя полупроводниковые приборы в цепи )шравления. ; Необходимо подчеркнуть, что емкостной накопитель 6 энергии (конденсатор) и элемент 7 развязки, несмотря на то, что они находятся вне оболочки 13 прибора, входят в состав прибора, так как без этих элементов в любой из схем включения невозможно получение по- ложительного эффекта. Эти элементы можно разместить, например, в цоколе прибора. Схема на фиг. 1 содержит источники 14 и 15 анодного питания с напряжением соответсгвенно , и Еа величиной от сотен вольт До 1-2 кВ, которые могут быть заменены одним общим источником, и источник 16 отрицательного смещения с напряжением смещения ЕСМ. Схема содержит также индуктивный накопитель 17 энергии, разделительные конденсаторы 18-20, сопротивление 21 нагрузки, сопротивления 22, 23 (десятки килоом) утечки, зарядное сопротивление 24 (5-10 кОм), балластное сопротивле1ше 25, ограничивающее ток подготовительного разряда в цепи поджигающего электрода 12 на уровне нескольких миллиампер. Для разогрева вспомогательного катода 10 и генератора М водорода используются общий или раздельный источники накальных напряжений (не показаны). При включении всех питающих напряжений и после выделения водорода генератором II водорода внутри полого катода между вспомогательным катодом 10 поджигающим электродом 12 зажигается подготовительньш разряд с постоянным током подготовки около 6-10 мА и напряжением горения 30-50 В. Момент зажигания подготовительного разряда является моментом готовности прибора к работе. В приборах без генератора водорода время готовности составляет около секунды и определяется вспомогательным термокатодом. При использова1ши прямоканального генератора водорода время готовности возрастает до нескольких секунд. Анод 1 и сетку 2 коммутирз ющей части прибора будем в дальнейшем называть первым анодом и первой сеткой, а анод 5 и сетку 4, функционально относящихся к гасящему устройству, будем назьшать вторым анодом и второй сеткой. В исходном состоянии прибор заперт по первой и второй сеткам отрицательным смещением ЕСМ величиной 100-200 В, а первый и второй аноды имеют потенциалы Е и EQ соответствующие источникам 14 и 15 питания. Устройство работает следующим образом. С поступлением на первую сетку положительного импульса и вх с амплитудой в несколько сотен вольт происходит включение ком мутирующей части прибора, и между первым анодом и катодным узлом 3 и 10 возникает разряд с током И - ехр(или,если t Еа, - Ди 17 где ди остаточ юе напряжение на приборе (напряжение горения); Рзар - активное сопротивление в цепи про текания, тока iai, включающей внут реннее сопротивление источника 14, активное сопротивление катушки 17 индуктивности и динамическое сопротивле1ше плазмы; LI - значение индуктивности накопителя 17 энергии. Обычно условие (2) выполняется. Благодаря наличию постоянного подготовительного разряда, малому значению Ди(100В) и сравнительно высокому рабочему давлению (до 0,9 Тор), включение коммутирующей части прибора происходит на фронте сигнала UBXI. 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 (нескольк кОм) приобретает в плазме разряда Потенциал, близкий к плавающему и не нарушающий токопрохождение сквозь сетку. Благодаря этому, входной сигнал Ugxi Уже не ока зьшает никакого действия на разрядньш ток. Поэтому сигнал UBXJ по длительности может быть значительно короче токового импульса ia, (см. ди аграммы на фиг. 2, где индексами gj и 92 обозначены токи и напряжения, относящиеся к сеточным цепям, а индексом С - абсолютная величина напряжения на конденсаторе 6). Во время прохождения разрядного тока во всем объеме полого катода образуется плазма. При этом вторая сетка до прихода на нее сигнала гашения U вх2 должна экранировать второй анод от этой плазмы, что обеспечивается отрицательным потенциалом на сетке относительно плазмы. В момент поступления положительного сиг нала UBXJ на вторую сетку возникает контак второго анода с плазмой основного разряда. 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 см) до которой был заряжен конденсатор 6 в исходном состоянии. Если, например, Ед 1500В, а ЕСМ -200В, то к первой сетке относительно плазмы прикладывается потенциал -1700В. Практически одновременно, как результат приложения этого потенциала, в цепи первой сетки возникает очень больщой 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 плазмапервая 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 иных L, 1 - ехр(- tj), (4) да зар t зар - значение зарядного тока в индуктивности 17 (L,), и, соответственно, в цепи первого анода к моменту времени t , предшествующему гашению разряда; - временной сдвиг между управляющими сигналами U и U (см. диВХ BXjаграммы на фиг. 2); определяется из (3) при подстановке t t - время гашения разряда, соизмеримое со временем нарастания отрицательного напряжения на первой сетке и составляющее единицы-десятки не; R - величина сопротивления 21 нагрузки. Если р гаш выражение (4) упрощается и при1шмает вид: 9 т.е. при быстром гашешш разряда весь ток, протекающий через прибор, направляется в нагрузку. Если LI 50 мкГн; R, 200 Ом, эар 200 А и t 20 не, t ии„..„ 40 кВ. При питающем напряжении Е 1000 В и Ди 100 В из (3) можно найти время заряда tjgp индуктивности LI до тока I ряда индуктивност 200 А. Расчет дает t. II МКС. Итак, быстрое приложение к первой сетке высокого отрицательного потенциала привело к возникновению сеточного тока i , сравнимо го с разрядным током i и последующему обрыву протекавшего сквозь сетку разрядного то ка. Исключительно важным для реализации пред лагаемого изобретения является тот факт, что сеточньш ток управляющей (первой) сетки имеет очень большую величину лишь в том слу чае, когда к сетке приложен высокий отрицател ный потенциал, и сквозь сетку протекает значительный разрядный ток. Но как только разрядный ток сквозь сетку обрьтается, ток первой сетки также спадает почти до нуля. Поскольку ток первой сетки протекает через гасящее устройство, с гашением основного разряда резко уменьшается и ток в цепи гасящего устройства ig . Остающийся в цепи гасящего устройства незначительный ток L ... ,ч„ а2О.гп (сотни миллиампер), определяемьш в основном напряжением Е источника. 15, сопротивлением 7 развязки и выходным сопротивлением источника 8 включающего сигнала полностью прекращается с окончанием управляющего сигнала и (фиг. 2). На этом завершается рабочий цикл прибора. Таким образом, благодаря введению в при бор гасящего устройства с накопителем 6 энер пш 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 раз ряда в гасящем устройстве с током в сотни миллиампер (ig при напряжении в сотни вольт-единицы киловольт, создаваемом источником 15. Если накопительную индуктивность 17 (Li) заменить короткозамкнутой формующей линией (или кабелем), то в схеме (фиг. 1) возможно формирование прямоугольных высоковольтных импульсов при низком питающем напряжении Е источника 14. При RI р волновому сопротивлению линии (кабеля), в соответствии с (5) получим I --. 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 LI или заменить ее зарядным сопротивлением, а разделительный конденсатор 18 превратить в накопительньш, з еличив его емкость и пробивное напряжение. Целесообразно также увеличить напряжение питания Е источника 14, так как им определяется амплитуда напряжения выходных импульсов. Предлагаемый прибор будет эффективно работать и в устройстве, формируя на нагрузочном сопротивлении 21 прямоугольные импульсы тока и напряжения с длительностью, равной временной задержке сигнала U „„ относительно U „„ , ..ВЛ . BAj 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 превосходат плотность электрической энергии в конденсаторе, которая ограничена электрической прочностью диэлектрика. В частности, на основе индзтстивного накопителя можно создать малогабаритные генераторы сильноточных высоковольтных импульсов с наносекундной длительностью фронтов, которые могут найти самое широкое применение. 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° - Ю А/с; импульсной мощности управления 50-150 Вт; минимального временного интервала между последующими импульсами 3-5 мкс. Получение подобных параметров в этих же условиях с помощью существующих классов приборов невозможно. Предлагаемый прибор может найти применение в качестве согласующего элемента устройства на полупроводниковых приборах с мощными выходными электровакуумны.ми и газоразрядными приборами и в высокозкономичной аппаратуре с малым временем готовности. Формула изобретения 1. Импульсный газоразрядный прибор с двухсторонним управлением, содержащий катод, анод и управляющую сетку, отличающийся тем, что, с целью увеличения коммутируемого тока при одновременном уменьшении времени гашения разряда, мощности управления и запаздывания гашения, а также получения независимости длительности выходаяих импульсов от длительности и формы управляющих сигналов, в него введены дополнительный анод н дополнительная сетка, расположенная между катодом и дополнительным анодом и соединенная с клеммой для подключения источника гаГ7 0 i 2

Фмг. сящего сигнала, причем дополнительный анод соединен через емкостной накопитель знергии с управляющей сеткой, а последняя соединена через злемент электрической развязки с клеммой для подключения источника включающего гагнала. 2.Прибор по п. 1,отличающийс я тем, что катод прибора вьшолнен полым, с одного торца которого расположены управляющая сетка и анод, а с другого торца - соответственно дополнительная сетка и дополнительный анод. 3.Прибор по пп. 1и 2, отличающий с я тем, что элементом электрической развязки в цепи управляющей сетки служит резистор. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ворончев Тс А. Импул сные тиратроны. М., Советское радио, 1958. i. 2.Герен А. И. Мощные металлокерамические таситроны. - Радиотехника, 1973, № 3 (прототип).