Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

370 Глава

18.

Импульсные

генераторы

плазменными прерывателями

тока

34.

Мепс1е1 С. Ж, 1г.,

8ауа§е М.Е.,

2а%аг

В.М. е*

а1.

ЕхрепшеШз оп а Сиггеп1-То§§1её Р1азша-

Орешпё 8^ксЬ //1.

Арр1.

РЬуз. 1992.

Уо1.

71, N 8. Р. 3731-3746.

35. Заказе М.Е., Зтрзоп

Ж Ж,

Соорег О.Ж,

1]$Нег

М.А. Ьоп§ Сопёисйоп Типе Р1азша

Орешп§ 8\уксЬ ЕхрепшеШз

гХ

8апсИа Ыа*юпа1 ЬаЬога1опез // Ргос. IX 1п1егп. СопГ. оп

Ш^Ь-Ро^ег

РаПю1е

Веатз. \УазЬ. (О.С.), 1992. Р. 621-626.

36. 8анаце М.Е.,

Ноп%

Е.К., Згтрзоп

Ж.Ж., ЛзНег М.А.

Р1азша Орешп§ 8\уксЬ ЕхрепшеШз а!

8апсИа Ыа1юпа1 ЬаЬога1опез // Ргос. X 1п1егп. СопГ. оп Н1§Ь-Ро^ег РаШс1е Веатз. 8ап

Б1е§о, 1994. Р. 41-44.

37. 8ауа$е М.Е., 8трзоп Ж Ж, МепМ

С. Ж.

е! а1. // 1п1егпайопа1 Р08 \УогкзЬор, Арп1, 1997.

Сгаша1, Ргапсе, 1997.

38. Баринов Н.У., Беленький Г.С., Долгачев

Г.И.

и др. Частотные плазменные прерыватели

тока и их применение в технологии мощных ускорителей // Изв. вузов. Физика. 1997.

№ 12. С. 47-55.

39. Бастриков А.Н., Жерлицын А.А., Ким А.А. и др. Увеличение мощности линейного

трансформатора посредством последовательного включения ППТ

Там же. 1999.

№

12.

С. 9-14.

Глава 19

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ КОММУТАТОРЫ

С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

§ 19.1 Введение

В этой главе мы рассмотрим газоразрядные приборы высокого давления (пра-

вая ветвь кривой Пашена) с полным управлением. Это означает, что они могут не

только пропускать ток за счет подачи пускового импульса, как искровые разрядни-

ки или тиратроны, но и прекращать его пропускание, если этот импульс прекраща-

ется или посылается дополнительный запирающий импульс. В этом отношении

они имеют свойства, близкие к электронным лампам или управляемым полупро-

водниковым приборам.

Особенностью рассмотренных здесь коммутаторов является то, что физические

процессы, которые в них происходят, достаточного хорошо изучены в физике газо-

вого разряда (см. § 6.5). В этом отношении они имеют преимущество перед комму-

таторами с ЭВП и ППТ. Однако эти приборы не позволяют коммутировать мощно-

сти в 10

Вт и более, как это имеет место при использовании вышеназванных

коммутаторов. В лучшем случае мощность импульса составляет 10

Вт. Но, с дру-

гой стороны, эти приборы имеют и свое преимущество. Они могут работать в им-

пульсно-периодическом режиме, причем в пакетном режиме частота может дости-

гать 10

Гц.

Центральное место в этой главе, конечно, занимают инжекционные тиратроны

(ИТ). Понять их работу достаточно просто. Действительно, если представить себе

обычный тиратрон, то при быстром обрыве цепи накала катода он перестанет про-

пускать ток. Однако этот процесс будет длительным из-за инерционности процесса

остывания катода. В ИТ вместо эмиссии электронов с накаленного катода исполь-

зуют прямую инжекцию электронов в газ. Впервые такой разряд был обнаружен

группой Месяца в ИСЭ [1-3]. Однако первоначально наибольшее применение эф-

фект инжекции электронов в газ высокого давления (> 1 атм) в присутствии элек-

трического поля нашел применение в мощных газовых лазерах.

Одним из основных свойств ИТ [3] является быстрое увеличение сопротивле-

ния плазмы в столбе газового разряда за счет рекомбинации плазмы и прилипания

24*

372

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

электронным управлением

электронов к молекулам газа. Это происходит, когда быстро прекращается инжек-

ция пучка электронов в газ. Этот эффект в ИТ можно использовать в качестве пре-

рывателя тока в генераторах с индуктивным накоплением энергии. Кроме того, ИТ

может служить просто как ключ для выключения килоамперных токов. ИТ можно

применять и в режиме замыкания тока, как обычный тиратрон. В режиме замыка-

ния и размыкания тока ИТ может работать в импульсно-периодическом режиме.

Одним из главных недостатков ИТ является радиационный фон, который создается

электронным пучком с энергией электронов >100 кэВ, так как при меньших энерги-

ях электроны не могут быть инжектированы в газовый объем ИТ из-за наличия ме-

таллической фольги, разделяющей вакуумный и газовый объемы. Второй недоста-

ток - это громоздкость прибора из-за присутствия ускорителя электронов. Третий -

недолговечность ИТ из-за прорыва фольги после определенного числа импульсов.

Мы не будем рассматривать управляемые приборы, работающие в дальней

левой ветви кривой Пашена, - таситроны и кроссатроны. Они редко используют-

ся в технике мощных наносекундных импульсов как основные приборы, но мо-

гут играть вспомогательную роль в первых ступенях сжатия импульсов большой

мощности.

§ 19.2 Инжекционный тиратрон. Режим включения

Итак, проблему полного управления можно решить, если использовать неса-

мостоятельный разряд и в газовый промежуток инжектировать предварительно

ускоренные электроны. Прибор, названный инжекционным тиратроном, состоит

из двух объемов (рис. 1): газового 1-2 и вакуумного 2-3, разделенных тонкой

металлической фольгой 2. Катод 3 эмитирует электроны, которые ускоряются и

проходят через фольгу 2 в газовый объем. Ускоренные электроны ионизируют

газ, и если к газовому промежутку (1-2) приложить напряжение, в цепи будет

протекать ток. Этот ток при определенных условиях можно прерывать, прекратив

подачу электронов [2]. Таким образом, получаем прибор с полным управлением.

Эффект полного управления током разряда был продемонстрирован уже в пер-

вых работах по инжекционной электронике [1, 4]. На рис. 6.14, б показана ос-

циллограмма тока разряда в азоте, повторяющая форму электронного тока. Раз-

ряд в промежутке носил объемный характер.

\ \ 1

Рис. 19.1. Принципиальное устройство инжекционного тиратрона и схема его включения

(С

- накопительная емкость ускорителя; С, К - емкость и сопротивление импульсного

генератора)

§19.2

Инжекционный тиратрон. Режим включения

373

Для анализа работы ИТ преобразуем систему уравнений (6.48)-(6.55) к виду:

^ = п1-цИп

, (19.1)

/ = (19.2)

где п

- концентрация электронов в газе, м

-3

, N - концентрация молекул электро-

отрицательного газа, м

-3

, г| - вероятность прилипания одного электрона к молеку-

ле электроотрицательного газа за 1 с, Р - коэффициент рекомбинации, м

/с, \|/ -

число электронов, образуемых электронами пучка в 1 м

газа за 1 с, и

- дрейфо-

вая скорость электронов в газе, м/с, е - заряд электрона, Кл, у - плотность элек-

тронного тока, А/м

. Рассмотрим режим II «с 17

(II - напряжение на промежутке,

- статическое пробивное напряжение). Поэтому процессом ударной ионизации

в уравнении (1) мы пренебрегаем. Здесь и далее предполагаем, что напряжение на

промежутке в газе изменяется во времени. Для упрощения анализа положим

\|/ = сопз*, р = соп§{ и г| = С0П81. Точное решение (1) с учетом принятых допущений

в режиме замыкания тока:

1-ехр(-,/т)]

\Р

+ а

ехр(-//т)

где а = 0,5<у/г1

Л|/Р + 4 - 0,5лЛГ/^ур, т = [(лЛО

+ 4ур]~°'

Если предположить, что прилипания электронов не происходит, то при

< 1/2(\|/Р)

_1/2

концентрация электронов в плазме составит:

(*) = У*. (19.4)

Для линейной аппроксимации зависимости скорости дрейфа электронов и

от Е!р

можно записать и

1Лрс1,

где ко/р - подвижность электронов в газе, р - давле-

ние. В этом случае ток разряда на начальной стадии можно записать в виде:

/ = = (19.5)

рс!

где 5 - сечение столба разряда, равное площади, с которой инжектируется пучок,

X = 8е\ук

/рс1.

Используя эту формулу, можно рассчитать зависимость тока от вре-

мени для различных импульсных схем. Для импульсного генератора с разрядом

накопительной линии (рис. 2, а) ток на фронте импульса будет изменяться по закону:

для

разряда конденсатора (рис. 2, б) - по закону:

= (19.7)

где Я - суммарное сопротивление нагрузки и волнового сопротивления линии.

Оценим параметры импульсов для той и другой схемы. При разряде линии ток

стремится к амплитудной величине /

/Я.

Время роста тока до уровня 0,9/

(фронт импульса):

374

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

с электронным управлением

(а) |1/о

а в

ИТ

Рис. 19.2. Схемы включения инжекционного тиратрона (ИТ): а - с накопительной линией;

б- с накопительной емкостью

При разряде емкости амплитуда импульса тока:

Важнейшая характеристика любого коммутатора - крутизна роста тока при

коммутации

сШЖ.

Как следует из (6) и (7), на начальной стадии тока

сШЖ

Па-

раметр X увеличивается с ростом тока пучка инжектируемых электронов /

пара-

метров \|/ и ко в столбе разряда. Увеличивая все эти три параметра, можно добить-

ся большой крутизны роста тока.

В экспериментах с коммутатором импульсного ускорителя «Синус-2» для по-

лучения объемного разряда использовался пучок электронов в 2 кА, который ин-

жектировался в азот при давлении 10 атм [5]. При напряжении на коммутаторе

700 кВ ток разряда составлял 40 кА. При этом крутизна роста тока увеличива-

лась в три раза по сравнению с искровым режимом работы коммутатора. Сечение

ионизации с сильно растет с уменьшением энергии инжектируемых электронов.

Однако воспользоваться этим эффектом для увеличения сШЖ трудно, так как

уменьшению энергии электронов препятствует, с одной стороны, наличие разде-

лительной фольги, которую электроны должны прострелить, а с другой - необхо-

димость иметь малое число термализованных электронов и хорошую однород-

ность ионизации газа по длине промежутка, чтобы избежать роста электрическо-

го поля и контракции разряда.

Из формулы (3) следует, что поскольку в стационарном состоянии

с1п

!А

= 0,

концентрация электронов определится из формулы:

(19.9)

где е - основание натурального логарифма, а время до максимума:

(19.10)

(19.11)

Зависимость концентрации электронов в столбе промежутка от времени в слу-

чае рекомбинационного характера потерь заряженных частиц описывается выра-

жением (6.58), а если электроны убывают при прилипании к атомам и молекулам

§19.3

Инжекционный тиратрон. Режим

обрыва

тока

375

электроотрицательного газа - формулой:

/ \

Л«п

[1-ехр(-Гг1Ип)], (19.12)

где г| - константа прилипания, п„ - концентрация электроотрицательной примеси

в основном газе.

Вводя сопротивление газоразрядного промежутка =

рс118еп{1)к

легко по-

лучить форму импульса тока на нагрузке:

I = т. (19.13)

К^

[р<1 / 5ек

п(()]

Отсюда следует, что максимальный ток достигается при стационарной концен-

трации электронов в разряде, причем увеличение этого тока можно получать путем

снижения К„, которое для рекомбинационного и прилипательного режима имеет

соответственно вид:

рс1р

(е1

5арУ

(19.15)

ср

где а - усредненное сечение ионизации.

Поскольку при сохранении параметра рс! напряжение

остается приблизи-

тельно постоянным, увеличение тока через прибор связано с ростом тока пучка,

площади электродов, давления газа, а также с применением газов, имеющих высо-

кую подвижность ко. Среди таких газов наибольший интерес представляет метан,

у которого пробивные напряжения примерно такие же, как в N2 и С0

, а скорость

дрейфа для очень низких

Е!р

= 1-1,5 В/(м Па) на порядок выше [6] (рис. 3).

Рис.

19.3.

Скорость дрейфа электронов в азоте (/) и метане (2)

376

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

электронным управлением

В работе [7] исследовались электрические характеристики несамостоятельного

разряда, контролируемого электронным пучком. Электронный пучок формировал-

ся пушкой с прямонакальным катодом и через окно диаметром 1,6 см, загермети-

зированное титановой фольгой толщиной 20 мкм, вводился в объем разрядной

камеры. Энергия ускоренных электронов 135 кэВ, плотность тока за фольгой

14 мА/см

. Импульс тока пучка имел прямоугольную форму длительностью 8 мкс с

временем нарастания и спада менее 10 не. Один из электродов был секционирован,

т.е. изготовлен в виде концентрических колец с различными диаметрами, поэтому

имелась возможность регистрации амплитуды тока разряда через каждое кольцо и

амплитуды общего тока.

В ходе эксперимента проводилось зондовое измерение распределения потен-

циала вдоль зазора. Зонд был выполнен в виде ряда натянутых параллельно катоду

вольфрамовых проволочек и устанавливался на некотором расстоянии от катода.

Съемка разряда с экрана электронно-оптического усилителя яркости изображения

проводилась фотоаппаратом с открытым затвором.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) при инжекции электронов через катод и

анод показаны на рис. 4. В том и другом случае ВАХ имеют изломы в области малых

токов. Рис. 4, б с начальными участками характеристик наглядно иллюстрирует воз-

можность увеличения амплитуды тока разряда

метане по сравнению с азотом.

Изучение зависимости тока разряда от приложенного напряжения для различ-

ных сечений катода и анода показало, что рост тока анода наблюдается во всех се-

чениях. На катоде площадь протекания разрядного тока растет с увеличением при-

ложенного напряжения, ток протекает вначале в центральной части, а затем на пе-

риферии. Насыщение общего разрядного тока наблюдается тогда, когда наступает

насыщение на всех кольцевых сечениях катода. На центральных участках насыще-

ние разрядного тока достигается при более низких напряжениях, чем на перифе-

рии. При полях выше 7-8 кВ/см происходил пробой газоразрядного промежутка

через несколько десятков миллисекунд после прохождения пучка электронов. Ти-

пичная осциллограмма тока разряда при инжекции через анод показана на рис. 5, а.

< 50

" 40

Рис.

19.4.

Вольт-амперные характеристики разряда

метане при инжекции пучка через анод

(+) и катод (-)

{а)

и начальные участки этих же характеристик (б). Для сравнения показаны

ВАХ в азоте (±)

§19.3

Инжекционный тиратрон. Режим

обрыва

тока

377

[мкс]

Рис.

19.5.

Осциллограммы тока разряда

метане (а-в -

2; 3; 8 кВ соответственно)

При плотности инжекции у

= 15 мА/см

время нарастания и спада составляет

3-5 мкс, а коэффициент усиления по току, т.е. отношение разрядного тока к току

инжекции пучка, равен 10

при средних полях 500 В/см. При более высоких полях

вначале искажается форма импульса (рис. 5, б), а затем возникают незатухающие

высокочастотные колебания (рис. 5, в). Глубина модуляции достигает 10%, а пери-

од колебаний слабо зависит от параметров внешнего

ЬС-контура

и приблизительно

равен Т

«(Цу

где

с1

- расстояние между электродами, у

- скорость дрейфа элек-

тронов. В том случае, когда наблюдались колебания тока разряда, зонд фиксировал

колебания потенциала плазмы.

В слабых полях до излома ВАХ на катоде возникает светящаяся пленка. Даль-

нейшее увеличение поля приводит к резкому росту тока и появлению на катоде

ярко светящихся пятен, которые обусловлены возникновением эмиссионных цен-

тров. При инжекции через катод пятна, как и изломы ВАХ, появляются при более

низких напряжениях, чем при инжекции через анод. Пятна возникают в централь-

ной части катода и с увеличением напряжения, а следовательно, и тока заполняют

поверхность катода, образуя кольцевую структуру. Колебания тока разряда и по-

тенциала зонда при полях, больших 500 В/см, возникают за счет немонотонной

зависимости дрейфовой скорости электронов от приведенного поля (см. рис. 3).

Подобная зависимость в полупроводниках типа ОаАз приводит к явлению, извест-

ному под названием эффекта Ганна [8]. При этом в прикатодной области возникает

домен высокого поля, движущийся к аноду со скоростью, приблизительно равной

дрейфовой скорости электронов. Формирование, движение и распад домена сопро-

вождаются колебаниями тока, протекающего через полупроводник. Эффект, по-

добный эффекту Ганна, наблюдался в несамостоятельном разряде в смесях аргона

с молекулярными газами [9]. В рассматриваемой работе о наличии доменной неус-

тойчивости свидетельствуют колебания тока разряда и потенциала зонда. Таким

образом, использование несамостоятельного разряда, контролируемого электрон-

ным пучком, в метане позволяет получать большие разрядные токи при относи-

тельно низких электрических полях. Пробой газоразрядного промежутка наблюда-

ется при полях выше 7-8 кВ/см.

Рассмотрим использование ИТ в качестве замыкающего ключа на примере раз-

работок лаборатории 1ЧКЬ импульсно-периодических генераторов при мощности

импульса порядка 10

Вт, длительности импульса -100 не с частотой повторения до

Гц (пакетный режим). Одним из примеров такой установки является генератор

378

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

с электронным управлением

«ЕТА/АТА» (таблица 1) [10]. Инжектор пучка электронов данных ключей генерирует

импульс с коротким фронтом, а ионизация рабочего газа происходит быстро.

Таблица 19.1.

Характеристики нагрузки модуля «ЕТА/АТА» (замыкающий ключ, емкостная

система)

Тип нагрузки

Электронный диод

Напряжение нагрузки,

*У

200 кВ

Ток нагрузки, /

кА

Сопротивление нагрузки, К

Ом

Длительность импульса, (

40 не

Длительность фронта,

нс

Время между импульсами, т

100

мкс

Число импульсов в пакете, N

На рис. 6 показаны две схемы электрических генераторов с использованием ИТ

в качестве замыкающего ключа. Оба генератора основаны на использовании для

зарядки накопительных линий ключа К. Обычно прямая зарядка от генератора

Маркса (рис. 6, а) обеспечивает время зарядки конденсатора Со за мкс. Исполь-

зование повышающего трансформатора напряжения (рис. 6, б) дает ряд преиму-

ществ. Например, в качестве ключа К можно использовать полупроводниковый

тиристор. Однако время зарядки увеличивается до нескольких микросекунд, что в

случае, показанном в таблице 1, не играет роли, так как это время может быть и

100 мкс. ИТ должен обеспечивать пиковую мощность, подаваемую в нагрузку за

один импульс Р = 4-10

Вт. При частоте повторения импульсов > 10 кГц (при меж-

импульсном интервале <100 мкс) средняя выходная мощность импульса МО

Вт.

Передача мощности через ключ приводит к некоторой диссипации энергии в нем.

Количество рассеянной энергии, зависящее от длительности импульса, тока и

(а) Ко *

0 ^

ЛЛДЛ

;

%0--

ФСо

(б) Ко к

ио 0—\ЛМЛ-7-<?ло1

ТГ

ИТ

о \\

*к„

Рис. 19.6. Схемы электрических цепей, иллюстрирующие применение ИТ в режиме замы-

кания. Энергия для получения выходных импульсов первоначально накапливается в кон-

денсаторе, а затем передается в промежуточную формирующую линию (а) непосредст-

венно или (б) через повышающий трансформатор. Выходной импульс формирующей ли-

нии управляется ИТ

§19.3

Инжекционный тиратрон. Режим обрыва тока

379

падения напряжения на ключе в фазе проводимости, меньше энергии, подаваемой

в нагрузку. В открытом состоянии проводимость ключа незначительна во всех рас-

сматриваемых здесь случаях. Кроме того, индуктивность ключа должна быть огра-

ничена величиной -100 нГн, как это следует из значений параметров, приведенных

в таблице 1.

Другие случаи применения ИТ в технике мощных наносекундных импульсов, а

также изложение инженерных методов расчета генераторов с ИТ в режиме замы-

кания можно найти в обзорах [10-13].

§ 19.3 Инжекционный тиратрон. Режим обрыва тока

После быстрого прекращения инжекции концентрация электронов в плазме п

начнет быстро снижаться, а сопротивление ИТ резко возрастать. В чисто рекомби-

национном режиме, когда роль прилипания электронов к электроотрицательным

газам мала, зависимость п

(!) запишется в виде:

^"воО + Р^оО"

. (19.16)

В режиме, когда основную роль в деионизации плазмы играет прилипание:

= п

е0

ехр(-т1ИпО> (19.17)

где п

- концентрация электроотрицательной примеси в основном газе, а п

о -

концентрация плазмы в столбе разряда перед прекращением инжекции электронов.

Найдем теперь характерное время обрыва тока Если считать его равным

времени, в течение которого концентрация электронов в плазме уменьшается в

10 раз, то для рекомбинационного режима:

=9(1|/р)-о>

, (19.18)

а для режима прилипания:

Ч-Ц. 09-19)

г\Ы

Прилипание электронов очень сильно влияет на скорость спада концентрации

плазмы и уменьшает время обрыва тока. Однако следует иметь в виду, что при

этом уменьшается и стационарная концентрация электронов, т.е. коэффициент

усиления прибора по току (рис. 7) [13].

Влияние примеси электроотрицательного газа на время обрыва тока наглядно

иллюстрируется зависимостями, рассчитанными на электронно-вычислительной

машине [14] (рис. 8). Здесь показано напряжение на сопротивлении 20 Ом при

подключении к нему источника 200 кВ через инжекционный тиратрон, наполнен-

ный азотом под давлением 10 атм. Электронный пучок с энергией 150 кэВ, током

1 кА, длительностью 100 не инжектируется через площадь 10

см

в промежуток

2 см. На начальном участке кривой рост тока описывается формулой (5), из кото-

рой следует, что ток не зависит от р и г\ и, следовательно, от примесей кислорода.

После прекращения инжекции время обрыва тока определяется концентрацией

примеси кислорода в азоте.