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闸流管的工作原理及其应用(田新智)

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发表于 2020-7-11 08:01:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
闸流管的工作原理及其应用
(田新智)

(一)引言
   作为线形调制器的开关元件应当具有点火时间稳定、消电离速度快、管压底等特性,具有这一特性的器件当前只有两种:氢闸流管和可控硅管。由于氢闸流管与可控硅相比其功率容量大、正向阻断电压高、电流电压上升速率允许值高等特性,所以一般来说用氢闸流管作为线形脉冲调制器的开关元件。
(二)氢闸流管的结构简述
    普通的氢闸流管是充气三极管:阳极、栅极和阴极。阳极是一平面的圆盘,上面用由细钨丝或镍丝制成的细网隔离;阳极下面2~3厘米处为控制栅极,它类似一衬片,上面的圆洞由网格较大的细栅网覆盖;阴极为旁热式氧化物,它是一中空圆筒,内工作面敷有氧化物,外边装有双螺旋灯丝。另外闸流管还装有氢气发生器,它是一填有钛氢化合物粉末的小管,外面绕以热丝,在加热时释放氢气。通常加热氢发生器用的热丝与加热热氧化物阴极的灯丝连在一起,因此管内气压和灯丝电压有关,并要求有3~5分钟的预热时间;当然也有的氢发生器是独立供电的。
(三)氢闸流管的工作原理
    l  脉冲闸流管的起动特性
    脉冲闸流管的起动特性曲线图一所示:
微信图片_20200711081847.png


    当把一定宽度的电压脉冲加到栅极上,用以控制闸流管的点火时,栅极起动电流将随脉冲宽度有变化,脉冲宽度越小,栅极起动电流值就越大。
    脉冲闸流管的工作条件,在很大程度上取决于线性调制器线路的选择,而这些条件在很大程度上取决于阳极反电压的大小和波形(太高的阳极反向电压,可能发生闸流管的逆点火,而在离子轰击下管子的电极主要是阳极还会发生强烈的溅射,其溅射微粒填塞栅极和栅孔,破坏闸流管的正常工作),为此,我们常常在直流线性调制器中使用它。
    由于形成电路的电容量,充电扼流圈的电感量以及重复频率的不同,形成电路的充电可能有三种状态:

微信图片_20200711082046.png


    其中:f —脉冲重复频率
    Lc —充电扼流圈电感量
    CN —形成电路的集总电容量
    当用电阻代替充电扼流圈时,充电过程就按指数定律进行。
    在许多情况下,谐振充电状态是最好的,它能保证管内气体有较长的消电离时间;而振荡充电状态下的闸流管,阳极电压得不到充分利用,降低了闸流管的脉冲输出功率。在理想情况下,考虑到充电周期开始和结束时流经扼流圈的电流相等,所以扼流圈的能量此时没有变化,因而电流给出的全部能量转变为电场能,积储在电容器中,故:
微信图片_20200711081906.png


    至于阳极电流脉冲宽度由所形成的电路的参数而定。
    在实用中,电路中稍有负失配而在闸流管上产生不大的反电压,有利于提高闸流管的工作稳定度。
    正起动特性脉冲闸流管的放电发展过程,可以分三个阶段:
    1)闸流管栅极放电点火,出现栅极电流。
    2)栅极增至一定值,此时放电由栅极到达阳极,并出现阳极电流。
    3)此阶段形成阴极—阳极间的电弧放电,同时阳极电压迅速下降,阳极电流迅速增强(击穿阶段)。
    在击穿阶段,电流脉冲前沿的最大斜率、阳极功率损耗、气体的硬度以及阴极寿命都与击穿时间有关。很显然,在低阳极电压时,击穿时间随阳极电压增加而迅速减小,而后随着阳极电压继续增大,由于电离率开始减低,击穿时间的减小速度就大大降低,当阳极电压超过一定值时,其不再减小。但随着阴极温度降低,击穿时间将大大延长,并且电压、电流也会出现波动。
    结论:
    ①击穿时间随气压密度的减小而延长。
    ②击穿时间大大延长会使电流脉冲前沿斜率降低。
    ③击穿时间随阴极温度降低而延长。
    ④击穿时间随阳极电压的增加而缩短(线性)。
    ⑤击穿时间随阳极电流的增加而延长(线性)。
    由于击穿时间随电流增加而延长的速度要比随电压增高而缩短的速度快一些,所以
    ⑥穿时间随脉冲功率的增大而稍有增长(假定电流电压同时增长)。
    ⑦击穿时间随氢压的增长而大大降低。
    ⑧在阴极热度不够或增加阳极电流时击穿时间延长是因为阴极发射不够所致。

    l  点火稳定度
    脉冲闸流管在击穿阶段的放电发展,是阳极电流迅速增加以及管上电压迅速减低的过程。经过击穿阶段后,就进入较为稳定的放电阶段(导电期)。
    ①为了获得满意的点火稳定度,必须控制电压脉冲前沿斜率和振幅高于某一定值。
    ②投入使用De-Q电路,稳定电源电压。
    ③降低控制脉冲发生器的阻抗。
    导电期阳极电压发生变化的特征是:在电流脉冲流动的最初0.2~0.6微秒时,阳极电压稍有下降,而后实际上就不再变化。电压降的大小,决定于阴极的质量,同时也决定于充入管内气体的性质、气压及管子的结构。
    对氧化物阴极在真空管内的脉冲放射进行多次研究证明了阳极电流与阳极电压的关系切合3/2次方定律。在这种状况下,这个阴极就工作于阳极电流未超过阴极发射能力的状态。这样
    ①阴极电压降是闸流管放电空间脉冲电压降的主要分量。
    ②脉冲电压降的另一个分量是阳极电压降。
    如果阳极电压降为正值,根据3/2次方定律并修正电子初速的影响,就可以计算出这个电压降,但只有阳极电压降尚未超过电离所需值时,上述定律才适用;如果阳极电压降的逐渐增高,超过电离值后,阳极电压降的增长就减缓并将实际上完全停止,这是因为电离形成的正离子对阳极壳层内的负空间电荷的补偿开始显示作用的缘故。
    于是我们可以得出如下结论:
    当阴极有二重层时,脉冲闸流管的阳极电压降与阳极电流无关;当氢气压力正常时,最大电压降不超过12~20V。
    ③脉冲电压降的第三个分量就是等离子区内沿电荷轴的电压降。

    结论:当阴极有二重层时,阳极壳和阴极壳内的脉冲电压降(以及闸流管放电空间的全部电压降)实际上与阳极电流无关。可以近似一常数,如下图二所示:
微信图片_20200711081913.png


    于是可知:在真空管中,阴极跳火可分为两种,一是当阴极表面负空间电荷区吸取较大密度电流时出现,另一种是当电流密度小,但阴极表面有正电场时出现。
    第一种跳火发生在阳极电流的3/2次方定律直线上。特点是:电流密度大,常见于良好激活氧化物阴极的管子中。
    第二种跳火出现于阴极表面有正电场时,发生这种跳火的电流密度通常不超过50A/公分2,并因氧化物敷层的性质而定。
    倘敷层为过碳酸盐氧化物,电场强度达40~60KV/公分时即发生跳火。
    倘敷层为碳酸钡氧化物,电场强度为100~125KV/公分即发生跳火。
    如果氧化物敷得不够坚固,则在强力电场作用下就会有碎片由阴极基础上剥落。碎片剥落时也会看到跳火现象,使阴极迅速损坏。显然这种情形在离子管中不会发生。

    l  消电离
    低气压消电离过程是按指数进行的,离子和电子的复合发生在管子各壁上,两极性扩散系数仅与电子温度有关,因为离子温度在消电离过程中很短时间内接近一常数。在消电离过程中,电子速度保持麦克斯韦分配。由于电子温度随时间降低,故两极性扩散在消电离过程中逐渐减小;又由于消电离过程按指数律随时间进行,因此气体越轻,消电离越快。
    闸流管栅极失去控制作用是由于正空间电荷层遮住栅极负电荷所致。在其作用未恢复之前,如果将正电压加到阳极,则由于栅极空间此时尚有来自阴栅空间的一些电子而发生电离,于是闸流管发生重复点火。
    显然,闸流管阳极正电压上升速度越快,栅极失去控制的过程越快,因为单位时间内气体电离量增加;另一方面,决定阻塞电位的栅极负电位越大以及消电离时间常数越小,上述过程就进行的越慢。

(四)注意事项总结
    总之,在闸流管的应用中,我们要注意到以下几点:
    1、要有一定的预热时间
    闸流管在使用前要有3~5分钟的预热时间,阳极电压才能加上,否则由于阴极温度低,造成电子发射不足,从而闸流管阳极与阴极间压降大,使阴极遭受正离子猛烈撞击而损坏,同时造成管内打火,影响管子使用寿命。
    2、闸流管灯丝电压要求稳定
    闸流管灯丝电压决定阴极温度,温度过高氧化物敷层会发生还原作用;过低则导致阴极发射功率不足。当然闸流管在长期使用后其性能有所下降,这时要适当调整灯丝电压。
    3、氢压要保证
    管子氢发生器电压的大小决定了管内氢气压强的大小,电压高则管子内的氢气压强高。但氢压过高的情况下,管子内的可电离气体密度太大,导致离子浓度过大,引起过流现象频繁。氢气压强过低,则有可能发生漏脉冲现象。正确调整氢发生器电压的方法可参见同方公司培训资料。但实际调整应用中,如果既不发生漏脉冲现象又不发生过流现象,同时电流波形顶部也没有波动,这时的氢压的调整就基本上认为可以了。
    4、保证闸流管栅极电压的脉宽、幅度等参数符合要求。
    5、对于一个新的氢闸流管,使用时要有一个老练过程。
    管子开始使用时不宜一口气就加到额定值,而只能慢慢将电压加上去并随时监察管子工作状态(工作时的声音、电流波形和管内弧光放电现象等)。
    6、灯丝电压的调整
    闸流管的灯丝电压一般为6.3V。对于加热氢发生器用的热丝与加热热氧化物阴极的灯丝连在一起的管子而言,因管内气压和灯丝电压有关,所以在管子性能有所下降并导致频繁出现高压过流现象的情况下,可以临时适当降低灯丝电压如到6V左右来使用,一般不要低于5.9V。这是因为管子的消电离时间延长导致了管子连续导通,适当降低氢压可以降低管内离子浓度,有助于消电离时间的缩短。
    7、闸流管需保持良好的通风散热状态
    8、随时监测闸流管工作时所产生的声音和弧光
    对玻璃管而言,闸流管正常工作时,其电弧光和声音是均衡的,不会发生时大时小的情况。对陶瓷的管子而言,就只能听声音来判断工作状态。
    9、闸流管的保养
    闸流管在工作一段时间后,由于静电吸附作用,将有一些灰尘粘在管外壁上,对陶瓷管而言,这将增加打火的危险,因此需定时对管子外壁擦拭。对玻璃管而言,可以用纱布粘高纯度的酒精液擦拭;对陶瓷管而言,须用干的丝绸布来擦拭,最好不要用酒精,万万不可粘水,切记切记!
    10、加速器最好工作在略有负失配的情况下,这将有利于闸流管的消电离。

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