Триоды, тетроды, тиратроны

Технические характеристики и назначение водородного тиратрона

В качестве диэлектрика для дугового разряда в водородных тиратронах используется водород или дейтерий. К преимуществам водородных тиратронов можно отнести:

• высокое рабочее напряжение,
• высокий импульсный ток,
• быстрое и устойчивое зажигание,
• низкое отпирающее напряжение,
• высокая эффективность,
• длительный срок эксплуатации,
• небольшая масса,
• компактность и удобство применения.

Водородные тиратроны широко используются в научных исследованиях, в военной и медицинской промышленности, а также в лазерных приборах, радарах, импульсных модуляторах, медицинских линейных ускорителях, рычажных устройствах защиты и других электрических приборах и оборудовании.

Конструкция водородного тиратрона

Водородный тиратрон состоит из сетки, катода, анода, баллона для водорода и керамического корпуса. Основные компоненты конструкции показаны на рисунке. В некоторых случаях тератрон оснащается электродом предварительного зажигания для улучшения характеристик зажигания и уменьшения времени ожидания зажигания. Сетки водородного тиратрона должны быть сгруппированы и иметь два или более точек разрыва для оптимизации регулировки рабочего напряжения в случае превышения заданного значения.

Конструкция катода пластинчатого типа увеличивает площадь передачи тепла, а тепловой экран катода уменьшает тепловую мощность, чтобы выровнять температуру и исключить вероятность распыления катода на сетку. Конструкции анода и сетки оптимизированы с точки зрения выдерживаемого напряжения и отвода тепла. Особым элементом водородного тиратрона является баллон для водорода. Данный баллон представляет собой металлический корпус с нитью накала, заполненный смесью титанового порошка и водорода, и с отверстием в стенке колбы. При подаче напряжения на нить накала и ее подогреве начинается разложение смеси титанового порошка с водородом и выделение водорода. После этого водород попадает в водородный тиратрон через отверстие и достигает давления насыщения в левой части кривой. После снижения температуры водород всасывается через отверстия и снова образует смесь с титановым порошком, после чего в баллоне возникает высокий вакуум.

Принцип работы водородного тиратрона

Процесс функционирования водородного тиратрона – это процесс, включающий в себя переход газа из состояния изоляции высокого напряжения в состояние высокой проводимости, а также преобразование энергии, накопленной за время подачи импульса, в мощный выходной сигнал в момент подачи импульса. Весь процесс можно разделить на три этапа. Когда на сетку не поступает запускающий импульс, высокое напряжение между анодом и катодом является изолированным. После подачи напряжения на нить накала катода и в баллон для водорода катод нагревается до температуры выделения теплоты, а электроны, испускаемые катодом, скапливаются в области между катодом и сеткой.

Этап 1 - зажигание сетки

При поступлении запускающего импульса на сетку действует следующее правило: чем выше напряжение сетки, тем выше сила тока сетки. В области между сеткой и катодом начинается ионизация, сопровождающаяся ростом напряжения сетки до значения ионизации и продолжающимся увеличением силы тока сетки. Когда сила тока достигает значения зажигания, сетка инициирует зажигание, при этом наблюдается заметное увеличение силы тока сетки и быстрое падение напряжения сетки. В области между сеткой и катодом начинается разряд и образование плазмы.

Этап 2 - формирование разряда от сетки к аноду

Чем выше сила тока сетки, тем быстрее образуется плазма между сеткой и катодом, после чего начнется ее распространение. Электроны, распространяющиеся вокруг отверстия сетки, двигаются к аноду через отверстие сетки под воздействием электрического поля анода, что приводит к ионизации газа между сеткой и анодом и формированию разряда от сетки к аноду.

Этап 3 - создание высокого напряжения в колбе (разряд от анода к катоду)

После завершения разряда в области между сеткой и анодом происходит быстрое увеличение анодного тока и резкое падение анодного напряжения, в результате чего в колбе начинается разряд высокого напряжения. Поскольку большинство ионов водорода в плазме экранирует отрицательное электрическое поле сетки, напряжение сетки не влияет на катодный ток, при этом сетка перестает контролироваться и в ней не возникает ток разрыва цепи. Когда анодное напряжение является слишком низким для поддержания разряда, прекращается разряд и начинается ионизация внутри колбы. При этом анодный ток опускается до нуля, анодное напряжение поднимается до первоначального уровня, а анод и катод возвращаются в состояние изоляции высокого напряжения. После ионизации сетка возвращается в контролируемое состояние, затем процесс повторяется.

Основные электрические параметры

• Время подогрева: минимальное время достижения температуры, при которой водородный тиратрон может нормально работать.
• Пиковое прямое анодное напряжение: максимальное положительное мгновенное напряжение, подаваемое на анод, относительно катода.
• Пиковое обратное анодное напряжение: максимальное обратное напряжение, подаваемое на анод, относительно катода.
• Пиковый анодный ток: самый высокий мгновенный ток анодного импульса.
• Среднее значение анодного тока: средний ток анодного импульса.
• Продолжительность анодного импульса: промежуток времени, когда значение параметра составляет 70% амплитуды импульса, если не указано иное.
• Максимальная мощность импульса: максимальная выходная мощность водородного тиратрона, которая равна половине пикового прямого анодного напряжения, умноженного на значение импульсного тока.
• Средняя выходная мощность: максимальное среднее значение выходной мощности водородного тиратрона, которое равно половине максимального анодного напряжения, умноженного на максимальное среднее значение тока.
• Коэффициент потерь мощности анода: произведение импульсного тока, анодного напряжения и частоты повторения импульсов, т.е. максимально допустимое значение потерь тепла в колбе.
• Зажигание сетки и выполнение пуска: при достижении достаточной продолжительности пускового импульса время зажигания сетки и анода сокращается и принимает устойчивое значение с увеличенной крутизной фронта пускового импульса. Таким образом, чем больше крутизна фронта пускового импульса, тем меньше время зажигания. При достижении определенного значения анодного напряжения, ток разряда сетки на анод должен быть выше значения пускового тока.

Стандартная схема применения

Водородный тиратрон используется в качестве импульсного модулятора в радарах, ускорителях и других устройствах. На рисунке представлена стандартная схема. После начала работы модулятора водородный тиратрон переходит в замкнутое состояние. Источник высокого напряжения заряжает цепь формирования импульсов (PFN) до номинального значения через зарядный индуктивный элемент и зарядный диод. При поступлении запускающего импульса на сетку водородный тиратрон начинает работать. Цепь формирования импульсов разряжается через водородный тиратрон и импульсный трансформатор. Импульсный трансформатор выдает импульс определенной продолжительности и повторяет импульс с определенной частотой. Продолжительность импульса зависит от цепи формирования импульсов (PFN), частота повторений зависит от частоты повторений пускового импульса.

Тиратрон с заземленной сеткой является одним из особых типов водородного тиратрона, обладающего преимуществами водородного тиратрона с искровыми зазорами. Тиратрон с заземленной сеткой может применяться в цепи с низким полным сопротивлением и принимать необходимый ток импульса малой продолжительности и высокий пиковый ток. Конструкция тиратрона с заземленной сеткой аналогична конструкции водородного тиратрона, т.е. тиратрон данного типа состоит из катода, анода, сетки и других элементов. В таком тиратроне заземленная сетка используется в качестве катода разряда и изготавливается из специального металла. Фланец сетки соединен с цепью заземления, а катод выдает отрицательный пусковой импульс.

Выбор модели и полезные рекомендации по использованию водородных тиратронов

Пользователь должен подобрать водородные тиратроны в зависимости от конкретного варианта применения. Пользователь должен учитывать допуски, чтобы все параметры не могли одновременно достичь предельных значений.

Процедура подготовки

Убедитесь в том, что упаковка не повреждена и не перевернута.

Откройте упаковку и достаньте чистые перчатки. Запрещено прикасаться голыми руками к керамическому корпусу водородного тиратрона.

Осторожно извлеките губку и тиратрон.

Убедитесь в том, что тиратрон не имеет следов грязи, окислившихся участков и трещин на керамической поверхности тиратрона. Цвет и длина выводов должны соответствовать техническим характеристикам.

Монтаж и охлаждение

Водородный тиратрон должен устанавливаться в вертикальном (анодом вверх) или горизонтальном положении и не должен находиться в перевернутом положении, поскольку это может привести к попаданию порошка или частиц с катода на анод и стать причиной ненормальной работы и даже к образованию электрической дуги и повреждению тиратрона.

При монтаже водородного тиратрона пользователь должен правильно подключить электрические полюса к цепи в соответствии с принципиальной схемой.

При необходимости охлаждения водородного тиратрона пользователь должен применять рекомендованную методику охлаждения. При использовании воздушного охлаждения поток воздуха должен быть направлен вертикально.

Предварительный прогрев

Предварительный прогрев: минимальное время прогрева, необходимое для обеспечения нормального функционирования тиратрона.

Перед созданием высокого давления нужно увеличить напряжение нагрева до номинального значения и выполнить предварительный прогрев в течение соответствующего времени.

После подачи напряжения прогрева постепенно увеличьте его до номинального значения.

Рекомендации по использованию водородных тиратронов

Основные параметры не могут одновременно достичь предельных значений.

Выберите подходящий метод охлаждения с учетом условий эксплуатации и технических характеристик водородных тиратронов. Несоблюдение данного указания может привести к перегреву, ненадлежащему функционированию или даже к повреждению тиратрона.

Запрещается прикасаться к водородному тиратрону сразу после завершения работы. В противном случае пользователь может получить ожог.

Пользователь не должен допускать чрезмерного охлаждения и нагрева нити накала, поскольку функционирование водородных тиратронов при чрезмерном охлаждении может привести к моментальному повреждению тиратрона и невозможности его восстановления.

Запрещается вносить несанкционированные изменения в водородный тиратрон.

Во избежание вредного воздействия рентгеновского излучения необходимо принять соответствующие защитные меры.