Способ модуляции тока в газовом разряде

ОП ИС Сею з СоеатскивСоцналистически араспилки ЗОБРЕТЕН ИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51) М. Кл. 6 21) 2394832/18-2 присоединением заявки Рй 01117 Гвсуаарствввв ССС вв далам вз в еткрилетень ЮЗ 5.1 53) Уд но 621,385.8.8) Дата опублик ння описания 28.1(72) Авторы изобретения Заявител рдена Ленина физико-технический институт им. А. Ф, Иоффе АН СССР 4) СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ТОКА В ГАЗОВ РАЗР ЯДЕ дер-. ертом Изобретение относится к проблеме управления током в газоразрядных приборах и может 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 в низковольтных сильноточ1 О ных цепях, при решении разнообразных задач коммутации больших токов с малы ми потерями.Известен способ модуляции тока в газовом разряде, осуществляемый в цезие 1 вых приборах с сеточным управлением 11.Однако ему свойственно ограничение на величину коммутируемой плотности тока порядка единиц ампер на см.Наиболее близким к изобретению яв 20 ляется способ модуляции тока в газовом разряде путем подачи напряжения на управляющий электрод, который осуществляется в таситронах 21,В этих приборах сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом, под живает разрядный промежуток в зап состоянии при высоких (до киловольт и более) анодных напряжениях. Поджиг раз- ряда и переход в проводящее состояние осуществляют подачей на сетку положительного напряжения Наиболее ложную операцию - гашение разряда - производят подачей на сетку значительного отри цательного напряжения, обеспечивающего перекрывание ленгмюровских ободочек соседних витков.При осуществлении этого способа не-. обходимо подавать на сетку большие (по рядка нескольких сотен вольт) напряже ния. Кроме этого для способа характер но принципиальное ограничение управляе мых токов величиной порядка одного ампе ра на квадратный сантиметр площади сезъЦелью изобретения является увеличение модулируемой плотности тока и мощност, а также управление величиной693472 аай Роярв 3длительности импульса том синхаонизяция заднего фронта импульса тока и управление длительностью импульса,Достигается ато тем, что давление кОмпонент гязя и температуру катОда Вы бирают из услоВий,Ва 1, ( Тс 11Ей 5 йхрит= кта рабОЧЧО ТОЧКУ ВЫбираЮтс ИСХОдя ИЭ уС10 ЛОВИЯ,-;1й 1 1 итгде Л. - длина свободного проаега8электронов;Д Величина межвлектрод 110 гоЗЯЗО Яфс7 - средняя скорость ионов в1плазмеП 1 ФЗМЯССЯ ИОНЯ ( ИИИГРРОНЯ)Р д давление плязмообряэуюп:;еиКОМПОНЕНТЫЕеТ - температура атомов плазма:.образующей компонентьцК - постоянная Больцманя;В заряд электрона;й, - ток жектронной эмиссии ка 259ТОДЯЗо анодный ток-критический ток, объемный,й цайтзаряд которого можно скомПЕНСИрОВЯТЬ Прн Гсопиай ИСПИ- ЗОзации атомов плазмообрязующей компоненты газа. йополнительными признаками чвпяется то, что измаенпот плотность надкритического разрядного тока ( 1 с 1 ) Зкри ) путем регулировки температуры катода, на управляющий злектрод подают импульсы отрицательной полярности длительностью порядка времени деионижции и амплитудой по.- 4 О рядка прямого падения напряжения в проводящем состоянии.Экспериментально обнаружено, что при токах в плазме, превышающих 3,рА 5 разряд переходит в неустойчивое состоядие и плазма в разряде существует огра= ниченное время, по истечении коорого происходит самостоятельный обрыв тока, причем длительностью импульса тока существенно определяется процесс десорб 50 ции атомов с поверхностей анода и сетки,Таким образом при выполнении указанных услОВий ( А ) Й, й) й к и ) создЯРтсЯ внутренняя неустойчивость разряда в про 55 водящем состоянии, что существенно облегчает гашение разряда при плотностях разрядного тока порядка песиков ампер на квадратный сантиметр си более. 1 вустойс 1 ИВО та р,1 ряда абуС Я 1 аЛН Всаа 1 Ся ТЕМ, Чта Прн ДЛИНЕ СвабОГ 1 И 01 а с 1 ро- бВГЯ ВЛЕКТРОНОВ Л э. ЭСа 1 итв 11 ЬЦО ПСасааЫ, ШЯЮЩЕй МвжЭЛЕКтРОДЦОЕ Расетаиниа а 1, ТОК В РЯЗРЯДЕ ПсЕРЕНОСИТСЯ ПУЧКОМ Э 11 ЕКтронов, ускоренных на прикатодОм папв- НИИ ПатЕНЦИЯЛЯ. В ВТОМ СЛЧа 1 сае ВВЛИЧИПЯ РаЭРЯДНОГО ТОКЯ й рс 1 з, СВЯЭЯЦа С Кацпаптрацией иоцав Б плазме 11 И их средцей СКОрСссть 10 аС, Саатцаие и ИЕМ Физические процессы, происходя:.Ипв в плазме при повьппе 11 ии 1 глатцостп праходяп 1 ага разрядного 1 ока и, Б частцгзсти, при превышении плотностью тока крити- ческОГО, значвнич происходят следующие. С ростом плотности тока увеличивается степекь ианизации цен ральных атомов. В ЗТИХ УСЛОВИЯХ СУЩЕСтБЕЦЦЫМ ОКЯЭЬсВЯЕТСЯ ВСВ раастуЩЦй ОТБОЯ 110110 Б Эс 1 Ктщ 1 РИЧЕСКИМ ПОЛВМ Ца КЯТОД. Са.ТОМЬ 1 с:.11 В:ающие с поверхности катода . Ипу малой длины иониэяцииианиэуются преимущественно вблизи его паведхностиОбразаванНЫЕ ИОНЫ ВНОВЬ ОТ".ОДс 1 ТСЯ ПОЛЕМ Па Ка= тод, Это обстоятельство приводит к та=МУр ЧТО В СИЛУ УСЛОВИИ ПОСТОЯНСТПЯ спал НОГО ДаВЛЕНИЯ С РОСтаМ Ствпвсся И 011 сижции уменьшается концентрация цейтрального газа в сежэлектродном промежутке и падает частота иациэующих стопкнове= ний. И когда концентрация ионов Вдали от катода п 1 становится меньше и,: - , - ;-,Рцр е у е наступает "критический режим", с-.1 эт )м режиме происходит няруше 11 ие: равновесия между скоростью иан 11 эо,ки И СКОрОСтЬЮ уХада ИОНОВ На Катод- С 1 а 1 сьнейшие попытки увеличить плотность тв-" Ка ВЬППЕ 1 аСПРИВОДЯТ К ОбРЫВУ ГОНЯ В разряде через некоторое времяпосле прихода на сетку поджигающего положительнога импульса. После обрыва тока -концентрация нейтральных атомов в межэлектродпом промежутке увеличивается, однако, сет:- ка находящаяся пад отрицательным ".10 тенциалом, препятствует возобновлению разряда до подачи на нее следующего Положительного импульса няпряжРния,Б режиме, в катаром суц 1 ествует неустойчивое состояние разряда, модуляп,ию Осуществляют слРдуюПим Образам, Запертое состояние раэряд 1101 с промажут: Ка Г 1 ОДДЕРжИВЯЕтСЯ ОТРИспсстЕЛЬЦ 1 сМ ПОТЕЦ циалом на сетке (состав 11 я 1 ОИ 1 ем нвскопь КО П(зонс Цтов ОТ )НОНОО ЦОТОЦЦИЕЗЛЛ),( по)Япкл 1 Г) + 1, з,) сек) поееожите)Ого имцульсл цл сетку Клк ука:эывллосьУВЬПЦЕ, Ц) И НЛ ДК РИТИ сО СКОЙ ПЛОТЕОСТ И )Л Зрядно о токл ( 1 рсмр),) кр)эт) ЕэоводяНеесостояцис существует в течение коцеччого времени Г, В течение этого времеци существенно уменьшается концент- Орация ионов вблизи анода, вследствие чего возцикяет минимум потенциялд и разряд переходит в неустойчивое состояние.Рдспространяясьпо нлправлеееию к катоду,минимум потенциала достигает сетки,вызывает перемыкание приэлектродныхслоев соседних витков сетки, и разрядный ток прерывается. Едким образом,гашение разряда происходит самостоятельно без подачи на сетку гасящего отрицательного импульса напряжения.Длительность импульса тока 2 существенно зависит от величины разрядноготока и тем меньше, чем больше ) рсезр.25Если в рассматриваемых условиях вкачестве плазмообразующей компонентыиспользуют вещество (газ) с высокойадсорбционной способностью по отношению к материалу анода и сетки, длитель 30ность импульса тока в проводящем состоянии может быть существенно увеличена (больше, чем на порядок). Это происходит в силу того, что при высокой степени ионизации атомов, находящихся в35межэлектродном зазоре, равновесие между скоростями ионизации и ухода ионовна катод некоторое время еще поддерживается за счет атомов, десорбирующихсяс анода и сетки,В реальных условиях возможно некоторое изменение длительности проводящего состояния Г из-за нестабильности параметров разряда. В тех случаях, когданеобходима модуляция тока с жесткимитребованиями к величине и Ееостоянстйудлительности импульса тока, легко осуЕцествить принудительное гашение разряда, подав на сетку небольшой отрицательный импульс напряжения в любой момент времени до самостоятельного обрываразрядного тока,На фиг, 1 представлена вольтамперная характеристика триода на смеси паров цезия и бария дляРс = 8,10 тор,Тэ Е= 800 К, Тк = 1728 К; ця фцг. 2 -зависимость плотцости критического тока от давления паров цезия. Кривая 1расчет для случая, когда потоки нейтрлльЦИХ )ЗТСсОЭ С КЛТОД)З НЛ ДЕОэ И О)РЛТЦО сЕзноззсзцэець); кривсзя 2 - )лсчет для цс)- СТЯЦИОЦЛРНОГО )ОЖИМСЗ, В КОТОРОМ Еэсс) ЦЕ 1 йтРЕЗ)ЕЬЦЫсэ ДТОМЬ ЦадаЮТ ТОЛЬКО ЦЛ катод; КРЦПЛЯ - ЭКСПОРИЕЗЕЦТЛ)ЕЕ,ЕЗЕ,Еса длццьэе; ЕЕД фиг, Д представлена модуля- ЦИЯ ЕЕЕЗДКРИТИЕОСКОГО РДЗРЯДЕЕОГО ТОКДф о для Р = 6).Г.1 Г) тор Т = 920 К, Т= 1680 К Е - " 50 в; ( д, б - при подаче ця сетку положительных управляющ)сх импульсов напряжения; в, г - при подаче ца сетку биполярных упрдвляк)эцих импульсов)р на фиг. 4 представлены зависимости длительности импульса нддкритического разрядного тока для Р - 6.6,10 4 тор, Т,5 (= 850 К с От а - температуры катода и б - плотности разрядного тока. Предложенный способ модуляции осуществлен в трехэлектродном приборе плоскопараллельной геометрии с катодом косвенного накала. Величина межэлектродного промежутка составляет 4 мм. Б качестве управляющего электрода использована сетка из молибденовой проволоки диаметром 30 мкм и размером ячейки 150 х 150 мкм, расположенная в центре межэлектродного промежутка,Прозрачность сетки с учетом радиаторов охлаждения составляет величину 0,5. В качестве наполнения триода используют смесь паров цезия и бария, Давления компонент смеси регулируют температурами жидких фаз и выбирают такими, что длина свободного пробега электронов превьпцает величину межэлектродного промежутка (Рс 5.10 тор, Р 4 4.10 тор). При указанных давлеваниях паров бария катоды из обычных тугоплавких металлов обеспечивают плотность электронной эмиссии порядка нескольких десятков ампер на квадратный сантиметр, что превышает критические плотности токов для Р5.10 тор,С 5В результате в эксперименте осуществлены режимы с надкритическими значениями плотности разрядного тока ц самостоятельным гашением. На фиг. 1 представлена вольтамперная характеристика триода для одного из таких режимов. На участке а-в характеристики разряд устойчив и может быть здрегистри Овлц статическими методами. В точке в, кОгда ток достигает критического значения, происхоцит самостоятельное погасанце разрядапоэтому пунктирный участок в-г Ес) Нстрировдли в импульсном режиме (вцд илэпуль-;ив(18)1 уй ПИВОВ ДЕВИН ттрд лС (; ) Втт,1 (ОИГ 2 1(1 ЗТО 1 )КЕ ф(1 т(тн КО На Катод,ЗИ (1 "и( Я МИ СОВ Надкрит 11 Ч 8 СКО 1.1) Тока В .";1 (-, Итд(11(1 СС т(,От темпера 1 урьу 1 о)т, да представл,фиГе 4(.,(1 18 РИМЕНТа 1 ьуц 18 ИСС)ЕдеВ(а.=ния поклзали (" т )ли 1 на кртгтилесъ ;ГО тока В 1 риод на ( меси пар(.в 148 зи(и бария всецюпо Определяется данден(те,.парОВ цезия и не заВисит от дав)енияпаров бария в исследуемом диапазонедавлений. Это свидетепуствует;чтО плазмообразууоупеЙ 1(.о:".:. ):;:.:тоу" .:1(ЛЯЮТСЯ ПВРЫ атОМОВ лЕЗИЯ В " В(-,Е ;,икак пары бария обеспечивают нс,".,: (:мую електронную эмиссию ка"ода,Модул 5 щию разряднОГО тОка триод .1ОСУЩЕСТВЛЯуот В ОЕ)КИМЕ )УТО ЧИВОГ(-горения разряда (участок в-.-с 1которы.:,".подбирают либО изменением темпсрат,";рвукатода, либо изменением величин сопротивления нагрузкит либо анодного наири.жения,Примеры модуляции прив 8 деньх на х)и(,.3 аб )1 й фиг, 3 а тур(1 вед(8 Б 2 (Рт)ртта лут,ложительных импульсов 11 апря)кения, по=даваемых на сетку для поджига разряда,Амплитуду управляющих импульсов Вовсех режимах выбиралу в диапазоне +,"1.;.,51 О В,На фиг," б) ууредставлена( ,оу, тл уттпульсОВ надкритическОГО разряГутог то( "После отпирания триода положительнымупраВля 10 щим импульсОМ разряд гопит Втечение ограниченного времени, по истечении кото алого наблуодается смост.уя.- тельное запирание триод- оез пода-:и о.рицательного импульса на сету;:,КНРтина МОДУЛЯЦИИ ХОР("туДО ВОСПРОИЗИ-,дится В диапазОне исследуемых частот3, - 3.0 кгц. успйьзоваууууе в качес) Веплазмообразу 1 ощей приса(тки атомов цезия.хорошо адсорбирующихся на электродах(привело к тОму что абссчк)тное знате"тРвремени существовауния разряда з проводя=ЩЕМ СОСТОЯНИИ (ДЛ(1 ТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛ 1 СЗтока)существенно 1 до двух порярков 1Превышает время пролета атомов 1 ионэв(,тМежду электродами, Из фиг. 3 б, видно,.1 , -т.что ;,оказал,)сь порядка ,5 1 С( . Сек,В то .Время Как соответствующая веди:-,. -на в парах ртути и В инертных (у)зах(-;, .,окак правило, не превосходит 10, 1(.)сек. Таксе болыдое Т,- обусловлено учас: -ТИЕМ В ИОНИЗаЦИИ НЕ ТОЛЬКО лтОМОВ ЦЕЗИЯ находящихся первоначально в (тт)кэлекурод ном зазоре, но и атомов, есорбирующихся,15 с анода и сетки. Изменением температуры катода ре "у-. -лировали величину надкоитического разряд"(. 1 уча 8 В,. .т первом схР ча е к1 В я =" подТОКИ Н(-.,17)8 Л 111 Ь 1 Х 8 УОМОВ ( 113 тода 116Вдллбт)(а-( тто т(дттв(д( (ЬГ В) ВТОРОМт(т)11 в(ч(тт,:, нтслл лтуона рту(,уу ое)ки Вкотово:1 все туейту)аль)ту.те атомы утадаютПредлагаемый способ модуляции надкритического разрядного тока позволил в исследуемом диапазоне Рс и при анодном напряжении 60 В устойчиво с хорошей воспроизводимостью модулировать,2 мощность в диапазоне от О,б до 4 квт/см,формула изобретения 10 1. Способ модуляции тока в газовом разряде, путем подачи напряжения на управляющий электрод, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличе ния модулируемой плотности тока и мощности, давление компонент газа и температуру катода выбирают из условий где йедлина свободного пробега электронов;величина межэлектродного зазора;средняя скорость ионов в плазме; 30масса иона (электрона);давление плазмообразующейкомпоненты;температура атомов ллазмообразующей компоненты; 111. (Е)/О 8 г 2 Л 2 с 3, , 1 Р,Г" экрит кт а а рабочую точку выбирают, исходя изусловия в вкроте 1.;9 Д 472 10К - постоянная Больцмана;Е - заряд электрона:- ток электронной эмиссии катод ядаанодный ток- критический ток, объемный заКритряд которого можно скомпенсировать при полной ионизацииатомов плазмообразующей компоненты г,аза.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью управлениювеличиной длительности импульса тока, изменяют плотность надкритическогОразрядного тока ( д арот ) путем ре;гулировки температур катодй+ф,З.Способ поп. 1, отличающ и й с я тем, что, с целью синхронизации заднего фронта импульса тока и уп 20равления длительностью импульса, на управляющий электрод подают импульсы отрицательной полярности длительностьюпорядка времени деионизации и амплитудойпорядка прямого падения,.напряжения впровод,ящем состоянии.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Заявка % 2145850,кл. Н 017 17/74, 20.06.76, по которой принято решение р выдаче авторского свидетельства,2,3.0 Ьм 1 еао и аТЬе Тас 1 Егор а11 ож йо 1 ве Талгат,гоп" ,Ргос.1 иЕ,42, р, 1350, 1954 (прототип).ма сч се 1111 ИИПИ Заказ 6 111/1,)ТЩиж 3 с ) 1 од 1 иодое 15 о Филиал 1г. Ужгород 11 "ГЬт цт",л,11 роРктня л,