Импульсный газоразрядный прибор с двусторонним управлением

(22) Заявлено 31.05.74 (2 ) 2057801/18-25с присоединением заявки ии(51)М. Кл. Н 01,1 17/44 1 ооудеротеениый комитет по делам изобретений и открытий(54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР С ДВУХСТОРОННИМ УПРАВЛЕНИЕМ Изобретение относится к электронной технике, а именно к импульсным газоразряднымприборам с возможностью прерывания разрядного тока управляющим электродом без снятияанодного напряжения, т,е. с двухсторонним управлением, и может быть использовано в мощ-ных импульсных устройствах с индуктивнымии емкостными накопителями энергии в режимах полного или частичного разряда накопителей,Известны импульсные газоразрядные прибо-ры.тиратроны используемые в качестве ключейв мощных импульсных устройствах, состоящиеиз анода, управляющей сетки и катода и наполнены рабочим газом для низкого давления т 11.,15Недостатком тиратронов является невозможность двухстороннего управления, посколькусетка в тиратроне из-за сравнительно большихразмеров ячеек неспособна гасить разряд и управляет только моментом его зажигания. Поэтому тиратроны неприменимы в импульсныхустройствах с индуктивными накопителямиэнергии, в которых гатцение разряда обязательно произвонится управляющим электродом, а 2также в устройствах с частичным разрядом емкостного накопителя.Известны также газоразрядные приборы с двухсторонним управлением (таситроны), со. держащие 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 друтой стороны, сетка не может быть слишком густой, так как это затруднило бы зажигание разряда на анод и увеличило потери мощности на сетке (21.Основным недостатком таситронов является невозможность гашения больших токов и получения малого времени гашения при ирак. тически приемлемой мощности. управления. Это связано с тем, что возникающий в процессе высокоскоростного гашения больших разрядных токов ионный сеточный ток, соизмеримый с разрядным током, создает на выходном сопро тивленин источника управляющих сигналов по. 894813 40 45 ложнтельное падение напряжения, полностью или частично компенсирующее отрицательное смешение на сетке, В результате этого разряд или совсем не гасится, или гасится с большим запаздыванием и эа длительное время. Высоко. скоростное гашение возможно только при очень малом выходном сопротивлении источника сиг., налов, но при этом мощность управления делается соизмеримой с выходной мощностью прибора, использование которого в таком режиме становится нецелесообразным.Кроме того, недостатками таситрона являются большая мощность канала и большое 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 дополнительном блоке для формирования длитель. ности управляющего импульса. В таситроне весьма значительны стартовые и финишные по. терн и перенапряжения на сетке в период формирования разряда, которые создают опасность пробоя полупроводниковых приборов в подмодулятореЦель изобретения - увеличение коммутируемого прибором тока при одновременном уменьшении времени гашения разряда, мощности управ. ленни и запаздывания,а также получение неза.висимостн длительности выходных импульсов от длительности и формы управляющих сигналов, кроме того, значительное уменьшение времени готовности мощности накала к ис.ключение перенапряжений в цепях управления прибором. Указанная цель достигается тем, что в устройство введены дополнительный анод и дополнительная сетка, расположенная между катодом и дополнительным анодом и соединенная с клеммой для подключения источникаг.с;его сигнала, причем дополнительный анодсоединен через емкостный накопитель энергиис управляющей сеткой, а последняя соединена через элемент электрической развязки склеммой для подключения источника включающего сигнала.Катод прибора выполнен полым, с одноготорца которого расположены управляющая сетка и анод, а с другого торца-соответственнодополнительная сетка и дополнительный анод,Элементом электрической развязки в пепиуправляющей сетки служит резистор,В таком приборе емкостной накопительэнергии служит нмпульснъ 1 м источником сеточ.ного запирающего напряжения и отрицательным полюсом соединен с управляющей сеткойприбора, а положительным - с дополнительным анодом. Это запирающее напряжение при 1 О 15 20 25 30 55 4кладывается к управляющей сетке относительно плазмы, созданной основным разряднымтоком, в момент поступления на дополнительную сетку гасящего сигнала, задержанного натребуемое время относительно включающегосигнала, причем в качестве коммутирующегоэлемента используется та же,плазма основногоразряда,Возникающий при этом очень большойионный ток управляющей сетки не уменьшаетприложенного к ней запирающего напряжения,поскольку управляющая сетка прибора и дополнительный анод, приходящий в этот моментв контакт с гаэоразрядной плазмой, представляют собой как бы двойной зонд, погруженный в плазму основного разряда, При этомемкостной накопитель энергии (конденсатор),включенный между управляющей сеткой идополнительным анодом служит импульснымисточником питания двойного зонда, Вместоемкостного накопителя энергии может бытьиспользован источник напряжения с малымдинамическим сопротивлением, подключенныйсоответствующей полярностью к управляющейсетке и дополнительному аноду.В соответствии с теорией двойного зондакрактическн все напряжение источника нитання надает в ионной оболочке отрицательногоэлектрода управляющей сетки прибора, еслидинамическое сопротивление ксточника питаниязонда мало. В этом случае обеспечивается гашение очень больших разрядных токов приусловии подачи соответствующего напряженияна накопитель энергии (конденсатор).Уменьшение времени гашения сильноточного разряда и запаздывания гашения обуслов.лено тем, что в предлагаемом приборе плазма,созданная основным разрядным током, по существу служкт плазменным катодом для дополнительного анодно-сеточного узла. Благода. ря этому резко уменьшается время формиро. вания разряда в цепи дополнителького анода и запирающее напряжение прикладывается к управляющей сетке с очень высокой скоростьюи практически без запаздьвания относительносигнала гашения,Элемент развязки, включенный между управляющей сеткой и источником управляющих сигналов, препятствует прохождению мощного отрицательного гасящего импульса, вырабаты. ваемого прибором в цепь источника управляюцах сигналов, уменьшает мощность, эатрачи. ваемую источником сигнала на управление (она расходуется только на зажиганке разряда и оказывается очень незначительной), а также позволяет управляющей сетке приобрестив плазме "плавающий" потенциал после поступления на нее первого включающего сигналан зажигания разряда. Это обеспечивает прово.5 894813 Ьдящее состояние прибора до пос лениятуп ения на держивается постоянньгй подготовительный раз.дополнительную сетку второго (гасящего) сиг- ряд в полом катоде.нала, задержанного относительно первого сигна- Подготовительный разряд способствуетла на время, оп еделяемое т еб ем "р уемой длитель уменьшению амплитуды управляющих сигналовностью коммутирующего тока, Тем самымм самым ч и препятствует возникновению перенапряженийобеспечивается независимость длительности вы- на управна управляющеи сетке 2, которые в тиратро.ходных импульсов от длительности и формы . нах и таситронах достигают нескольких кило.управляющих сигналов, вольт и могут вывести из строя полупроводНа фиг, 1 представлены один из вариантов никовые приборы в цепи управления.выполнения прибора и схема его включения 10 Необходимо подчеркнуть, что емкостнойв импульсном устройстве с индуктивным нако накопитель 6 энергии (конденсатор) и элементпителем энергии; на фиг. 2 - качественные 7 развязки, несмотря на то,что они находятсядиаграммы токов и напряжений, поясняющих вне оболочки 13 прибора, входят в составработу прибора в схеме, прибора, так как без этих элементов в любойфункционально прибор состоит иэ двух 1 з иэ схем включения невозможно получение по- .ичастеи: коммутирующей части и гасящего уст- ложительного эффекта. Эти элементы можноройства. разместить, например, в цоколе прибора.Коммутирующая часть прибора, представля- . Схема на фиг, 1 содержит источники 14ющая собой по существу тиратрон, содержит . и 15 анодного питания с напряжением соотанод 1, управляющую сетку 2 и катод 3. 20 ветственно Еа, и Еа величиной от сотенаЭлектроды 2 и 3 ограничивают область обра- вольт до 1 - 2 кВ, которые могут быть зазования сеточно-катодной плазмы основного менены одним общим источником, и источникразряда. 16 отрицательного смещения с напряжениемВ области этой плазмы размещено гася- смещения Есм. Схема содержит также индукщее устройство, содержащее дополнительную 20 тивный накопитель 17 энеРгии, разделительныесетку 4 и анод 5 и емкостной накопитель 6 . конденсаторы 18 - 20, сопротивление 21 нагрузэнергии, связывающий анод с управляющей ки, сопротивления 22, 23 (десятки килоом)сеткой 2, которая в свою очередь связана че- Утечки, зарядное сопротивление 24 (5 - 10 кОм),рез резистор 7 развязки с источником 8 вклю- балластное сопротивление 25, ограничивающеечающего сигнала. Дополнительная сетка 4 свя. 30 ток подготовительного разряда в цепи поджизана с источником 9 гасящего сигнала. тающего электрода 12 на уровне несколькихКатод 3 может быть выполнен в виде по- миллиампеРлого холодного катода. Катод может содержать Для разогрева вспомогательного катода 10вспомогательный маломощный прямонакальный и генератора 11 водорода используются общийполукатод 10 с акпвным покрытием, кото- зз или раздельный источники накальных напряжерый служит активатором полого катода, В та- ний (не показаны), При включении всех питакой катодной системе основная доля тока ющих напряжений и после выделения водорообеспечивается полым холодным катодом, да генератором 11 водорода внутри пологоа время готовности определяется временем ра. катода между вспомогательным катодом 10зогрева вспомогательного термокатода, которое 40 и поджигающим электродом 12 зажигается подсоставляет доли единицы секунд, т,е. достаточ- готовительный разряд с постоянным токомподготовки около 6 - 10 мА и напряжениемОстаточное напряжение (напряжение горе- горения 30 - 50 В, Момент зажигания подгото.ния) снижается примерно на порядок по срав- вительного разряда является моментом готов.нению с прибором, в котором используется ности прибора к работе, В приборах беэ генетолько холодный катод, и составляет 80 - 150 В. ратора водорода время готовности составляетоколо секунды и определяется вспомогательПрибор наполнен водородом и может быть . ным термокатодом. При использовании и ямользовании прямо.снабжен прямоканальным. генератором 11 во- . канального генератора водорода время готов.дорода с малым временем готовности. Воэмож- ности возрастает до нескольких секунд,0но использование и инертных газов. Анод 1 и сетку 2 коммутирующей частиДавление газа в приборе и расстояния меж- прибора будем в дальнейшем называть "перду анодами 1 и 5 и соответствующими сетка- вым" анодом и "первой" сеткой, а анод 5ми 2 и 4 устанавливают в таких пределах, и сетку 4, функционально относящихся к гачтобы средняя длина свободного пробега элект- сящему устройству, будем называть "вторым"ронов была соизмерима с этими расстояниями ф анодом и "второй" сеткой,и размерами ячеек сеток. В исходном состоянии прибор заперт поПолый катод может содержать поджигаю- первой и второй сеткам отрицательным смеще.ший электрод 12, с помощью которого под- нием Есвеличиной 100 - 200 В, а первый7 894813 и торой аноды имеют потенциалы Ео и Ео соответствующие источникам 14 и 15 питания,Устройство работает следующим образом.С поступлением на первую сетку положи. тельного импульса О в с амплитудой в несколько сотен вольт происходит включение коммутирующей части прибора, и между первым анодом и катодным узлом 3 и 10 возникает разряд с токомза10- 11 - ехр( --- т)3 (1)1 Я зирили,если т(2)зар5Ез 1 - ЬО(3)где ЬО - остаточное напряжение на приборе(напряжение горения);эзар - активное сопротивление в цепи про 20текания. тока 1 з 1, включающей внутреннее сопротивление источника 14,активное сопротивление катушки 17индуктивности и динамическое сопротивление плазмы;25- значение индуктивности накопителя17 энергии.Обычно условие (2) выполняется.Благодаря наличию постоянного подготовительного разряда, малому значению ЬО(-100 В)и сравнительно высокому рабочему давлению(до 0,9 Тор), включение коммутирующей части прибора происходит на фронте сигналаОвхт.е. практически без запаздывания и свысокой временной стабильностью,После зажигания разряда в цепи первогоанода первая сетка, вследствие относительнобольшого сопротивления развязки 7 (несколькокОм) приобретает в плазме разряда потенциал, близкий к "плавающему" и не нарушающий токопрохождение сквозь сЕтку, Благо. 40даря этому, входной сигнал Овх, уже не оказывает никакого действия на разрядный ток.Поэтому сигнал О, по длительности может бытьзначительно коРоче токового импУльса 11 в, (см, ди-аграммы на фиг. 2, где индексами д 1 и дзобозначены токи и напряжения, относящиесяк сеточным цепям, а индексом С 4 - абсолютная величина напряжения на конденсаторе 6),Во время прохождения разрядного токаво всем объеме полого катода образуется50плазма, При этом вторая сетка до приходана нее сигнала гашения О , должна экрани.ровать второй анод от этой плазмы, что обеспечивается отрицательным потенциалом на сет.ке относительно плазмы. 55В момент поступления положительного сигнала Овна вторую сетку возникаетконтактвхзвторого анода с плазмой основного разряда,8заполняющей полый катод, Наличие полностьюсформированной плазмы в полом катоде исравнительно высокий положительный потенциал на втором аноде (до 1-2 кВ), способству.ет тому, что этот контакт осуществляется задоли единицы наносекунды. В итоге, положительная обкладка конденсатора 6, соединеннаясо 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 (Еаз + Есм)здо которой бьш заряжен конденсатор 6 в ис.ходном состоянии, Если, например, Е =1500 В,а Е,м = - 200 В, то к первой сетке относительно плазмы прикладывается потенциал - 1700 В,Практически одновременно, как результатприложения этого потенциала, в цепи первойсетки возникает очень большой сеточный ток,который имеет направление ионного тока и повеличине может достигать половины разрядноготока и более. Этот сеточный ток, который втаситронах и тиратронах препятствует гашениюсильноточного разряда, в рассматриваемом при.боре протекает по замкнутой цепи "плазма -первая сетка в конденсат 6 в втор анод в плазма" и по рассмотренным выше причинам практически не .уменьшает приложенного к сеткевысокого отрицательного относительно плазмыпотенциала,В итоге, если импульсно приложенный кпервой сетке высокий отрицательный потенциал, величину которого можно регулировать спомощью источников 15 и 16, оказываетсядостаточным для гашения проходящего сквозьпервую сетку разрядного тока, ток в цепипервого анода резко прекращается и на сопро.тивлении нагрузки 21 возникает импульс напряжения с амплитудойзаОВЫ= .1 ЗфР 1 - ЕХР( -- С )з (4)гзш агде 1: . з Е - значение за.зар зар1рядного тока в индуктивности 17 ( 1), и, соответственно, в цепи первого анода к моменту времени т, предшествующему гашениюзарразряда; сз - временной сдвиг между управляющими сигналами О и О (см. диВХ 1 вхз аграммы на фиг. 2); 1, определяется иэ (3) при подстановке 1 = Ф; 1 - врезаргаш мя гашения разряда, соизмеримое со временем нарастания отрицательного напряжения на первой сетке и составляющее единицы-десятки нс; Я 1 - величина сопротивления 21 нагрузки,1.1Если йт , то выражение (4) упрощается и принимает вид:894813 10Длительность этих импульсов будет. равнадвойному времени пробега электромагнитнойволны вдоль линии (кабеля),Схему (фиг. 1) легко преобразовать вустройство с частичным разрядом накопительной емкости, если значительно увеличить ин.дуктивность 1., или заменить ее зарядным сопротивлением, а разделительный конденсатор 18превратить в накопительный, увеличив его емкость и пробивное напряжение, Целесообразнотакже увеличить напряжение питания Е иса 1точника 14, так как им определяется амплиту.да напряжения выходных импульсов, Предлага.емый прибор будет эффективно работать и вэтом устройстве, формируя на нагрузочном сопротивлении 21 прямоугольные импульсы токаи напряжения с длительностью, равной временной задержке сигнала 0относительно 0вх вх,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 будетего использование в качестве ключа индуктивного накопителя энергии.Импульсные устройства на основе индуктивного накопителя энергии обладают целым рядомпреимуществ по сравнению с устройствами семкостными накопителями в силу того, чтоплотность магнитной энергии в индуктивномнакопителе ограничивается только механическойпрочностью катушки и на несколько порядковпревосходит плотность электрической энергиив конденсаторе, которая ограничена электрической прочностью диэлектрика.В частности, на основе индуктивного накоюпителя можно создать малогабаритные генераторы сильноточных высоковольтных импульсовс наносекундной длительностью фронтов, кото.рые могут найти самое широкое применение. О =Я вых зар т,е. при быстром гашении разряда весь ток,протекающий через прибор, направляется в на-грузку,Если 1.1 = 50 мкГн; В, = 200 0 м,= 200 А и 1 = 20 нс, то - 1тгаш ф я гаш 5и Оы кВ,При питающем напряжении Е = 1000 Ва 1и ЬО .= 100 В из (3) можно найти время заряда 1, индуктивности 1, до тока= 200 А. Расчет дает т = 11 мкс,зарИтак, быстрое приложение к первой сеткевысокого отрицательного потенциала привелок возникновению сеточного тока , сравнимо.д Эго с разрядным токоми последующему об 15а,рыву протекавшего сквозь сетку разрядного тока.Исключительно важным для реализации предлагаемого изобретения является тот факт, чтосеточный ток управляющей (первой) сетки 1 20а,имеет очень большую величину лишь в том случае, когда к сетке приложен высокий отрицатель.ный потенциал, и сквозь сетку протекает значительный разрядный ток, Но как только разрядный ток сквозь сетку обрывается, ток первой 25сетки также спадает почти до нуля,Поскольку ток первой сетки протекает через гасящее устройство, с гашением основного разряда резко уменьшается и ток в цепи гася 30 щего устройства , Остающийся в цепи гася.азщего устройства незначительный ток 3а, Сет (сотни миллиампер), определяемый в основном напряжением Е источника, 15, сопротивлением 7 развязки и выходным сопротивлением источника 8 включающего сигнала полностью прекращается с окончанием управляющего сигнала 0 х фиг. 2), На этом завершается рабочий цикл прибора.Таким образом, благодаря введению в прибор гасящего устройства с накопителем 6 энергии 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 разряда в гасящем устройстве с током в сотни миллиампер ( ) при напряжении в сотни вольт-единицы киловольт, создаваемом источником 15.Если накопительную индуктивность 17 (1.1) заменить короткозамкнутой формующей лини ей (или кабелем), то в схеме (фиг, 1) возможно формирование прямоугольных высоковольтных импульсов при низком питающем напряжении Еа источника 14, При Н, = р - волновому сопротивлению линии кабеля), в 55 соответствии с (5) получим Однако импульсные устройства на основеиндуктивного накопителя практически нигдене 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 получе.ния следующих параметров: разрывная мощность5-10 МВт; коммутируемые токи сотни ампер(в металлокерамических образцах - до 1 кА); скорости выключения тока 10 щ - 10 ц Ас импульсной мощности управления 50 - 150 Вт;минимального временного интервала между посредующимн импульсами 3 - 5 мкс Получение подобных параметров в этих же условиях с помощью существуюших классовприборов невозможно.11 894813 12Предлагаемый прибор может найти приме. сящего сигнала, причем дополнительный анодпение в качестве согласующего элемента устрой. соединен через емкостной накопитель энергииства на полупроводниковых приборах с мощ. с управляющей сеткой, а последняя соединенаными выходными электровакуумными и газо- через элемент электрической развязки с клемразрядными приборами и в высокоэкономичной. мой для подключения источника включающегоаппаратуре с малым временем готовности. сигнала.2, Прибор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что катод прибора выполнен полым,Формула изобретения с одного топца которого расположены управляющая сетка и анод, а с другого торца - соотз ядный прибор с1. Импульсный гаэоразрядный п и р светственно дополнительная сетка и дополнительдвухсторонним управлением, содержащий катод,анод и управляющую сетку, о т л и ч а ю, Прибор по п,по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю.щии с я тем, что, с цельюм что с целью увеличения ком- щ и й с я тем, что элементом электричесмутируемого тока при одновременном уменьше-кой Развязки ц управляюш й сетки слунии времени гашения разряда, мощности управ- жит Резисторления и запаздывания гашения, а также полу. Источники информациичения независимости длительности выходных им- принятые во внимание при экспертизепульсов от длительности и формы управляющих 1. Ворончев Т. А. Импульсные тиратроны.сигналов, в него введены дополнительный анод М "Советское радио", 1958.и дополнительная сетка, расположенная между 2, Герен А, И, Мощные металлокерамическатодом и дополнительным анодом и соединен- кие таситроны. - "Радиотехника", 1973, Ко 3ная с клеммой для подключения источника га- (прототип).ираж 787твенного комитета СССретений и открытийЖ.35, Раушская наб., д. ВНИИПИ Госуда по делам изо 113035, Москва