Способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента

 

Изобретение относится к области сильноточной высокотемпературной газовой электроники и может быть использовано при создании мощных высокотемпературных преобразователей тока , коммутации больших токов с малыми потерями, при разработке сильноточных генераторов килогерцовой частоты. Цель изобретения повышение надежности модуляции за счет создания условий повторного зажигания разряда в диодном режиме, а также стабилизация частоты модуляции. Способ реализуется следующим образом. В двухэлектродном ключевом элементе с разрядным промежутком, межэлектродное расстояние которого меньше длины свободного пробега электронов, давление газанакопителя выбирают таким образом, что произведение давления на величину межэлектродного расстояния выше минимального значения, при котором возможно существование разряда. При этом вольт-амперная характеристика (ВАХ) состоит из двух ветвей - низковольтной и высоковольтнойо Плотность анодного тока устанавливают выше критического значения, при котором возможна компенсация объемного заряда тока при полной ионизации атомов плазмообраэующего вещества и ниже плотности максимального тока эмиссии катода„ Критическое значение тока определяется отношением масс электронов и ионов, давлением и температурой газа, средней скоростью ионов. Напряжение на разрядном промежутке выбирают выше напряжения зажигания разряда на низковольтном участке ВАХ и ниже напряжения зажигания на высоковольтном участке той же характеристике при уменьшении напряжения . Для стабилизации частоты модуляции ключевой элемент включают в колебательный контур, параметры которого выбирают таким образом, чтобы время непроводящего состояния ключевого элемента превышало время восстановления давления в разрядном промежутке. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. сл С ел Os со 4 00 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4416030/21 (22) 21. 04.88 (46) 23. 1(2. 91. Бил. М- 39 (72) В.И.Бабанин, В.И.Кузнецов, И.Н.Колышкин, А.С.Пащина„ В.И.Ситнов и А.Я.Эндер (53) 621.387 ((288.8) (56) Суетин Т.А. Стенотрон-ионная генераторная лампа. Электричество, 1946, h"- 5, с. 44-48.

Авторское свидетельство СССР

2(> 693472, кл. Н 01 3 17/44, 1979. (54) СПОСОБ М(2ДУЛЯЦИИ ТОКА В ГАЗ(2ВО24

РАЗРЯДЕ СИЛЬН(2ТОЧНОГО КЮП(2ЧЕВ(2ГО ЭЛЕМЕНТА (57) Изобретение относится к области сильноточной высокотемпературной газовой электроники и может быть использовано при создании мощных высо котемпературных преобразователей то» ка, коммутации больших токов с малыми потерями, при разработке сильноточных генераторов килогерцовой частоты.

Цель изобретения — повышение надежно сти модуляции за счет создания условий повторного зажигания разряда в диодМм режиме, а также стабилизация частоты модуляции. Способ реализуется следующим образом. В двухэлектродном ключевом элементе с разрядным промежутКом, межэлектродное расстояние которого меньше длины свободного

Изобретение относится к области управления током в сильноточных газоразрядных приборах, в частности к.Б0 „„1563488 А1

2 пробега электронов, давление газанакопителя выбирают таким образом, что произведение давления на величину межэлектродного расстояния выше, минимального значения, при котором возможно существование разряда. При этом вольт-амперная характеристика (ВАХ) состоит из двух ветвей — низковольтной и высоковольтной. Плотность анодного тока устанавливают выше критического значения, при котором возможна компенсация объемного заряда тока при полной ионизации атомов плазмообраэующего вещества и ниже плотности максимального тока эмиссии катода, Критическое значение тока определяется отношением масс электронов и ионов, давлением и температурой газа, средней cKOpocTbH ионов. Напряжение на разрядном промежутке выбирают выше напряжения зажигания разряда на низковольтном участке ВАХ и ниже напряжения зажи- гания на высоковольтном участке той же характеристике при уменьшении нап- (Л ряжения. Для стабилизации частоты О модуляции ключевой элемент включают (1 в колебательный контур, параметры а которого выбирают таким образом, 00 чтобы время непроводящего состояния ключевого элемента превышало время восстановления давления в разрядном промежутке. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. области сильноточной высокотемпературной газовой электроники, и может быть использовано при создании газоразряд«

1563488 ных приборов для различных областей промышленности, например при создании мощных высокотемпературных преобразователей тока для решения задач коммутации больших токов с малыми потерями, при создании мощных сильноточных высокотемпературных генераторов кило-. герцовой частоты.

Целью изобретения является повыше- 0 ние надежности модуляции за счет обеспечения условий повторного зажигания разряда в диодном режиме, а также стабилизации частоты модуляции.

На разрядный промежуток, межэлект- 15 родное. расстояние которого d меньше длины свободного пробега электрона в газе, подают такое напряжение, при котором плотность анодного тока I+ больше критической Х„ =еч; /kT> Р© х x â€, объемный заряд которого может шС быть скомпенсирован при полной ионизации атомов плазмообразующего вещества, но меньше максимального тока

25 эмиссии термокатода ? (m;, mg — массы ионов и электронов; е - заряд. электрона; Р, Т<, - давление и температура атомов газа наполнителя; k.постоянная Больцмана; v, - средняя 30 скорость ионов в плазме). Величину

:напряжения на разрядном промежутке .устанавливают выше напряжения зажига. ния разряда на низковольтном участке предразрядной вольт-амперной характе-35 ;.ристики (ВАХ) Ul и ниже напряжения ! зажигания разряда при уменьшении нап ряжения на высоковольтном участке предразряднай ВАХ, причем давление газа наполнителя выше минимального 40 давления существования разряда, Для стабилизации частоты модуляции газоразрядный ключевой элемент вклю чают последовательно с контуром, содержащим индуктивность Ь, емкость С и сопротивление К, параметры которогО ! выбираются иэ условия превышения .временем непроводящего состояния ключевого элемента Т„е,, времени восста

50 новления начального давления в раз рядном промежутке.

На фиг.1 представлено семейство расчетных ВАХ с цезиевым наполнением на фнг.2 показаны зависимости мини55 мального напряжения зажигания разря да Uj и максимальное напряжение, при котором существует разряд, У ; на фиг.3 представлена БАХ газонаполнен™ ного диода и нагрузочная характеристика источника; на фиг.4 изображены осциллограммы тока и напряжения на ключевом элементе в одном из вариан тов реализации способа.

Установлено, что из-за немонотон ной зависимости. сечения ионизации плазмообразующей компоненты от энергии электронов зажигание несамостоя тельного дугового разряда возможно в области не слишком низких значений приэведения давления газа- наполнителя Р на размер межэлектродного зазора d,когда безразмерный параметр

Г Р,1

Ъ вЂ” 6 -="-" "больше b (б — максиII e »g о о мальное значение сечения ионизаций газа-наполнителя). Если b(b©, то зажигание дугового разряда оказывается невозможным. Область существования разряда при заданном Р 4 ограничена как со стороны низких, так,и со стороны высоких напряжений на разрядном промежутке. При П(ц (Ь) в диоде осу» ществляется- устойчивый предраэрядный режим с током порядка вакуумного.

При U=U» происходит зажигание разря да, и в диоде устанавливается ток, величина которого при достаточно вы сокой эмиссионной способности катода определяется количеством ионов, об; разующихся в межэлектродном зазоре при полной ионизации атомов наполни теля,,и параметрами внешней цепи.

Существенно, что при достаточно боль ших значениях напряжения UTlf<(b) из-эа уменьшения ионизационной спо собности электронов с увеличением их энергии диод, снова переходит в пред разрядный режим с током, близким к вакуумному, определяемому из закона

"3/2". В качестве единицы измерения .напряжения на ключевом элементе (фиг.1) выбран потенциал ионизации атомов наполнителя Фрон (для цезия

Ф„, =3 ° 89 В), а единицы измерения тока - ток по закону "3/2" J 2,33 х х10 Ф> /<Р, где Фио„ измеряется

"НОН в вольтах, d - в сантиментрах, à J - в А/см . При Ь41,55 (кривые 1 3)

ВАХ соответствуют предраэрядному режиму, и диод имеет положительное дифференциальное; сопротивление при любом напряжении. При Ъ ) Ь . (кривые

4 - 6) цредразрядным режимам соот" ветствуют два участка ВАХ при UC

Ug(b) и Н) Ug(b), где И» и. Ug1 5Ь.ЫИ< точки нулевого дифференциального сопротивления диода на левой и правой ветвях соответственно, Из фиг.2 следует, что при увеличении параметра Ь (при условии b) Ь,1 U< (b) падает, а Ug(b) растет. т.е. происходит расширение диапазона существования разряда по напряжению,.

Анализ заявляемого решения показывает, что для осуществления повторного зажигания разряда после обрыва тока и перехода скт1ьноточного ключевого элемента в непроводящее состояние необходимо прикладывать к разрядному промежутку напряжение U определяемое из соотношения

U < (b) «< П а U <(b) .

Поскольку при обрыве тока в межэлектродном зазоре происходит резкое уменьшение давления Р, значение параметра Ь становится меньше Ь . Зажигание в этом случае возможно, когда давление снова примет свое первоначальное значений, соответствующее значении параметра Ь>Ь . Восстановление давления в межэлектродном зазоре происходит в течение конечного интеРвала вРемени ТВрсс, котоРое опРеделяют экспериментально для каждых конкретных условий эксперимента. Если рабочая точка совпадает с напряжением

U раньше момента, когда происходит полное восстановление давления в межэлектродном зазоре, то в этом слу чае.более раннее зажигание разряда может привести к тому, что положение рабочей точки будет н ходиться на ВАХ, соответствующей другому значению Ь.

Это может привести к нестабильной модуляции тока по частоте и амплиту де. Поэтому с целью стабилизации частоты модуляции, момент повторного зажигания разряда регулируит путем подбора параметров контура к, L > С, исходя из условия Tz1$11p ) -1 Восст

Таким образом, в заявляемом способе нет необходимости в наличии управляющей сетки и формирователя сиг нала управления.

Предлагаемый способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента осуществляют следующим образом.

Кривыми 7 — 8 на фиг.З показаны

ВАХ ключевого элемента соответственно на высоковольтной и низковольтной ветвях для заданного значения параметра Ь>Ъ> . Напряжение U< (точка 9 на фнг .. ) Сооткетству ет .1аж11г 1кию

РаЗРЯпа ПП11 т;ВЕ!1ИЧЕт1И1т 1111т1Рл1жек11Я на дпот1», а НалряжениЕ Uz (тс -;Ка 1111

4 соответс.твует зажиганию р;1зряд» нри

5 ля . умен1 111ен1т1» нат;ряжения Hd диоде. момент зажигания разряда характеризуется относительно низким уровнем проходящего тока, поэтому напряжение, прцлсже1т11ое к диоду, практически равно ЭДС источника Е. TBKzzM образом, вь1бор напряжений U» и U < для осуществлекия зажигания разряда мо;.т11о производить из условия 111 U Е С 13

IlocJ1 зажигания разряда напряжение и ток на диоде определяются точкой пересечения нагрузочной характеристики источника Е (кривая 11 на фиг,3) с разрядным участком ВАХ диода (точка 12 на фиг.3), Ц1тя заданного значения ЭДС источника Е находят параметр Ь„ „ при котором U I (b<

Ь> Ь„И„U,(Ь} z I cU (Ь) . )1алее, польm,Ра4 зуяс ь с вязью Ь=--5 —;,—, определяют ш сИ, произведение P;i и, таким образом, d выбирают давление напогтнителя Г и величину межэлектродного зазора с .

Следует отметить, что выбранное значение давления при данном Ь 1„ соо тветствует минимальному значению дав.ления Р при котором возможно зажи1

З5 гание разряда для заданного значения

Е. Согласно прототипу из условия

)Л находят максимальное значение

6 давления P при превышении котомакс рого обрыва тока в цепи не происхо дит. Таким образом, диапазон давле. ний Р с Р (Р соответствует pàvpu . а,иаэс бочему режиму, при котором возможно осу1аествление предлагаемого способа модуляции тока °

После зажигания разряда (точка 12 на лиг.3) стационарное проводящее состояние диода существует в течение конечного интервала времен 1Васст, 50 на протяжении которого происходит

У откачка ионов из межэлектродного за-ора. В результате этого процесса в разряде развивается неустойчивость типа Пирса, приводящая к обрыву тока и переходу диода в запертое состояние. Поскольку контур обладает конечной индуктивностью Е, то ток в цепи не может сразу скачком измениться до нуля. Поэтому рабочая точка лере1563488

1Г для R) —.1 -, Ф

15

50

55 мещается,.с сильноточной ветви на слаботочную высоковольтнув ветвь предразрядной ВАХ (точка 13 на фиг.3) по пути поз. 14. Величина напряжения в точке 13 определяется параметрами контура К, J,, С исходя из соотношений

1а 0 Gd

= — ехр (- - arctic -) х

ЯС Я 4

О3 х яп (arctic р) + К, -Дк с |с

2RC

J — ток в момент обрыва;

1 Г для R c,-, —, 21С

U< = E+ < .1О ехр(- 2- x1пЯ )), (, ю,y(+p 1 г где (3 = —

2RC 1ЕГ

Поскольку напряжение в точке 13 больше напряжения источника E последний не может обеспечить попдержа- 30 ние такого напряжения. Поэтому рабочая точка 13 перемещается по высоковольтной ветви предразрядной ИАХ по направлению к значению Е, тем самым уменьшая напряжение íà диоде. Время З5 непроводящего состояния сильноточно гО ключевого элемента, в течение кОторого рабочая точка перемещается от значения U > до U< можно оценить из выражения 40 и

Не f1t Я где

2КС 1Ñ

Параметры контура К, L С подбирают таким образом, чтобы удовлетво

pBTb словию Ъ н6Р ь ООст

Предлагаемый способ бып реализован в кнудсеновском диоде с цезийбариевым наполнением с плоской Feo метрией электродов. Рабочими поверхностями катода и анода служили торцы цилиндров диаметром 15 мм, меж., электродный промежуток мог варьироваться в пределах от 0,1 до 2 мм.

На расстоянии 2 мм от боковых поверхностей электродов располагался изоли рованный от катода и анода цилиндрический электрод.

Модуляция тока и напряжения наблюдалась в широком диапазоне температур катода и давления бария и в диапазоне изменения давления цезия от

Р =8 10 до 5 10 мм рт.ст. На фиг.4 в качестве примера приведены осциллограммы тока и напряжения, полученные при подаче на анод прямоугольного импульса напряжения длительно-, стью 1 мс от источника напряжения с ЭДС 21 В. Температура катода составляла 1460 К, температура анода1100 К, Р, =3,5 ° 10 мм рт.ст., Р = с

=6.10 мм рт.ст., Л вЂ” 1,6 мм. Пос-ледовательно в аноднув цепь был включен контур из параллельно соединенных сопротивления, индуктивности и емкости: К=2 Ом, 1.=75 мкГ, С=4 мкФ. При этом величина модулируемого тока достигает м 10 Л/см, а : напряжение на стадии горения разряда составляет

4 В. Таким образом, экспериментальные результаты подтверждают, что предлагаемыи способ модуляции тока . в газовом разряде сильноточного клю чевого элемента можно реализовать на практике.

Использование предлагаемого спосо ба модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента обеспечивает по сравнению с прототипом повышение надежности модуляции и упрощение схемы модуляции за счет возможности управления моментом повторного зажигания разряда и модуляции тока стабильной частоты без Аор мирования сигнала управления, что позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели сильноточного ключевого элемента.

Формула из обр етения

1. Способ модуляции тока в газовом разряде сильноточного ключевого элемента путем подачи напряжения на разрядный промежуток с межэлектродным расстоянием, меньшим длины свободного пробега электронов в газе, при превышении величины плотности анодного тока критического значения и ограничении его меньше плотности тока эмиссии, о т л и ч а в щ и йс я тем что, с целью повышения надежности модуляции за счет обеспечения условия повторного зажигания

1563488 разряда в диодном режиме, напряжение : расстояния не менее минимального ° на разрядном промежутке устанавливают значения существЬвания разряда. вьппе напряжения зажигания разряда 2. Способ по п.1, о т л и ч а юпри увеличении напряжения на низко- п и и с я тем, что, с целью повышевольтном участке предразрядной вольт- ния коэФФициента стабилизации часто аиперной характеристики и ниже нап- ты модуляции, ключевой элемент вклюряжения зажигания разряда нри".умень- чают в колебательный контур и регули.mews напряжения на высоковольтном руют параметры из условия превышения участке той me характеристики а Га о врременем непроводящегo состояния зовый разряд осуществляют.при усло- чевого элемента времени восстановлевии что произведение давления напол- ния начального давления в разрядном

Э нителя на величину межэлектродного промежутке.

il 1:Ф@

: 20 ЖВ ЮО.15

1563488

1 в

:, О ., Ng 460 N0 8ар Гикс

Составитель С.свинин

Редактор Т.9)рчикова Техред А.Кравчук, Корректор H.Èóñêà

Заказ 4596 Тираж Подписное

BHHKIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат ."Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101