автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом и разработка долговечных ртутных тиратронов

На правах рукописи

Потапенко Надежда Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА В ПАРАХ РТУТИ В ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ С НАКАЛЕННЫМ КАТОДОМ И РАЗРАБОТКА ДОЛГОВЕЧНЫХ РТУТНЫХ ТИРАТРОНОВ

Специальность 05.27.02 «Вакуумная и плазменная электроника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2006

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики

ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Киселев Юрий Владимирович! доктор технических наук Зильберман Марк Маркович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коротченко Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Гнидо Валерий Федорович

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический

институт, г. Москва

Защита диссертации состоится " 4_" июля 2006 г. в зале заседаний Ученого совета в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 в ауд. 235 ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Автореферат разослан "Щ." 06 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.211.03 доктор технических наук, профессор

\1уО

Колотилин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современной науки и техники требует дальнейшего совершенствования устройств силовой электроники и, в частности, преобразователей электрической энергии. При этом приоритетом является достижение минимальной энергоемкости преобразовательных приборов, которая определяется их КПД. Главной задачей при создании преобразовательных приборов является снижение до минимума потерь электрической энергии в процессе ее преобразования. Эта задача решается применением приборов, принцип действия которых позволяет обеспечить минимально возможное падение напряжения на приборе в проводящий период в сочетании с возможностью получения необходимой мощности не за счет увеличения тока, а за счет повышения напряжения.

Существенное влияние на эффективность преобразовательного устройства оказывает возможность регулирования им с помощью управляемого электронного преобразовательного прибора, что позволяет, например в промышленном электроприводе, экономить до 40 % электроэнергии по сравнению с нерегулируемым электроприводом. Сказанное определяет актуальность создания высоковольтных управляемых электронных преобразовательных приборов. :

Наряду с требованиями существенного снижения потерь электроэнергии, решающим является требование обеспечения высокой долговечности и надежности работы преобразовательных приборов, включая сохранение работоспособности при наличии временных перенапряжений и предотвращение при этом катастрофических отказов. Важное значение придается и стоимости преобразовательных приборов, которая в современных преобразовательных устройствах достигает одной трети стоимости всего устройства. -

Все большее внимание обращается на экологическую безопасность преобразовательных электронных приборов в части применения материалов, оказывающих отрицательное влияние на окружающую среду.

С точки зрения потерь электроэнергии существенное значение имеет и снижение времени готовности прибора к работе, так как это время не входит в период полезной работы прибора и при эксплуатации прибора в режимах с большим количеством циклов включения и выключения может составить заметную часть полного времени эксплуатации.

Для расширения областей применения высоковольтных преобразовательных электронных приборов весьма важными являются требования обеспечения их надежной работы в широком диапазоне температур окружающей среды - от отрицательной - минус 60 °С до максимальной положительной - +100 °С.

В зависимости от условий применения к преобразовательным приборам, установленным в различных источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, предъявляются и требования устойчивости к воздействию различных ионизирующих излучений и дестабилизирующих факторов космического пространства.

В настоящее время, в зависимости от рабочей среды, в которой происходит преобразование электрической энергии, в качестве преобразовательных управляемых электронных приборов применяются полупроводниковые, вакуумные, газоразрядные и ртутные вентили. Анализ свойств этих приборов свидетельствует о том, что в зависимости от режимов работы и условий применения отдается предпочтение приборам одной из этих групп.

Вместе с тем для питания постоянным током современной мощной радиоэлектронной аппаратуры наиболее полно комплексу предъявляемых требований удовлетворяют ртутные тиратроны. К их преимуществам относятся высокая экономичность, сравнительно малые потери электроэнергии при ее преобразовании, большая долговечность, практическое отсутствие ограничений по высокому напряжению, устойчивость к перенапряжениям и отсутствие катастрофических отказов, устойчивость к воздействию ионизирующих излучений и дестабилизирующих факторов космического пространства, низкая стоимость, связанная с простотой изготовления и применением сравнительно дешевых материалов.

Однако к числу недостатков ртутных преобразовательных приборов относятся их экологическая опасность как в период производства, так и в условиях эксплуатации, связанная с применением сравнительно больших количеств жидкой ртути, узкий диапазон допустимых температур окружающей среды (от +15 °С до +45 °С), большое время готовности к работе — до 30 минут.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании влияния объемной концентрации ртути на величину и стабильность напряжений возникновения и под держания разряда в ртутных тиратронах и в разработке долговечных тиратронов с уменьшенной объемной концентрацией ртути.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния объемной концентрации ртути на напряжения возникновения и поддержания разряда в ртутных тиратронах.

2. Исследование влияния объемной концентрации ртути на долговечность тиратронов с уменьшенным количеством ртути.

3. Разработка и исследование твердотельных генераторов ртути на основе прессованного порошка окиси ртути.

4. Исследование влияния конструкции тиратронов с уменьшенным количеством ртути на их время готовности к работе и на диапазон допустимых температур окружающей среды.

Научная новизна

1. Определена зависимость напряжений возникновения и поддержания дугового разряда в ртутном тиратроне от объемной концентрации ртути.

2. Установлена возможность существенного (на один - два порядка величины) уменьшения объемной концентрации ртути в тиратронах с ртутным наполнением.

3. Исследовано влияние объемной концентрации ртути на долговечность тиратронов с ртутным наполнением.

4. Установлена возможность создания ртутных тиратронов с твердотельными генераторами ртути на основе прессованного порошка окиси ртути.

5. Исследована и установлена возможность уменьшения времени готовности к работе ртутных тиратронов на порядок величины.

6. Изучено влияние температуры окружающей среды на вероятность обратных зажиганий в ртутных тиратронах и доказана возможность увеличения максимальной допустимой температуры окружающей среды до +100 °С.

7. Исследована и установлена принципиальная возможность снижения допустимой температуры окружающей среды для ртутных тиратронов до минус 60 °С при установке в тиратрон дополнительного подогревателя, обеспечивающего нагрев нижней части баллона тиратрона до температуры не менее +75 °С.

Научно-практическое значение результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны принципы конструирования ртутных тиратронов с уменьшенной на один - два порядка величины объемной концентрацией ртути и повышенной долговечностью до 12000 часов.

2. Разработаны конструкция и технология изготовления твердотельных генераторов ртути на основе спрессованных порошков окиси ртути, титана и железа.

3. Разработаны способы уменьшения времени готовности к работе ртутных тиратронов до 10 - 30 секунд.

4. Разработаны способы расширения диапазона допустимых температур окружающей среды для ртутных тиратронов от +100 °С до минус 60 °С.

5. На основе проведенных исследований разработаны, внедрены в производство в ООО НИИ «ФОН» и в аппаратуру и поставляются потребителям ртутные тиратроны, рассчитанные на средний ток анода 0,5 А и обратное напряжение анода 5 кВ и 10 кВ (ТР1-0,5/5 и ТР 1-0,5/10).

Достоверность результатов работы подтверждается соответствием экспериментальных результатов теории, использованием современных методов исследования физических процессов в газоразрядных приборах, включая измерительную аппаратуру высокого класса точности, достигнутыми электрическими параметрами разработанных и внедренных в производство ртутных тиратронов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом и несамостоятельным дуговым разрядом в парах ртути уменьшение объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см ) не приводит к увеличению напряжения поддержания разряда;

- напряжение возникновения дугового несамостоятельного разряда в парах ртути при уменьшении объемной концентрации ртути на порядок величины (с 4,3 мг/см3 до 0,17 мг/см3) увеличивается не более чем на 12 %, а при уменьшении объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) возрастает вдвое;

- в течение 12000 часов работы ртутного тиратрона с уменьшенной на порядок величины (с 4,3 мг/см3 до 0,07 мг/см3) объемной концентрацией ртути напряжение поддержания разряда не изменяется, а при уменьшении объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) возрастает на 32 %;

- при длительной работе ртутного тиратрона, когда критерием долговечности является напряжение возникновения разряда, уменьшение объемной концентрации ртути на порядок величины (с 4,3 мг/см3 до 0,07 мг/см3) не снижает долговечности тиратрона, сохраняя ее на уровне 12000 часов, а при уменьшении объемной

концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) долговечность тиратрона снижается до 2100 часов.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 18 научно-технических статьях и доложены на 7 научно-технических конференциях:

- X конференции по физике газового разряда, Рязань, 2000;

- X международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», Казань, 2001;

- III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Саранск, 2001;

- XI конференции по физике газового разряда, Рязань, 2002;

- IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Саранск, 2003;

- IX всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов, НИТ-2004, Рязань, 2004;

- XII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника», Судак, Украина, 2005.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований. Объем работы составляет 171 страницу машинописного текста, включая 53 рисунка и 17 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и определено общее направление исследований. Дано краткое содержание работы и приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор современных электронных высоковольтных управляемых приборов для преобразования электрической энергии. Показано, что по физическим процессам, протекающим в электронных управляемых преобразовательных приборах (вентилях), и по материалам рабочей среды их можно разделить на пять групп: полупроводниковые, вакуумные, газоразрядные, ртутные с жидким катодом и ртутные с накаленным катодом. Представлены данные по их основным параметрам и особенностям конструкции. Проанализированы преимущества и недостатки приборов каждой из групп.

Раздел 1.1 посвящен рассмотрению мощных полупроводниковых управляемых вентилей — тиристоров. Проанализированы

преимущества и недостатки этих приборов. К числу недостатков тиристоров относятся сравнительно низкое рабочее напряжение (не более 6 кВ), чувствительность к перенапряжениям, катастрофические отказы, низкая радиационная стойкость и высокая стоимость, на порядок величины превышающая стоимость эквивалентных газоразрядных приборов.

В разделе 1.2 представлены данные по высоковольтным управляемым вакуумным вентилям. Их особенностью является ограниченность сферы применения только очень высокими рабочими напряжениями (сотни киловольт).

Раздел 1.3 посвящен тиратронам с газовым наполнением. Их основной недостаток - сравнительно малая долговечность, связанная с поглощением наполняющего газа арматурой и стенками оболочек приборов.

В разделе 1.4 представлены данные по ртутным вентилям с жидким катодом. Их недостатки — экологическая опасность, связанная с большим количеством ртути, - до нескольких килограммов, большие габариты и масса, возможность применения только в стационарной аппаратуре.

Раздел 1.5 посвящен рассмотрению и анализу ртутных тиратронов. К числу преимуществ этих приборов по сравнению с газоразрядными вентилями, относится более высокий КПД, определяемый меньшими потерями в проводящий период вследствие меньшего потенциала ионизации ртути по сравнению с потенциалами ионизации инертных газов. Другим неоспоримым преимуществом ртутных тиратронов является их высокая долговечность, т.к. давление паров ртути в течение срока службы не уменьшается, а оксидный катод работает в таком режиме, при котором его долговечность может достигать десятков тысяч часов. К преимуществам ртутных тиратронов относятся и отсутствие ограничений по рабочему анодному напряжению - до сотсн киловольт в секционированных приборах, и высокая надежность работы вследствие отсутствия катастрофических отказов при перенапряжениях. Радиационная стойкость ртутных тиратронов наряду с радиационной стойкостью вакуумных вентилей является самой высокой среди электронных вентилей.

Следует также отметить низкую стоимость ртутных тиратронов, которая на порядок величины меньше стоимости полупроводниковых и других аналогов.

При всех положительных качествах ртутных тиратронов им присущ ряд серьезных недостатков. Основным из них является экологическая опасность, связанная с применением сравнительно больших (1- 10 г) количеств жидкой ртути. Наличие ртути является

причиной и другого недостатка ртутных тиратронов - существенно ограниченного диапазона допустимых температур окружающей среды (от +15 °С до +45 °С). Частично этот недостаток устранен при создании тиратронов со смешанным ртутно-аргоновым наполнением. Но эти приборы, так же как и газонаполненные тиратроны, характеризуются сравнительно низкой долговечностью, связанной с уменьшением давления аргона в течение срока службы. К недостаткам ртутных тиратронов традиционной конструкции относится и достаточно большое время готовности к работе (не менее 5 минут).

Сравнительный анализ свойств высоковольтных электронных управляемых приборов для преобразования электрической энергии, приведенный в главе 1, позволяет сделать вывод о том, что для преобразования электрической энергии, начиная с напряжений 5-10 кВ, с учетом комплекса энергетических и экономических требований, предъявляемых к этим приборам, предпочтительно применение ртутных тиратронов.

Вместе с тем для того чтобы существенно расширить применение ртутных тиратронов в современных устройствах преобразования электрической энергии, необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать возможность и уменьшить количество ртути в этих приборах на один - два порядка величины до уровня, определяемого экологической безопасностью таких массовых приборов, как люминесцентные лампы дневного света..

2. Определить пути повышения долговечности ртутных тиратронов до 10000-12000 часов.

3. Расширить диапазон допустимых температур окружающей среды до уровня, обеспечиваемого вакуумными приборами и газонаполненными тиратронами — от минус 60 °С до + 100 °С.

4. Уменьшить время готовности к работе на порядок величины — до 10-30 секунд.

Вторая глава посвящена рассмотрению и анализу физических процессов, протекающих в ртутных тиратронах.

В разделе 2.1 рассматриваются физико-химические свойства ртути и ее соединений. Эти сведения важны для выбора материалов, применяемых в конструкции ртутных тиратронов с точки зрения исключения потерь ртути в течение срока службы тиратрона в результате образования амальгам. Изучение свойств различных соединений ртути также имеет большое значение для выбора альтернативных твердотельных источников ртути вместо жидкой ртути.

Раздел 2.2 посвящен анализу механизма работы ртутных тиратронов. Рассмотрены основные факторы, кроме количества ртути

и давления ртутного пара, оказывающие определяющее влияние на электрические параметры этих приборов. Показано, что на такие параметры, как напряжение зажигания (напряжение возникновения разряда) и напряжение запирания, существенное влияние оказывают контактная разность потенциалов между катодом и сеткой, нагрев сетки плазмой дуги и тепловым излучением катода и анода, а также действие окружающих сетку ионов, приходящих от деиони-зирующейся плазмы.

Напряжение поддержания разряда главным образом зависит от режима работы и эмиссионной способности оксидного катода. Электрическая прочность, в особенности вероятность обратных зажиганий, определяется материалом, конструкцией, температурой анода и взаимным расположением анода и сетки.

В разделе 2.3 рассмотрена типовая конструкция разработанных ранее и выпускаемых промышленностью ртутных тиратронов. Показано, что применение сравнительно большого количества жидкой ртути в виде капли, помещенной на дно катодной горловины ножки тиратрона, удаленной от основных источников нагрева -термоэлектронного катода и дуги, является основной причиной недостатков, присущих этим приборам (экологической опасности, большого времени готовности к работе, ограниченного диапазона допустимых температур окружающей среды).

Раздел 2.4 посвящен теоретическому исследованию влияния массы ртути и давления ртутного пара на основные параметры тиратрона для определения возможности существенного уменьшения количества ртути в приборе. При этом основное ограничение связано с увеличением напряжений возникновения и поддержания разряда при уменьшении давления ртутного пара. Расчет необходимой массы ртути проводился по формуле

т^, (1)

КТ

где ш — масса ртути; Г — температура ртутного пара; Я - универсальная газовая постоянная; ¡л — молярная масса ртути; V — объем тиратрона.

Расчет проведен при наибольшей допустимой температуре окружающей среды +100 °С, которой соответствует температура баллона тиратрона и ртутного пара: + 230 °С. При таком условии требуется наибольшее количество ртути по сравнению с комнатной температурой.

Сравнение полученных расчетным путем данных по массе ртути и ее объемной концентрации с фактическими данными в се-

рийно выпускаемых ртутных тиратронах, рассчитанных на обратное напряжение анода до 15 кВ, показало, что фактическая масса ртути и ее объемная концентрация в этих приборах на несколько порядков величины больше определенных расчетным путем. На основании проведенного теоретического анализа сделан вывод о возможности существенного уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации в ртутных тиратронах.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию возможности существенного уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации в ртутных тиратронах.

В разделе 3.1 обоснован выбор конструкции экспериментального макета тиратрона, рассчитанного на средний ток анода 0,5 А и обратное напряжение анода до 10 кВ. Сформулированы основные требования, предъявляемые к экспериментальному макету. С помощью численного моделирования и натурных испытаний определены основные геометрические размеры электродов макета и межэлектродные расстояния.

Раздел 3.2 посвящен выбору, расчету и исследованию катода экспериментального макета. С целью обеспечения максимальной экономичности и минимального времени готовности к работе выбран прямонакальный сетчатый оксидный катод, рассчитанный на работу при средней плотности тока до 125 мА/см2, при рабочей температуре 1070 К.

Расчет времени разогрева такого катода проводился по формуле

где gк, gг, £„ — соответственно масса керна катода, никелевой губки и оксидного покрытия; ск, с,-, са - удельные теплоемкости материалов керна катода, никелевой губки и оксидного покрытия; ек - интегральный коэффициент излучения катода; Тк- температура катода; площадь активной поверхности катода; а — постоянная Больцмана.

Время разогрева катода, определяемое по этой формуле, -7 секунд, что находится в хорошем соответствии с экспериментально определенным временем разогрева —до 10 секунд.

. Раздел 3.3 посвящен экспериментальному исследованию теплового режима тиратрона. Исследован тепловой режим баллона в зависимости от электрического режима работы тиратрона и мощности накала термокатода, а также от температуры окружающей среды до+100 °С.

Установлено, что время готовности тиратрона к работе в основном определяется временем разогрева баллона тиратрона до температуры, при которой в тиратроне возникает разряд.

Время готовности тиратрона к работе определялось по формуле

(Т67 — Г6] )SCSp

(3)

0,239Р

где Та и Тб1 — температура баллона после и до введения тиратрона в рабочий режим; S — площадь поверхности баллона; С — удельная теплоемкость материала баллона; р — плотность материала баллона; S — толщина стенки баллона; Р — суммарная мощность, выделяющаяся в тиратроне.

Определенное расчетным путем время готовности тиратрона к работе составляет не более 30 секунд, что соответствует данным, полученным при экспериментальных исследованиях.

В разделе 3.4 представлены данные по экспериментальному исследованию зависимости напряжений возникновения и поддержания разряда от массы ртути и ее объемной концентрации. Исследования проводились при уменьшении массы ртути с 500 мг до 20 мг и ее объемной концентрации - с 4,3 мг/см до 0,17 мг/см3. Жидкая ртуть вводилась в тиратрон в стеклянных или металлических ампулах, выполненных в виде герметизированных с обоих концов трубок. Ампулы проектировались с учетом условий: не терять герметичность до температуры 500 °С, т.к. тиратрон в процессе откачки нагревается до температуры 480 °С, и разрушаться при температуре с 500 °С до 900 °С.

Механическое напряжение, приложенное изнутри к стенке ампулы, определялось по формуле

где Р - внутреннее давление паров ртути на стенку цилиндра; г, иг2 — соответственно внутренний и внешний радиусы цилиндра.

Установлено, что при уменьшении массы ртути и ее объемной концентрации в указанных пределах напряжения возникновения и поддержания разряда практически не изменяются. На основании проведенных экспериментальных исследований подтвержден сделанный в результате теоретических исследований вывод о возможности существенного уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации в ртутных тиратронах.

В разделе 3.5 приводятся данные о стабильности напряжений возникновения и поддержания разряда в тиратронах с уменьшен-

ными массой ртути и ее объемной концентрацией в течение срока службы.

Показано, что при массе ртути до 20 мг и ее объемной концентрации до 0,17 мг/см3 напряжение поддержания разряда остается стабильным в течение времени испытания 12000 часов. Напряжение возникновения разряда стабильно в течение 12000 часов при объемной концентрации ртути до 0,6 мг/см3, а при объемной концентрации ртути до 0,17 мг/см3 возрастает в допустимых пределах, определяемых установленными критериями.

Глава 4 посвящена разработке генераторов ртути на основе спрессованных порошков окиси ртути, исследованию параметров и долговечности тиратронов с этими генераторами.

В разделе 4.1 представлен обзор данных в научно-технической литературе по составу генераторов ртути, изготовленных из порошков различных соединений ртути.

Раздел 4.2 посвящен разработке генераторов ртути на основе спрессованной смеси порошков красной окиси ртути, титана или циркония и карбонильного железа. Обоснована необходимость создания таких генераторов с целью получения малого - до нескольких миллиграммов строго дозированного количества ртути. Прессованные таблетки генераторов ртути помещались в металлические контейнеры, предварительно откачанные до давления не ниже 10*3 Па. Минимальное количество ртути в созданных генераторах ртути — 1,4 мг. В работе предложен откачиваемый генератор ртути с индивидуальным подогревателем, на конструкцию которого подана заявка на патент и получено положительное решение Федерального института промышленной собственности от 16.02.2005 г.*

В разделе 4.3 представлены результаты исследования влияния уменьшения массы ртути с 20 мг до 1,4 мг и ее объемной концентрации с 0,17 мг/см3 до 0,012 мг/см3 на напряжения возникновения и поддержания разряда. Показано, что такое уменьшение массы ртути и ее объемной концентрации практически не оказывает влияния на напряжение поддержания разряда и приводит к увеличению вдвое напряжения возникновения разряда.

Раздел 4.4 посвящен исследованию стабильности напряжений возникновения и поддержания разряда в тиратронах с генераторами ртути и с уменьшенной с 20 мг до 1,4 мг массой ртути и с 0,17 мг/см3 до 0,012 мг/см3 ее объемной концентрацией.

Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Устройство для введения ртути в электронный прибор со стабилизацией его работы. Заявка на патент № 2003121699/28 (022980) с приоритетом от 14.07.2003 г.

Установлено, что на напряжение поддержания разряда такое уменьшение объемной концентрации ртути не оказывает существенного влияния в течение 12000 часов. При уменьшении массы ртути с 20 мг до 4 мг и ее объемной концентрации с 0,17 мг/см3 до 0,035 мг/см3 напряжение возникновения разряда изменяется в допустимых пределах. При дальнейшем уменьшении массы ртути с 4 до 1,4 мг и ее объемной концентрации с 0,035 мг/см3 до 0,012 мг/см3 долговечность тиратронов, определяемая увеличением напряжения возникновения разряда более 2500 В при иг= - 10 В, уменьшается с 12000 до 2100 часов.

Пятая глава посвящена разработке ртутных тиратронов с уменьшенными массой ртути и ее объемной концентрацией. Разработаны тиратроны двух типов — на средний ток анода 0,5 А и на обратное напряжение анода 5 кВ и 10 кВ.

Раздел 5.1 посвящен разработке конструкции тиратронов на основе экспериментальных макетов и образцов.

В разделе 5.2 разработана технология изготовления тиратронов как с жидкой ртутью, помещенной в стеклянные капсулы, так и с прессованными из порошков окиси ртути генераторами ртути, помещенными в металлические герметизированные контейнеры. Особенностью технологии изготовления этих тиратронов является отсутствие открытой ртути в процессе производства тиратронов, т.к. ампулы и контейнеры с ртутью вскрываются только в откачанных и герметизированных тиратронах с помощью нагрева токами высокой частоты или лазером.

В разделе 5.3 исследована и показана возможность расширения диапазона допустимых температур окружающей среды от +100 °С до минус 60 °С для разработанных ртутных тиратронов.

В разделе 5.4 представлены результаты испытания тиратронов при повышенных до 15 кВ обратном напряжении анода и до 1 А - среднем токе анода с целью определения направления дальнейшего повышения мощности тиратронов с уменьшенной объемной концентрацией ртути.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

В приложении представлен акт о практическом использовании и внедрении результатов работы в производство.

Основные результаты работы

В диссертационной работе исследованы физические процессы, протекающие при дуговом разряде в парах ртути в трехэлек-

тродных промежутках с накаленным катодом, и разработаны долговечные ртутные тиратроны нового поколения. Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

Г. Проведено теоретическое исследование влияния массы ртути и ее объемной концентрации на напряжения возникновения и поддержания дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом. Установлена принципиальная возможность уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации на несколько порядков величины по сравнению с фактическими значениями массы ртути и ее объемной концентрации в ранее разработанных и выпускаемых промышленностью ртутных тиратронах. • <

2. Разработаны конструкция и технология изготовления твердотельных генераторов ртути в виде таблеток, спрессованных из порошков красной окиси ртути, титана и карбонильного железа. Создание твердотельных генераторов ртути позволило уменьшить и точно дозировать массу ртути, вводимой в тиратроны, с 20 мг до 1,4 мг. Сравнительными испытаниями тиратронов с массой ртути 20 мг установлено, что приборы, в которые ртуть вводится в виде твердотельных генераторов ртути, по электрическим параметрам ничем не отличаются от тиратронов, в которые вводится жидкая ртуть в ампулах.

3. Проведен цикл экспериментальных исследований зависимости напряжения возникновения и поддержания.дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом от массы ртути и ее объемной концентрации. Установлена возможность уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации на два порядка величины: массы ртути с 500 мг до 1,4 мг, а ее объемной концентрации - с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3. При этом уменьшение массы ртути и ее объемной концентрации не оказывает влияния на напряжение поддержания разряда, но вдвое увеличивает напряжение возникновения разряда.

4. Проведено экспериментальное исследование стабильности напряжений возникновения и поддержания дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом в зависимости от массы ртути и ее объемной концентрации в течение срока службы тиратронов. Установлено, что у тиратронов с уменьшенными массой ртути до 4 мг и ее объемной концентрацией до 0,035 мг/см3 изменения контролируемых параметров - напряжений возникновения и поддержания разряда находятся в допустимых пределах в течение 12000 часов работы. Дальнейшее уменьшение массы ртути до 1,4 мг и ее объемной концентрации до 0,012 мг/см3

приводит к устанавливаемому по увеличению напряжения возникновения разряда существенному снижению долговечности тиратронов - с 12000 часов до 2100 часов.

5. Проведено экспериментальное исследование влияния эмиссионной способности оксидного катода при снижении его температуры на величину возникновения разряда в ртутных тиратронах. Установлено, что увеличению напряжения возникновения разряда на 50 % в течение срока службы соответствует уменьшение эмиссионной способности оксидного катода при снижении его рабочей температуры на 170 ° (с 1070 до 900 К).

6. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструкции тиратрона, способа введения ртути и применения прямонакального оксидного катода на время готовности прибора к работе. Установлена возможность уменьшения времени готовности к работе тиратронов с уменьшенными массой ртути и ее объемной концентрацией на порядок величины — до 10 — 30 секунд.

7. Проведено экспериментальное исследование влияния максимальной температуры окружающей среды на электрическую прочность ртутных тиратронов с уменьшенной до 0,17 мг/см3 объемной концентрацией ртути. Установлена возможность повышения максимальной допустимой температуры окружающей среды до

+ 100 °с.

8 Проведено исследование возможности уменьшения для ртутных тиратронов минимальной допустимой температуры окружающей среды до минус 60 °С. Установлена принципиальная возможность обеспечения работоспособности при такой температуре окружающей среды ртутных тиратронов с установленным в нижней части баллона дополнительным подогревателем, обеспечивающим минимальную температуру баллона + 75 °С.

9. Разработана конструкция откачиваемого генератора ртути с индивидуальным электронагревателем. Подана заявка на патент и получено положительное решение Федерального института промышленной собственности от 16.02.2005 г.

10. В процессе выполнения работы созданы ртутные тиратроны двух типов на средний ток анода 0,5 А и обратное напряжение анода 5 кВ и 10 кВ (ТР1-0.5/5 и ТР1-0,5/10) с уменьшенной до 20 мг массой ртути, что соответствует минимальной массе ртути в люминесцентных лампах дневного света. Разработанные тиратроны внедрены в производство, в аппаратуру и поставляются потребителям.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Егорова Н.С., Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Высоковольтный тиратрон с ртутным наполнением // Тез. докл. X конференции по физике газового разряда. Ч. 2. Рязань,

2000. С. 177-178.

2. Егорова Н.С., Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Влияние количества вводимой ртути на электрические параметры тиратрона // Тез. докл. X конференции по физике газового разряда. Ч. 2. Рязань, 2000. С. 178-180.

3. Егорова Н.С., Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Особенности откачки ртутных тиратронов нового поколения // Тез. докл. X международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития вакуумной техники. Вакуум -2001». Казань. 2001. С. 96-97.

4. Егорова Н.С., Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Прямонакальный оксидный катод для газоразрядных приборов// Тез. докл. III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск,

2001. С.35.

5. Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Влияние нового способа введения ртути на надежность работы тиратрона // Тез. докл. XI конференции по физике газового разряда. Ч. 1. Рязань,

2002. С. 101-102. .

6. Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Исследование долговечности тиратрона с ртутным наполнением // Тез. докл. XI конференции по физике газового разряда. Ч. 1. Рязань, 2002. С. 102-103.

7. Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Уменьшение времени готовности к работе ртутного тиратрона// Тез. докл. IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2003. С. 19.

8. Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Расширение диапазона рабочих температур тиратрона с ртутным наполнением // Тез. докл. IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2003. С. 20.

9. Зильберман М.М., Киселев Ю.В., Потапенко Н.В. Стабильность напряжений возникновения и поддержания дугового несамостоятельного разряда в парах ртути // Известия АН. Сер. Физическая, 2003. Т. 67. № 9. С. 1284-1285.

10. Зильберман М.М., Потапенко Н.В., Юдаев Ю.А. Экспериментальное исследование напряжений возникновения и поддержания разряда в ртутных тиратронах для создания математической модели // Тез. докл. IX всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2004». Рязань: РГРТА, 2004. С. 119-120.

11. Зильберман М.М., Потапенко Н.В., Юдаев Ю.А. Численное моделирование электрического режима ртутного тиратрона в обратный полупериод // Тез. докл. IX всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2004». Рязань: РГРТА, 2004. С. 120-122.

12. Зильберман М.М., Потапенко Н.В., Юдаев Ю.А Моделирование теплового режима ртутного тиратрона // Тез. докл. IX всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2004». Рязань: РГРТА, 2004. С. 122-123.

13. Зильберман М.М., Потапенко Н.В., Юдаев Ю.А. Численное моделирование электрического и теплового режимов ртутного тиратрона // Информационные технологии в электронике: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2004. С. 80-83.

14. Зильберман М.М:, Потапенко Н.В., Юдаев Ю.А Исследование электрической прочности ртутного тиратрона // Информационные технологии в электронике: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2004. С. 83-87.

15. Зильберман М.М., Потапенко Н.В. Исследование электрических параметров ртутных тиратронов с генераторами ртути // Материалы XII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». Судак, Украина, 2005. С. 25-27.

16. Зильберман М.М., Потапенко Н.В. Исследование обратных зажиганий в ртутных тиратронах при повышенной температуре окружающей среды // Материалы XII НТК «Вакуумная наука и техника». Судак, Украина, 2005. С. 27-28.

17. Зильберман М.М., Потапенко Н.В. Исследование работоспособности прямонакального оксидного катода при многократных включениях и выключениях напряжения накала // Электроника: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2005. С. 88-90.

18. Баринов Е.Н., Зильберман М.М., Потапенко Н.В:, Юдаев Ю.А. Экспериментальное исследование теплового режима баллонов ртутных тиратронов // Электроника: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2005. С. 90-92.

Потапенко Надежда Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА В ПАРАХ РТУТИ В ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ С НАКАЛЕННЫМ КАТОДОМ И РАЗРАБОТКА ДОЛГОВЕЧНЫХ РТУТНЫХ ТИРАТРОНОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 31.05.06. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага ксероксная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0, Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

1.1 Управляемые полупроводниковые вентили.

1.2 Высоковольтные управляемые вакуумные вентили.

1.3 Высоковольтные управляемые газоразрядные вентили (наполненные инертными газами).

1.4 Высоковольтные управляемые ртутные вентили с жидким катодом.

1.5 Высоковольтные управляемые ртутные вентили с накаленным катодом. 28 Выводы к главе.

ГЛАВА 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В РТУТНЫХ ТИРАТРОНАХ.

2.1 Физико-химические свойства ртути и ее соединений.

2.2 Механизм работы ртутных тиратронов.

2.3 Особенности конструкции ртутных тиратронов.

2.4 Влияние давления ртутного пара и объемной концентрации ртути на электрические параметры тиратронов.

Выводы к главе.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СУЩЕСТВЕННОГО УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА РТУТИ В ТИРАТРОНАХ С РТУТНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ.

3.1 Выбор конструкции и проектирование экспериментального макета тиратрона.

3.2 Выбор конструкции, расчет и экспериментальное исследование катода тиратрона.

3.3 Расчет и исследование теплового режима тиратрона.

3.4 Исследование влияния объемной концентрации ртути на напряжения возникновения и поддержания разряда.

-33.5 Исследование влияния объемной концентрации ртути на долговечность тиратронов.

Выводы к главе.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРАТРОНОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ РТУТИ.

4.1 Генераторы ртути на основе прессованных порошков соединений ртути

4.2 Разработка твердотельного генератора ртути на основе окиси ртути.

4.3 Исследование электрических параметров и долговечности тиратронов с твердотельными генераторами ртути.

Выводы к главе.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТИРАТРОНОВ С УМЕНЬШЕННЫМИ МАССОЙ РТУТИ И ЕЕ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ.

5.1 Разработка конструкции тиратронов.

5.2 Особенности технологии изготовления тиратронов.

5.3 Исследование возможности расширения диапазона допустимых температур окружающей среды.

5.4 Исследование электрических параметров тиратронов.

Выводы к главе.

Актуальность работы. Развитие современной науки и техники требует дальнейшего совершенствования устройств силовой электроники и, в частности, преобразователей электрической энергии. При этом приоритетом является достижение минимальной энергоемкости преобразовательных приборов, которая определяется их КПД. Главной задачей при создании преобразовательных приборов является снижение до минимума потерь электрической энергии в процессе ее преобразования. Эта задача решается применением приборов, принцип действия которых позволяет обеспечить минимально возможное падение напряжения на приборе в проводящий период в сочетании с возможностью получения необходимой мощности не за счет увеличения тока, а за счет повышения напряжения.

Существенное влияние на эффективность преобразовательного устройства оказывает возможность регулирования им с помощью управляемого электронного преобразовательного прибора, что позволяет, например, в промышленном электроприводе, экономить до 40 % электроэнергии по сравнению с нерегулируемым электроприводом. Сказанное определяет актуальность создания высоковольтных управляемых электронных преобразовательных приборов.

Наряду с требованиями существенного снижения потерь электроэнергии, решающим является требование обеспечения высокой долговечности и надежности работы преобразовательных приборов, включая сохранение работоспособности при наличии временных перенапряжений и предотвращение при этом катастрофических отказов. Важное значение придается и стоимости преобразовательных приборов, которая в современных преобразовательных устройствах достигает одной трети стоимости всего устройства.

Все большее внимание обращается на экологическую безопасность преобразовательных электронных приборов в части применения материалов, оказывающих отрицательное влияние на окружающую среду.

С точки зрения потерь электроэнергии существенное значение имеет и снижение времени готовности прибора к работе, так как это время не входит в период полезной работы прибора и при эксплуатации прибора в режимах с большим количеством циклов включения и выключения может составить заметную часть полного времени эксплуатации.

Для расширения областей применения высоковольтных преобразовательных электронных приборов весьма важными являются требования обеспечения их надежной работы в широком диапазоне температур окружающей среды - от отрицательной - минус 60 °С до максимальной положительной - 100 °С.

В зависимости от условий применения к преобразовательным приборам, установленным в различных источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, предъявляются и требования устойчивости к воздействию различных ионизирующих излучений и дестабилизирующих факторов космического пространства.

В настоящее время в зависимости от рабочей среды, в которой происходит преобразование электрической энергии, в качестве преобразовательных управляемых электронных приборов применяются полупроводниковые, вакуумные, газоразрядные вентили, наполненные инертными газами или ртутью. Анализ свойств этих приборов свидетельствует о том, что в зависимости от режимов работы и условий применения отдается предпочтение приборам одной из этих групп.

Вместе с тем для питания постоянным током современной мощной радиоэлектронной аппаратуры наиболее полно комплексу предъявляемых требований удовлетворяют ртутные тиратроны. К их преимуществам относятся высокая экономичность, сравнительно малые потери электроэнергии при ее преобразовании, большая долговечность, практическое отсутствие ограничений по высокому напряжению, устойчивость к перенапряжениям и отсутствие катастрофических отказов, устойчивость к воздействию ионизирующих излучений и дестабилизирующих факторов космического пространства, низкая стоимость, связанная с простотой изготовления и применением сравнительно дешевых материалов.

Однако к числу недостатков ртутных преобразовательных приборов относятся их экологическая опасность как в период производства, так и в условиях эксплуатации, связанная с применением сравнительно больших количеств жидкой ртути, узкий диапазон допустимых температур окружающей среды (от +15 °С до + 45 °С), большое время готовности к работе - до 30 минут, только вертикальное положение.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании влияния объемной концентрации ртути на величину и стабильность напряжений возникновения и поддержания разряда в ртутных тиратронах и в разработке долговечных тиратронов с уменьшенной объемной концентрацией ртути.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния объемной концентрации ртути на напряжения возникновения и поддержания разряда в ртутных тиратронах.

2. Исследование влияния объемной концентрации ртути на долговечность тиратронов с уменьшенным количеством ртути.

3. Разработка и исследование твердотельных генераторов ртути на основе прессованного порошка окиси ртути

4. Исследование влияния конструкции тиратронов с уменьшенным количеством ртути на их время готовности к работе и на диапазон допустимых температур окружающей среды.

Научная новизна

1. Определена зависимость напряжений возникновения и поддержания дугового разряда в ртутном тиратроне от объемной концентрации ртути.

2. Установлена возможность существенного (на один - два порядка величины) уменьшения объемной концентрации ртути в тиратронах с ртутным наполнением.

3. Исследовано влияние объемной концентрации ртути на долговечность тиратронов с ртутным наполнением.

4. Установлена возможность создания ртутных тиратронов с твердотельными генераторами ртути на основе прессованного порошка окиси ртути.

5. Исследована и установлена возможность уменьшения времени готовности к работе ртутных тиратронов на порядок величины.

6. Изучено влияние температуры окружающей среды на вероятность обратных зажиганий в ртутных тиратронах и доказана возможность увеличения максимальной допустимой температуры окружающей среды до +100 °С.

7. Исследована и установлена принципиальная возможность снижения допустимой температуры окружающей среды для ртутных тиратронов до минус 60 °С при установке в тиратрон дополнительного подогревателя, обеспечивающего нагрев нижней части баллона тиратрона до температуры не менее +75 °С.

Научные положения, выносимые на защиту:

- в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом и несамостоятельным дуговым разрядом в парах ртути уменьшение объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) не приводит к увеличению напряжения поддержания разряда;

- напряжение возникновения дугового несамостоятельного разряда в парах ртути при уменьшении объемной концентрации ртути на порядок величины (с 4,3 мг/см3 до 0,17 мг/см3) увеличивается не более чем на 12 %, а при уменьшении объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) возрастает вдвое;

- в течение 12000 часов работы ртутного тиратрона с уменьшенной на по

-I 1 рядок величины (с 4,3 мг/см до 0,17 мг/см ) объемной концентрацией ртути напряжение поддержания разряда не изменяется, а при уменьшении объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см до 0,012 мг/см ) возрастает на 32 %;

- при длительной работе ртутного тиратрона, когда критерием долговечности является напряжение возникновения разряда, уменьшение объемной концентрации ртути на порядок величины (с 4,3 мг/см3 до 0,17 мг/см3) не снижает долговечности тиратрона, сохраняя ее на уровне 12000 часов, а при уменьшении объемной концентрации ртути на два порядка величины (с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3) долговечность тиратрона снижается до 2100 часов.

Научно-практическое значение результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны принципы конструирования ртутных тиратронов с уменьшенной на один - два порядка величины объемной концентрацией ртути и повышенной долговечностью до 12000 часов.

2. Разработаны конструкция и технология изготовления твердотельных генераторов ртути на основе спрессованных порошков окиси ртути, титана и железа.

3. Разработаны способы уменьшения времени готовности к работе ртутных тиратронов до 10-30 секунд.

4. Разработаны способы расширения диапазона допустимых температур окружающей среды для ртутных тиратронов от +100 °С до минус 60 °С.

5. На основе проведенных исследований разработаны, внедрены в производство в ООО НЛП «ФОН» и в аппаратуру и поставляются потребителям ртутные тиратроны, рассчитанные на средний ток анода 0,5 А и обратное напряжение анода 5 кВ и 10 кВ (TP 1-0,5/5 и TP 1-0,5/10).

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в 18 научно-технических статьях и доложены на 7 научно-технических конференциях:

- X конференции по физике газового разряда, Рязань, 2000;

- X международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», Казань, 2001;

- III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Саранск, 2001;

- XI конференции по физике газового разряда, Рязань, 2002;

- IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Саранск, 2003;

- IX всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов, НИТ-2004, Рязань, 2004;

- XII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника», Судак, Украина, 2005.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований. Объем работы составляет 171 страницу машинописного текста, включая 53 рисунка и 17 таблиц.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведено теоретический анализ влияния массы ртути и ее объемной концентрации на напряжения возникновения и поддержания дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом. Установлена принципиальная возможность уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации на несколько порядков величины по сравнению с фактическими значениями массы ртути и ее объемной концентрации в ранее разработанных и выпускаемых промышленностью ртутных тиратронах.

2. Разработаны конструкция и технология изготовления твердотельных генераторов ртути в виде таблеток, спрессованных из порошков красной окиси ртути, титана и карбонильного железа. Создание твердотельных генераторов ртути позволило уменьшить и точно дозировать массу ртути, вводимой в тиратроны, с 20 до 1,4 мг. Сравнительными испытаниями тиратронов с массой ртути 20 мг установлено, что приборы, в которые ртуть вводится в виде твердотельных генераторов ртути, по электрическим параметрам ничем не отличаются от тиратронов, в которые вводится жидкая ртуть в ампулах.

3. Проведен цикл экспериментальных исследований зависимости напряжения возникновения и поддержания дугового разряда в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом от массы ртути и ее объемной концентрации. Установлена возможность уменьшения массы ртути и ее объемной концентрации на два порядка величины: массы ртути с 500 мг до 1,4 мг, а ее объемной концентрации - с 4,3 мг/см3 до 0,012 мг/см3. При этом уменьшение массы ртути и ее объемной концентрации практически не оказывает влияния на напряжение поддержания разряда, но вдвое увеличивает напряжение возникновения разряда.

4. Проведено экспериментальное исследование стабильности напряжений возникновения и поддержания дугового разряда в парах ртути в трехэлектрод-ных промежутках с накаленным катодом в зависимости от массы ртути и ее объемной концентрации в течение срока службы тиратронов. Установлено, что у тиратронов с уменьшенными массой ртути до 4 мг и ее объемной концентрацией до 0,035 мг/см3 изменения контролируемых параметров - напряжений возникновения и поддержания разряда находятся в допустимых пределах в течение 12000 часов работы. При дальнейшем уменьшении массы ртути с 4 до 1,4

3 3 мг и ее объемной концентрации с 0,035 мг/см до 0,012 мг/см долговечность тиратронов, определяемая увеличением напряжения возникновения разряда более 2500 В при Ug= -10 В, уменьшается с 12000 до 2100 часов.

5. Проведено экспериментальное исследование влияния эмиссионной способности оксидного катода при снижении его температуры на величину напряжения возникновения разряда в ртутных тиратронах. Установлено, что увеличению напряжения возникновения разряда на 50 % в течение срока службы соответствует уменьшение эмиссионной способности оксидного катода при снижении его рабочей температуры на 1700 (с 1070 до 900 К).

6. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструкции тиратрона, способа введения ртути и применения прямонакально-го оксидного катода на время готовности прибора к работе. Установлена возможность уменьшения времени готовности к работе тиратронов с уменьшенными массой ртути и ее объемной концентрации на порядок величины - до 10 -30 секунд.

7. Проведено экспериментальное исследование влияния максимальной температуры окружающей среды на электрическую прочность ртутных тиратронов с уменьшенной до 0,17 мг/см3 объемной концентрацией ртути. Установлена возможность повышения максимальной допустимой температуры окружающей среды до +100 °С.

-1618. Проведено исследование возможности уменьшения для ртутных тиратронов минимальной допустимой температуры окружающей среды до минус 60 °С. Установлена принципиальная возможность обеспечения работоспособности при такой температуре окружающей среды ртутных тиратронов с установленным в нижней части баллона дополнительным подогревателем, обеспечивающим минимальную температуру баллона + 75 °С.

9. Разработана конструкция откачиваемого генератора ртути с индивидуальным электронагревателем. Подана заявка на патент и получено положительное решение Федерального института промышленной собственности от 16.02.2005 г.

10. В процессе выполнения работы созданы ртутные тиратроны двух типов на средний ток анода 0,5 А и обратное напряжение анода 5 кВ и 10 кВ (TP 1-0,5/5 и TP 1-0,5/10) с уменьшенной до 20 мг массой ртути, что соответствует минимальной массе ртути в люминесцентных лампах дневного света. Разработанные тиратроны внедрены в производство, в аппаратуру и поставляются потребителям.

-162

-159-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы физические процессы, протекающие при дуговом разряде в парах ртути в трехэлектродных промежутках с накаленным катодом и разработаны долговечные ртутные тиратроны с уменьшенными на порядок величины массой ртути и ее объемной концентрацией.

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Н.: НГТУ, 2003. 652 с.

2. Лекоргийе Ж. Управляемые электронные вентили и их применение. М.: Энергия, 1971.503 с.

3. Герлах В. Тиристоры. М.: Энергоатомиздат, 1985. 327 с.

4. Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. 576 с.

5. Думаневич А.Н. Тиристоры высоковольтные сильноточные таблеточной конструкции: Справочные материалы. М.: ВЭИ, 2004. 18 с.

6. Каликанов В.М., Панфилов С.А., Фомин Ю.А. Эффективное охлаждение силовых полупроводниковых приборов// Тез. докл. НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2003. С. 83.

7. Абрамов И.С., Потсар А.А. Выбор вентилей для высоковольтных выпрямителей средней мощности// Известия ЛЭТИ. 1972. Вып. 117. С. 3-7.

8. Абрамов И.О., Потсар А.А. Область применения секционированных газоразрядных вентилей с накаленным катодом с точки зрения теории надежности// Известия ЛЭТИ. 1969. Вып. 83. С. 87-92.

9. Ширшев Л.Г. Ионизирующие излучения и электроника. М.: Сов. радио, 1969. 191 с.

10. Кацнельсон Б.В., Калугин A.M., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. М.: Радио и связь, 1985. 920 с.

11. Будкер Г.И., Переводчиков В.И. А.с. 367482 СССР. Электронный высоковакуумный вентиль// БИ. 1973. № 8. Приоритет 10.06.67 г.

12. Переводчиков В.И. Электронно-лучевые вентили// Электротехника. 1980. № 6.С. 5-7.

13. Клейнер Э.Ю. Основы теории электронных ламп. М.: Высшая школа, 1974. 368 с.

14. Кацман Ю.А. Электронные лампы. М.: Высшая школа, 1974. 368 с.

15. Волдырь Ю.Д., Красилов А.В. Газоразрядные приборы. J1.-M.: Оборонгиз, 1939. 124 с.

16. Нентвиг К. Газоразрядные лампы в технике. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1945. 91 с.

17. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Ч. 2. Ионные приборы. М.-Л.: ГЭИ, 1955. 456 с.

18. Свечников С.В. Газотроны и тиратроны. Киев: Гостехиздат УССР, 1961. 324 с.

19. Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972. 526 с.

20. Дикиджи А.Н., Клярфельд Б.Н. Напряжение зажигания разряда в Не, Ne, Аг, Кг и Хе при низких давлениях// ЖТФ. 1955. XXV. №. 6. С. 1038-1044.

21. Электровакуумные приборы Т. IX. Газоразрядные приборы: Справочник НИИ МЭП СССР. 1972. 238 с.

22. Гурлев Д.С. Справочник по ионным приборам. Киев: Техника, 1970. 180 с.

23. Rohrentaschenbuch. Band I. Thyratrons// Fachbuchverlag. Leipzig, 1988. 548 s.

24. Thyratron Technical Reprints// Проспект фирмы EEV. Великобритания, 1997.

25. Tubes electroniques. Thyratrons industriels// Каталог фирмы Thomson-Houston. Франция, 1994.

26. Eimac Mercury Vapor Rectifiers// Каталог фирмы Eimac. США, 1995.

27. RCA/ Rectifier Tubes Mercury- Vapor Types// Каталог фирмы RCA. США, 1996.

28. Гусева А.Г., Клярфельд Б.Н. Напряжение зажигания разряда в ртутных парах// ЖТФ. 1954. XXIV. № 7. С. 1169-1178.-16431. Ratcliff H.F., Isaaks D.P. Measurements of the arc voltage drop in mercury Rectifiers// Electronic Engineering. 3. 1951. P. 233-235.

29. Абрамов И.С. Снижение и стабилизация напряжения зажигания секционированного вентиля с накаленным катодом// Известия ЛЭТИ. 1969. Вып. 83. С. 93-97.

30. Андреев В.Д., Левина Л.Е., Менделев Б.Г. Распределение электрического поля в трехэлектродной газоразрядной трубке при большом обратном напряжении//ЖТФ. 1951. Т. 21. Вып. 2. С. 149-154.

31. Абрамов И.С. Методы снижения напряжения зажигания разряда в секционированных приборах с накаленным катодом// Известия ЛЭТИ. 1972. Вып. 117. С. 8-14.

32. Масленников Н.И., Сакович А.А., Андреев В.Д. Исследование зажигания секционированного высоковольтного вентиля// Электричество. 1960. № 6. С. 27-31.

33. Быстров Ю.А. Исследование сеточных перенапряжений ртутных тиратронов// Электронная техника. Сер. 3. Газоразрядные приборы. 1966. № 4. С. 51-56.

34. Быстров Ю.А. Исследование ртутных тиратронов в режиме больших импульсов тока// Электронная техника. Сер. 3. Газоразрядные приборы. 1968. №3(11). С. 72-76.

35. Кузнецов В.М., Чучалин И.П. О работе тиратрона ТР1-85/15 в импульсном режиме// Известия ТПИ. 1962. Вып. 22. С. 119-121.

36. Engineering Solutions. TQ2 Thyratronil Проспект фирмы Richardson Electronics. США, 2005.

37. TQ2 Thyratron// Проспект фирмы Brown Bovery. Швейцария, 2004.

38. Дальке. Лампы с большим сроком службы/ В кн. «Оксидный катод». М.: ИЛ, 1957. С. 388-407.

39. Сентеспри, Менье. Оксидные катоды электронных ламп с большим сроком службы/В кн. «Оксидный катод». М.: ИЛ, 1957. С. 412-421.

40. Hiibner R. Neues Verfahren zum Fiillen von Entladungsgefapen// Electronische Rundschau. 1956. 8. S. 227.

41. Зильберман M.M. Термоэлектронные оксидно-никелевые катоды. Рязань: РГРТА, 2003. 44 с.

42. Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. М.-Л.: Энергия, 1966. 368 с.

43. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Т. 1. М.-Л.: ГЭИ, 1962. 631 с.

44. Некрасов Б.В. Курс общей химии. М.: Госхимиздат, 1962. 683 с.

45. Глинка Н.А. Общая химия. Л.: Химия, 1968. 703 с.

46. Краткая химическая энциклопедия. Т. 4. М.: Сов. энциклопедия, 1965. 1262 с.

47. Химическая энциклопедия. Т. 1. М.: Сов. энциклопедия, 1988. 623 с.

48. Химия. Большой энциклопедический словарь. М.: Большая российская энциклопедия, 1988. 792 с.

49. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 2002. 558 с.

50. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. М.: Изд. АН СССР, 1961.527 с.

51. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1964. 715 с.

52. Плаксин И.И. Металлургия благородных металлов. М.: Металлургиздат, 1958.258 с.

53. Козловский М.Т., Зеброва А.И., Гладышев Б.П. Амальгамы и их применение. Алма-Ата: Наука, 1971. 365 с.

54. Смирнов В.А. Восстановление амальгамами. Л.: Химия, 1970. 229 с.-16660. Носек М.В., Атаманова Н.М. Амальгамные системы. Алма-Ата: Наука, 1980. 160 с.

55. Популярная библиотека химических элементов. М.: Наука, 1977. 153 с.

56. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов. M.-JL: Гостехтеориздат, 1949. 172 с.

57. Никонов Б.П. Оксидный катод. М.: Энергия, 1979. 238 с.

58. Герман Г., Вагенер С. Оксидный катод. М.-Л.: ГИТТЛ, 1949. 507 с.

59. Мойжес Б .Я. Физические процессы в оксидном катоде. М.: Наука, 1968. 479 с.

60. Hermann G., Wagener S. The oxide-coated cathode. V. I. V. II. London: Chapman-Hall Ltd, 1951. 148,311 pp.

61. Фоменко B.C., Подчерняева И.А. Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и материалов. М.: Атомиздат, 1975. 320 с.

62. Кузнецова В.П., Потсар А.А. К расчету катодного падения напряжения в разряде с накаленным катодом// Известия ЛЭТИ. 1971. Вып. 104. С. 78-85.

63. Клярфельд Б.Н., Неретина Н.А. Анодная область в газовом разряде при низких давлениях. 1. Влияние формы анода на знак и величину анодного падения// ЖТФ. 1958. Т. 28. № 2. С. 296-315.

64. Клярфельд Б.Н., Неретина Н.А. Анодная область в газовом разряде при низких давлениях. 2. Роль температуры электронов плазмы, температуры поверхности анода и коэффициента аккомодации молекул на аноде// ЖТФ. 1959. Т. 29. № 1.С. 15-23.

65. Клярфельд Б.Н., Неретина Н.А. Анодная область в газовом разряде при низких давлениях. 3. Возникновение на аноде дополнительных плазм (анодных пятен)//ЖТФ. 1960. Т. 30. № 2. С. 186-198.

66. Соболева А.С. Исследование электрической прочности анодно-сеточной камеры высоковольтного водородного тиратрона. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: НИИ МРТП, 1958.

67. Покровская-Соболева А.С. Влияние материала и состояния поверхности сетки на электрическую прочность водородного тиратрона// Труды НИИ МРТП. 1957. № 7(43). С. 88-101.

68. Покровская-Соболева А.С. Электрическая прочность анодной камеры высоковольтного импульсного тиратрона// Труды НИИ МРТП. 1957. № 11(47). С. 3-30.

69. Олендзская Н.Ф. Исследование процессов, определяющих предельную электрическую прочность высоковольтного ртутного вентиля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВЭИ, 1967.

70. Александров Д.Д., Олендзская Н.Ф., Птицын С.В. Электрическая прочность высоковольтного вентиля//ЖТФ. 1958. Т. 28. № 4. С. 896-907.

71. Птицын С.В., Александров Д.Д., Олендзская Н.Ф. Исследование механизма пробоя в высоковольтном вентиле с ртутным катодом// Труды 2й Всесоюзной конференции по газовой электронике. М., 1958. С. 27-30.

72. Олендзская Н.Ф., Табарданова Н.П. О времени формирования пробоя при низких давлениях газа// Труды Iй Всесоюзной научно-технической конференции по газоразрядным приборам. Рязань, 1964. С. 17-19.

73. Сирота С.М. Исследование электрической прочности высоковольтного ртутного вентиля в обратный полупериод. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: ВЭИ, 1971.

74. Сирота С.М. О фазе возникновения обратных зажиганий// Электротехника. 1965. № 10. С. 34-38.

75. Сирота С.М. Возникновение тлеющего разряда в высоковольтных ионных приборах с промежуточными электродами// Электричество. 1968. № 4. С. 53-56.

76. Удрис Я.Я. Обратные зажигания, вызванные каплями ртути// Труды ВЭИ. 1958. Вып. 63. С. 91-96.

77. Габович М.Д. Обратные зажигания и вторичная эмиссия на графитовом аноде в ртутных парах// ЖТФ. 1940. Т. 10. № 19. С. 654-658.

78. Грановский B.JL, Лукацкая И.А. Природа обратного тока в ионном вентиле при высоком обратном напряжении// Электричество. 1953. № 8. С. 53-58.

79. Менделев В.Г. К теории обратных токов в ионных приборах// ЖТФ. 1951. Т. 21. №9. С. 984-989.

80. Уайт Д.К. Обратные зажигания в высоковольтных ртутных приборах низкого давления// Электричество. 1939. № 6. С. 29-34.

81. Аскинази А.Е., Гуревич М.А., Сена JI.A. Исследование обратных зажиганий в приборе с ртутным катодом// Электричество. 1947. № 9. С. 61-65.

82. Климов Н.С., Токарев В.ГТ. Обратный ток в высоковольтном ионном приборе// Электричество. 1968. № 8. С. 94-98.

83. Вольнов Ю.Ф., Климов Н.С., Осипов Ю.Д. Вероятность обратных зажиганий в высоковольтных ионных вентилях// Электротехника. 1966. № 9. С. 52—57.

84. Грановский B.J1. Об установившемся испарении жидкости при различных температурах испарителя и конденсатора// ЖТФ. 1951. Т. 21. № 9. С. 1008-1013.

85. Барская Р.Я., Денисюк Н.А., Сена J1.A. Распределение плотности ртутного пара при наличии испаряющей и конденсирующей поверхностей жидкой ртути//ЖТФ. 1951. Т. 21. №9. С. 1005-1007.

86. Моргулис Н.Д. Катодное распыление// Успехи физических наук. 1946. Т. 28. №2-3. С. 2-17.

87. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1977. 335 с.

88. Акишин А.И. Ионная бомбардировка в вакууме. М.-Л.: ГЭИ, 1963. 144 с.-16997. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Ч. 1. Электронная техника. М.-Л.: ГЭИ, 1950. 664 с.

89. Антошкин В.А., Юдаев Ю.А. Моделирование электрических полей в приборах и устройствах вакуумной и плазменной электроники// Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2000610404 от 19.05.2000

90. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. М.: Энергия, 1967. 672 с.

91. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.544 с.

92. Овечкина В.И., Панов В.П., Пошехонов П.В. Исследование коэффициента излучения губки синтерированных оксидных катодов// Труды радиотехнического института. Т. V. Электроника. Рязань, 1962. С. 55-59.

93. Ворончев Т.А. Импульсные тиратроны. М.: Сов. радио, 1958. 164 с.

94. Коваленко В.Ф. Элементы теории разогрева катода// Электроника. 1958. № 9. С. 3-22.

95. Пошехонов П.В., Соколовский Э.И. Тепловой расчет электронных приборов. М.: Высшая школа, 1977. 156 с.

96. Приборы газоразрядные. Методы измерения электрических параметров тиратронов с накаленным катодом. ГОСТ 21107.2-75. 1983. 16 с.

97. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин. М.: АПМ, 2000. 467 с.

98. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Т. III. М.: Энергия, 1969.368 с.

99. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов/ Под ред. Р.А. Нилендера. М.: Энергия, 1973. 336 с.

100. Попов В.Ф. Нераспыляемые газопоглотители. Л.: Энергия, 1975. 104 с.

101. Винк М.В., Смирнов А.Ф. А.с. 137969 СССР. Таблетка для введения ртути в электровакуумные приборы// БИ. 1961. № 9.

102. Антонио Шабель, Клаудио Боффато. Патент № 2091895 РФ. Дозирующая ртуть смесь, устройство для дозирования ртути и способ введения ртути в электронные приборы // БИ. 1997. № 27.

103. Антонио Скиабель, Стефано Джорджи. Патент № 2113031 РФ. Ртутно-дозирующий состав, ртутно-дозирующее устройство и способ введения ртути в электронные приборы // Опубл. 10.06.1997.

104. Джорджи Стефано Паоло, Борги Марио. Патент № 2202841 РФ. Устройство для введения небольших количеств ртути в люминесцентные лампы и полученная таким образом лампа// Опубл. 20.04.2003.

105. J.P. Grenfell, SW. Stephens. Patent 4.542.319 UK. H01J9/395 61/28. Mercury dispenser for electric discharge lamps// 29.04.1982

106. C. Buhrer. Patent 4.464.133 USA. H01J9/395. Method of charging a vessel with mercuiy//05.04.1982

107. Дерягин Б.В., Кротова H.A. Адгезия. M.-JI.: Химия, 1949. 278 с.

108. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. 430 с.

109. Ильин С.К., Кокинов A.M., Петровский Л.Е., Щербаков Н.Н. Гетеро-ртутный дозатор для люминесцентных ламп// Светотехника. 1983. № 4. С. 19-21.121. http://www.econ-hg.ru/demerc.htm (28.03.2005)

110. Дьяков А.Ф., Бобров Ю.К., Сорокин А.В., Юргеленас Ю.В. Физические основы электрического пробоя газов. М.: МЭИ, 1999. 400 с.