автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Разработка и исследование катодных узлов с повышенным токоотбором для газоразрядных коммутаторов тока

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

БОГДАНОВА НАДЕЖДА ПЕТРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАТОДНЫХ УЗЛОВ С ПОВЫШЕННЫМ ТОКООТБОРОМ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ КОММУТАТОРОВ ТОКА

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Научный руководитель

Научный консультант

к.т.н., доцент

Малолетков Б. Д.

д. т. н., профессор Арефьев А. С. к.т.н., доцент Юдаев Ю. А.

Рязань 1999

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................... 6

Глава 1. Импульсные газоразрядные приборы с холодным

катодом.....................И

1.1. Общая характеристика известных типов коммутирующих приборов...........'............11

1.2. Тенденция развития сильноточных газоразрядных коммутаторов с холодных катодом ............. 12

1.3. Материалы холодных катодов и основные требования

по их эксплуатации..................21

1.3.1. Оценка применимости различных эмиссионных материалов в качестве холодных катодов сильноточных коммутаторов .................... 23

1.4. Основные принципы конструирования газоразрядных приборов с холодным катодом. . ............ 27

Выводы к главе......................34

Глава 2. Влияние материала катода на стабильность параметров и долговечность коммутаторов с холодным катодом.....................36

2.1. Анализ причин изменения эмиссионных свойств катода. . 36

2.1.1. Сорбционный механизм изменения катодной поверхности .......................36

2.1.2. Взаимосвязь эрозионных процессов с физическими параметрами катодного материала .......... 40

2.2. Исследование влияния различных катодных материалов на основные разрядные характеристики безнакальных

коммутаторов..................... 42

2.3. Изменение структуры активной поверхности электродов

разрядников в процессе эксплуатации . . .......49

2.3.1. Влияние различных типов воздействий, имитирующих условия эксплуатации катодов разрядников, на величину напряжения возникновения .......... 50

2.3.2. ОЖЕ-анализы катодной поверхности .......... 51

2.3.3. Измерение работы выхода катодной поверхности ... 53

Выводы к главе......................62

Глава.3. Моделирование развития разряда в газонаполненном диодном промежутке с холодным катодом .... 64

3.1. Теоретические представления механизма развития разряда в диодном промежутке с холодным катодом ..... 65

3.2. Динамические модели процесса формирования разряда в

газоразрядных промежутках с холодным катодом ..... 71

3.3. Постановка задачи и методы численного представления процесса размножения и компенсации объемного заряда ионов и электронов на этапе формирования пробоя и установления разряда ............. .... 76

3.3.1. Пространственно-временная дискретизация физических процессов...................77

3.3.2. Структура расчета ................. 78

3.3.3. Расчет перемещения положительных ионов ....... 80

3.3.4. Расчет перемещения электронов ........... 83

3.3.5. Расчет тока, напряжения на аноде и распределения потенциалов в диодном промежутке .......... 87

3.3.6 Результаты численного исследования физического процесса развития разряда в газоразрядном диодном

промежутке с холодным катодом ............. 88

Выводы к главе......................93

Глава 4. Исследования катодных узлов с развитой поверхностью .....................95

4.1. Исследование возможности применения мелкоструктурной металличекой сетки в качестве конструкционной основы холодных катодов ............... 96

4.1.1. Сравнительные исследования -никелевых катодов с различной структурой поверхности .......... 96

4.1.2. Зондовые исследования............... 104

4.1.3. Исследование влияния площади сетчатой поверхности

на коэффициент газового усиления ......... 108

4.2. Изучение влияния конструкции сетчатых катодов и катодных узлов на коммутационные характеристики газоразрядных приборов................110

4.2.1. Влияние подготовительного разряда на временные характеристики прибора ......... ..... 110

4.2.2. Влияние развитой поверхности сетчатых катодов на временные и частотные свойства приборов ...... 114

4.2.3. Влияние геометрии сетчатых катодов на энергетические характеристики приборов .......... 116

4.3. Обоснование эффективности сетчатых полых катодов 119

Выводы к главе......................127

Глава 5. Использование сетчатых катодных узлов в конкретных приборах и результаты их исследования . . 130

5.1 Динамические исследования металлокерамического тиратрона ссотовым катодом ............... 130

5.2 Адиабатические исследования металлокерамического ти-

ратрона с сотовым катодом ............................136

5.3 Коммутатор с подготовительным электродом в катодном

узле.........................142

Выводы к главе ............................................147

Заключение........................150

Список литературы ........................................153

Приложение........................165

ВВЕДЕНИЕ

Развитие новых технологий в таких перспективных направлениях, как металлургия, медицина, экология, физика высоких энергий и прочих областях науки и техники, требует применения мощных коммутаторов. Поэтому дальнейшее совершенствование класса сильноточных коммутаторов является перспективным.

Особенно необходимы коммутаторы с улучшенными параметрами. Требованию мгновенного запуска и универсального применения отвечают газоразрядные приборы с холодным катодом такие, как кроссатроны, псевдоискровые разрядники и тиратроны. Особенностью названных приборов является работа в условиях сверхплотного тлеющего разряда.

Основные показатели перспективных приборов с ХК не должны уступать показателям коммутаторов с накаленным катодам. К числу таких показателей можно отнести высокие значения токоотбора с минимально возможным падением в разряде, работа при больших частотах, обеспечение долговечности и стабильности электрических параметров.

Типичной причиной срывов в работе сильноточных газоразрядных коммутаторов является переход сверхплотного разряда в дуговой. Нестабильность электрических параметров проявляется при утрате эмиссионных свойств катода, связанных с эрозионными и другими физико-химическими процессами на его поверхности.

Все выше названные причины нарушения работы приборов, так или иначе, связаны с катодом. В какой-то мере, именно "проблема катода" стала тормозить дальнейшее развитие газоразрядных ком-

мутаторов. Использование известных материалов и традиционных конструкторских решений уже несколько исчерпало свои возможности и не дает желаемых результатов. Для существенного улучшения параметров приборов требуется использование новейших материалов для катодов, которые, вероятно, пока находятся в стадии разработки и экспериментального исследования. Поэтому единственным путем в решении поставленных задач является разработка принципиально новых конструкторских решений. - Этот путь пока еще не исчерпан и остается перспективным.

Новые конструкторские решенры катодов должны соединять в себе преимущества как холодных, так и накаленных катодов и обеспечить новое поколение газоразрядных коммутаторов стабильными электрическими параметрами. Только тогда можно ожидать новых прорывов во многих отраслях, определяющих на сегодняшний день понятие высоких технологий. В этом плане тема диссертационной работы весьма актуальна.

Цель работы: заключается в поиске новых решений при разработке катодных узлов сильноточных газоразрядных коммутаторов, направленных на расширение токового диапазона сверхплотного тлеющего разряда и увеличение предельного режима работы этих приборов.

Конкретизация поставленной задачи обуславливает следующий круг вопросов, решаемых в данной работе:

- определение критерия соответствия известных эффективных эмиссионных материалов для катодов и катодных узлов с повышенным токоотбором;

- обобщение основных принципов конструирования и разработ-

ка нового подхода для создания катодных узлов с повышенным то-коотбором;

- исследование влияния технологических факторов на состояние катодной поверхности и электрические параметры приборов;

- применение численного моделирования для выявления физических закономерностей в процессе формирования разряда;

- разработка рекомендаций по созданию катодных узлов для сильноточных коммутаторов;

- использование разработанных катодных узлов в конкретных приборах и их исследование в режимах промышленных коммутаторов.

Научная новизна:

1. Показана эффективность использования мелкоструктурной металлической сетки в качестве конструкционного материала катодных узлов, работающих в условиях сверхплотного тлеющего разряда.

2. Определены критерии оптимального размера перемычек и линейных размеров ячеек сетчатой основы катодов. Установлены закономерности влияния геометрии сетчатых катодов на разрядные характеристики приборов.

3. Создана и реализована численная модель формирования разряда в газоразрядном диодном промежутке с холодным катодом, позволяющая исследовать влияние изменения различных разрядных параметров и параметров внешней цепи на характер этого процесса.

4. На основании численных экспериментов установлено, что материал катода имеет определяющее влияние на изменение электрических параметров приборов по сравнению с другими наиболее

вероятными причинами. Доказано, что однородный по составу материал обеспечивает наибольшую стабильность электрических параметров.

Научные положения выносимые на защиту:

- сетчатая поверхность полого катода создает условия для увеличения токоотбора за счет образования дополнительного объемного заряда из-за роста продольной составляющей поля и равномерного распределения плотности тока по поверхности катода;

- использование в качестве конструкционного материала холодного катода мелкоструктурной металлической сетки с характерными размерами перемычек меньше критического значения, соответствующего размерам катодного пятна, способствует предотвращению перехода сверхплотного тлеющего разряда в дуговой;

- максимальный токоотбор при сетчатой поверхности катодов реализуется при оптимальном размере ячейки сетчатого полотна, соизмеримой с двойной шириной катодного падения потенциала, при соотношении высоты катодных элементов к расстоянию между ними и/й равном 2,5 - 10.

Практическая значимость работы:

1. Предложены варианты реализации катодных узлов с повышенным токоотбором, позволяющие коммутировать токи до 2 кА с временами формирования разряда не более 25 не, напряжении поддержания разряда до 500 В и обеспечивать стабильные электрические показатели в частотных режимах до 2 кГц.

2. Получены геометрические соотношения для сетчатых полых поверхностей катодов, при которых реализуются оптимальные уело-

вия токоотбора.

3. Предложено использование мелкоструктурной металлической сетки в качестве конструкционной основы катодных узлов на поверхности которых не создаются условия формирования катодных пятен, обоснованы геометрические размеры перемычек и ячеек сетчатой поверхности.

Апробация работы

Результаты исследований, предложенные в диссертационной работе были обсуждены на конференциях профессорско-преподавательского состава Рязанской радиотехнической академии (1990 -1999 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1990 г.), на VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990 г.), на Всесоюзной конференции по машинному моделированию (Воронеж, 1991 г.), на VI конференции по физике газового разряда (Казань, 1992 г.), на Научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993 г.), на VII конференции по физике газового разряда, (Самара, 1994 г.), на Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике (Рязань, 1996 г.), на IX конференции по физике газового разряда (Рязань. 1998 г.).

Публикации:

Основные материалы диссертационной работы отражены в 27 печатных работах, в том числе в 2 авторских свидетельствах, 1 патенте и 5 научно-технических отчетах.

Глава 1 ИМПУЛЬСНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ

Газоразрядные приборы остаются основным классом коммутаторов, обеспечивающих на практике коммутацию больших токов. Работая в самых неблагоприятных условиях они обладают хорошей стабильностью параметров, обеспечивают хорошую высоковольтность и долговечность. Продолжительное время лидером в классе газоразрядных коммутаторов были приборы с накаленными катодами, но интерес к портативным облегченным устройствам с мгновенным запуском заставил разработчиков обратить внимание на холодные катоды (ХК). На сегодняшний день известны коммутаторы с ХК по коммутационным и частотным свойствам сравнимые, а по ряду показателей и превосходящие свои аналоги с накаленными катодами.

Для того, чтобы составить полное представление о современных тенденциях и вариантах развития сильноточных коммутаторов необходимо, во-первых, определиться с требованиями, предъявляемыми к этим приборам, во-вторых, оценить достоинства различных катодных материалов в качестве эмиттеров ХК, в третьих, выделить круг нерешенных проблем при разработке сильноточных газоразрядных коммутаторов.

1.1 Общая характеристика известных типов коммутирующих приборов

На данный момент существует множество разнообразных коммутаторов, которые различаются по принципу действия и функцио-

нальным возможностям. Их можно разделить на следующие классы: вакуумные, полупроводниковые, электромагнитные, газоразрядные и газоразрядные механические, взрывающиеся проводники /1/. В табл. 1.1 и 1.2 /2/ приведены сравнительные и функциональные характеристики этих коммутаторов.

Все коммутирующие приборы независимо от принципа действия должны удовлетворять следующим требованиям:

- выдерживать прилагаемые к ним напряжения (до десятков кВ) и протекающие импульсные токи (от десятка до сотни кА) для обеспечения большой мощности модулируемых импульсов;

- иметь незначительные внутренние сопротивления по сравнению с сопротивлением нагрузки;

- срабатывать от управляющих импульсов меньшей мощности с целью упрощения схем управления и повышения КПД генераторов;

- иметь как можно меньшие времена срабатывания для уменьшения их влияния на длительности фронтов модулируемых импульсов;

- обладать малыми временами восстановления своих управляющих свойств для повышения максимальной частоты коммутации;

- иметь стабильные рабочие параметры, которые не должны заметно меняться от времени, окружающей температуры и т.п.;

- иметь срок службы, удовлетворяющий технико-экономическим требованиям.

1.2 Тенденция развитая сильноточных газоразрядных коммутаторов с холодных катодом

Тиратроны являются самыми распространенными приборами и большинство их разработок велось целенаправленно в зависимости от существующих потребностей, в частности для лазерной техники

Сравнительные характеристики коммутаторов

Таблица!.1

Прерыватели тока Коммут. напряж. Ток в импул. Длител. в импул. Частота Недостатки

Импульсные модуляторные лампы десятки кВ сотни А перемен. сотни кГц Большие потери энергии, высокие напряжения экранной сетки

Тиристоры и транзисторы сотни В единицы А > - Включение больш. числа приборов, низкий коэффиц. мощности

Взрывающиеся проводники сотни В единицы десятки кА 10-100 НС - Разовое действие

Механическая система прерывания тока 220 В десятки А 50-100 МКС до 300 ГЦ Низкая стабильность в течение длит, времени

Инжекционный тиратрон - плотн. пучка 0'42 А/СМ 10~6 с высокая громоздкость, сложность

Приборы с холодным автоэлектронным катодом до 20 кВ 4 А 10 НС единицы Гц незначительный ток, высокие управляющие напряжения

Таситроны 10-12 КВ 200-300 А перемен. до 200 кГц невелик уроверь коммут. мощности

Функциональные возможности коммутаторов

Таблица!.2

Коммутатор быстрый запуск мал. всп-мог. мощн мал. мощн уп-равл мал. прям ладен. возм. прер. пост, ток высок напр. болып ток высок чей мех. прочность

1. вак. трубка X X X X

2. тиратрон X X X , X X X

3. игнитрон X X X X X X X

4. вак. искр, разрядник X X X X X X X

5.газ.искр, разрядник X X X X X X X

6.кремниевый тиристор X X X X X X

7.транзистор X X X X X X

8.тиристор X X X X X

9.кроссатрон X X X X X X X X X

10.таситрон X X X X X X X X

11. пс.искр, разрядник X X X X X X . X X

/3-5/. Исторически сложилось так, что лидирующее положение в области разработок импульсных водородных тиратронов с холодными катодами занимают две фирмы EEV в Великобритании и EGG в США. Технические характеристики этих тиратронов представлены в табл. 1.3 и 1.4.

Кроме того, фирма EVV разработала также несколько типов двунаправленных тиратронов для схем защиты и умножителей напряжения /6/. Эти приборы с симметричной конструкцией работают в широком диапазоне напряжений с наносекундной задержкой.

Фирма EGG, являясь родоначальником металлокерамических тиратронов, выпустила в свет несколько моделей тиратронов "с заземленной сеткой", отличающихся от обычных тиратронов конструкцией и материалом сетки, небольшим катодом, а также схемой применения /7/. Тиратроны с заземленной сеткой успешно используются в эксимерных лазерах, однако их долговечност