Разрядники низкого давления. Вакуумные разрядники. Импульсные водородные тиратроны. Псевдоискровые разрядники

Глава  12

РАЗРЯДНИКИ  НИЗКОГО  ДАВЛЕНИЯ

§ 12.1  Вакуумные разрядники

Время коммутации t_к » d/v_к. Поскольку v_к» 2×10⁶ см/с, для получения времени t_к » 10^-9 с нужно иметь длину промежутка d = 20 мк. Фактически эта длина будет немного больше, так как навстречу катодной плазме будет двигаться анодная плазма со скоростью v_к» 10⁶ см/с. В таких коротких промежутках эта плазма появляется практически одновременно с катодной за счет интенсивного разогрева поверхности анода током взрывной электронной эмиссии.

Время задержки запуска такого коммутатора t_з будет определяться величиной плотности тока автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) j с микровыступов на катоде  где  – удельное действие при взрыве микровыступа током АЭЭ. Плотность тока сильно зависит от величины среднего электрического поля на катоде Е. Согласно формуле Фаулера-Нордгейма (5.1)  где A₀ и B₀ - постоянные, которые зависят от работы выхода металла j и коэффициента усиления электрического поля b. Таким образом, увеличивая электрическое поле  между катодом и анодом, можно получить время t_зна уровне нескольких наносекунд с нестабильностью Dt_з < 10^-9 с.

Временные характеристики вакуумных разрядников можно существенно улучшить, если в промежуток между катодом и анодом вставить диэлектрик. В этом случае одновременно решается несколько проблем. Во-первых, уменьшается время коммутации t_к. Оно уже больше не будет зависеть от длины промежутка. Например, на цилиндрический диск диэлектрика высотой h и диаметром D_д, который лежит на плоском аноде такого же диаметра, поставим катод с диаметром D_к < D_д. Тогда плазма, которая появляется у катода, будет двигаться на анод только тогда, когда достигнет края диэлектрика. Поэтому время коммутации t_к будет определяться свойствами разряда по торцу диэлектрика и составит £ 10^-9 с [1, 2]. Во-вторых, стабилизируется время задержки запуска разрядника, так как в катодном контакте присутствуют тройные точки металл-диэлектрик-вакуум, приводят к существенно более стабильному времени появления разряда. Наконец, в-третьих, значительно снижается амплитуда импульса напряжения, при которой инициируется разряд.

Итак, одним из способов управления вакуумными разрядниками является увеличение электрического поля, как и в газовом разряде. Поэтому управляемые вакуумные разрядники могут быть двухэлектродными, трехэлектродными или последовательными многоэлектродными. Кроме того, существуют вакуумные разрядники, управляемые плазмой, лучом лазера, электронным пучком и т.д. Однако основным во всех этих методах является создание плазмы на катоде и ее взаимодействие с катодной поверхностью. Известно много типов вакуумных разрядников с запуском плазмой на катоде. Например, Бриш и др. [3] разработали миниатюрные  вакуумные разрядники типа ВИР. В этих разрядниках пробой основного промежутка инициируется вспомогательным пробоем по поверхности слюды, которая разделяет электроды поджигающего промежутка. Применение этой изоляционной прокладки позволяет снизить пробивное напряжение поджигающего промежутка, а тем самым и амплитуду пускового импульса. Разрядники типа ВИР имеют большую область рабочих напряжений. Например, ВИР-7 надежно работает при изменении рабочего напряжения от 10 кВ до 100 кВ. Время запуска разрядника и его стабильность зависят от конструкции разрядника и крутизны фронта пускового импульса, лучшей оказалась коаксиальная конструкция (рис. 1). При амплитуде пускового импульса 2,2 кВ и крутизне фронта 225 кВ/мкс время запуска около 3×10^-8 с при разбросе менее 1×10^-8.

Рис. 12.1. Одна из конструкций управляемого вакуумного разрядника. А – анод; К – катод; У– управляющий электрод; Д – диэлектрическая прокладка (слюда)

Важное место среди вакуумных разрядников занимают приборы с жидким ртутным катодом – игнитроны. При пропускаемом за импульс заряде порядка 1 кулон они имеют долговечность на два–три порядка большую, чем вакуумные разрядники с холодным твердым катодом. Ртутный катод, являющийся самовосстанавливающимся и не подверженным эрозии, обусловливает как уникальные качества разрядников (рекордно большой срок службы при значениях коммутируемого заряда до нескольких сотен кулон и токах до 500 кА), так и серьезные недостатки – малый диапазон рабочих температур, строгое ограничение в пространственной ориентации разрядника, невозможность работы в передвижных установках и в условиях невесомости, недостаточно высокую надежность прибора и, наконец, токсичность ртути, требующей особых условий при производстве приборов, осторожного обращения с приборами при эксплуатации и специальных предприятий по регенерации.