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氢闸流管

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  氢闸流管(Hydrogen Thyratron)是一种热阴极低气压气体(氢气或氘气)放电器件。具有工作电压高、脉冲电流大、点火迅速稳定、触发电压低、重复频率高、高可靠、效率高、重量轻、体小、使用方便等优点。广泛用于科研、军事、医疗领域及民用高科技产品,其中包括激光器、雷达、脉冲调制器、医用直线加速器、撬棒保护及其它电子仪器和设备。

  氢闸流管的基本结构如图所示。 为了改善点火特性,减小点火延迟时间,有时还加一个预点火极,提供给栅极一个预电离源。当工作电压超过一定值后,则需叠加阳极,做成双间隙或多间隙氢闸流管,提高氢闸流管的工作电压。阴极的结构、形状和制造工艺都要使阴极表面温度分布均匀。翼片式结构是为了增加发射面积,阴极热屏是为了减小加热功率,使温度分布均匀,同时防止阴极溅散到栅极上。阳极和栅极的设计应利于耐压和散热。氢发生器是氢闸流管特有的部件。它是一个金属管壳,里面有加热丝并充满了钛氢化合物粉末,管壁有孔隙。当热丝通电加热时,钛氢化合物分解而放出氢气,氢气由孔隙扩散到氢闸流管内部的空间,并保证pd值位于帕邢曲线最低点的左边。当温度冷却后,氢气通过孔隙又被吸进去并形成钛氢化合物,使管中维持高真空状态。

  氢闸流管的工作过程是一种低气压气体由隔离高电压状态转变为高导电状态,把脉冲时间间隔内储存的能量在脉冲瞬间转换成强功率脉冲输出的过程。整个过程分三个阶段进行,如氢闸流管的击穿放电过程图所示。在栅极未加触发脉冲时,阳极与阴极之间的间隙隔离高电压,处于绝缘状态。阴极热丝和氢发生器热丝通电预热后,阴极发射的电子积蓄在阴—栅之间。

  当栅极加触发脉冲时,随着栅压升高,栅流逐渐增大。当栅压升高到气体的电离电位时,栅阴空间开始产生电离,栅流继续增大。当栅流增大到栅极点火电流时,栅极开始点火,栅流明显突增,栅压迅速下降,栅阴空间开始放电,并形成等离子体。

  随着栅流的继续增大,栅阴空间的等离子体浓度迅速增大并开始扩散。扩散到栅孔附近的电子在阳极电场的作用下穿过栅孔向阳极运动,引起栅阳空间的气体电离,这时阳极回路中出现小电流。当栅流达到启动电流时,阳极电流开始上升。当阳极电流上升到点火电流时,放电就由栅极发展到阳极。

  栅阳空间放电后,阳极电流急剧增大,阳极电压迅速下降,管子进入击穿放电阶段。这时管压降可以低到几十到几百伏,主要由阳极电流、阴极质量、气体压力和管子结构等决定。只要维持阳极电压高于管压降,管内就继续维持放电。因为等离子体中大量的正离子屏蔽了栅极的负电场,栅极电压的大小对阴极电流就没有影响了,所以栅极就失去控制作用,栅极也就不具备关断电流的能力。因为管子导通时管压降很低,所以管子的效率很高。当阳极电压低到不足以维持放电时,放电就停止了,管内出现消电离过程。这时阳极电流减小到零,阳极电压又上升到起始值,阴阳极间又恢复到高电压绝缘状态。经过消电离后,栅极才能恢复控制作用,然后重复上述过程。

  阳极脉冲电流宽度:阳极脉冲电流上升和下降的瞬时值等于脉冲幅度的70%时所对应的两瞬间之间的时间间隔。

  最大脉冲功率:在规定的线路参数和条件下,阳极所承受最大功率,其值为峰值正向阳极压与脉冲电流乘积的一半。

  阳极功率损耗系数:脉冲电流、阳极电压和脉冲重复频率三者的乘积,它表示管子允许的最大热损耗。

  栅极点火和启动特性:在触发脉冲幅度足够时,栅阴点火时间随触发脉冲斜率的增大而缩短,并趋于一稳定值,所以触发脉冲斜率越大、幅值越大,点火时间就越短。在阳极电压一定时,放电从栅极发展到阳极所需要的栅极电流必须大于启动电流,启动电流为阳极到阴极之间放电时所需要的栅极触发脉冲电流瞬时值。

  氢闸流管在雷达系统、加速器等电路中都是用作脉冲调制,其典型线路如下图所示。在此图中,氢闸流管实际上是一个高压脉冲开关。开始仿真线上充上两倍的电源电压,当栅极加上触发脉冲时,使栅阴间隙点火放电,形成等离子体。在阳极电场的作用下,放电很快过渡到阳极空间,接着管子导通,栅极失去控制作用。仿真线通过氢闸流管和脉冲变压器放电,负载脉冲变压器初级上就有一个近似矩形脉冲输出。在阳极电压降到低于管压降时管子关断,仿真线又重新开始充电。在消电离之后,栅极又恢复控制作用。待到下一个触发脉冲到来时,栅极又控制管子导通。

  将栅极接地的氢闸流管叫接地栅闸流管。接地栅闸流管能在低阻抗的线路中应用,得到所需要的短脉宽、高峰值的电流。接地栅闸流管的结构基本上与氢闸流管相同,包括阴极、阳极、栅极等几部分组成。在接地栅闸流管中,栅极作为阴极使用,所以栅极和阳极一样采用难熔金属材料制成,栅极上放置供安装整管用的法兰盘。使用时栅极接地,阴极加负触发脉冲,栅阴极间形成的低浓度等离子体在阳极电场作用下穿过栅孔而引起整管击穿。线路的设计使得阳栅线路输出脉冲,以达到应用的目的。

  梁曦东,邱爱慈,孙才新等主编,中国电气工程大典 第1卷 现代电气工程基础,中国电力出版社,2009.01,第695页

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