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氫閘流管氫閘流管的特點及應用

    氫閘流管(Hydrogen Thyratron)是一種熱陰極低氣壓氣體(氫氣或氘氣)放電器件,具有工作電壓高、脈衝電流大、點火迅速穩定、觸發電壓低、重複頻率高、高可靠、效率高、重量輕、體小、使用方便等優點。廣泛用於科研、醫療領域及民用高科技產品,其中包括激光器、雷達、脈衝調製器、醫用直線加速器、撬棒保護及其它電子儀器和設備。

                            氫閘流管的結構特點:

 氫閘流管結構圖   氫閘流管主要有陰極、柵極、陽極和氫發生器(儲氫器)、陶瓷外殼五部分組成.

    氫閘流管的基本結構如圖所示。 為了改善點火特性,減小點火延遲時間,有時還加一個預點火極,提供給柵極一個預電離源。當工作電壓超過一定值後,則需疊加陽極,做成雙間隙或多間隙氫閘流管,提高氫閘流管的工作電壓。陰極的結構、形狀和製造工藝都要使陰極表麵溫度分布均勻。翼片式結構是為了增加發射麵積,陰極熱屏是為了減小加熱功率,使溫度分布均勻,同時防止陰極濺散到柵極上。陽極和柵極的設計應利於耐壓和散熱。氫發生器是氫閘流管特有的部件。它是一個金屬管殼,裏麵有加熱絲並充滿了鈦氫化合物粉末,管壁有孔隙。當熱絲通電加熱時,鈦氫化合物分解而放出氫氣,氫氣由孔隙擴散到氫閘流管內部的空間,並保證pd值位於帕邢曲線最低點的左邊。當溫度冷卻後,氫氣通過孔隙又被吸進去並形成鈦氫化合物,使管中維持高真空狀態。

氫閘流管的工作原理:

    氫閘流管的工作過程是一種低氣壓氣體由隔離高電壓狀態轉變為高導電狀態,把脈衝時間間隔內儲存的能量在脈衝瞬間轉換成強功率脈衝輸出的過程。整個過程分三個階段進行,如氫閘流管的擊穿放電過程圖所示。在柵極未加觸發脈衝時,陽極與陰極之間的間隙隔離高電壓,處於絕緣狀態。陰極熱絲和氫發生器熱絲通電預熱後,陰極發射的電子積蓄在陰柵之間。

                                                      第一階段----柵極點火階段。

氫閘流管工作原理圖    當柵極加觸發脈衝時,隨著柵壓升高,柵流逐漸增大。當柵壓升高到氣體的電離電位時,柵陰空間開始產生電離,柵流繼續增大。當柵流增大到柵極點火電流時,柵極開始點火,柵流明顯突增,柵壓迅速下降,柵陰空間開始放電,並形成等離子體。

第二階段---放電由柵極向陽極發展階段。

    隨著柵流的繼續增大,柵陰空間的等離子體濃度迅速增大並開始擴散。擴散到柵孔附近的電子在陽極電場的作用下穿過柵孔向陽極運動,引起柵陽空間的氣體電離,這時陽極回路中出現小電流。當柵流達到啟動電流時,陽極電流開始上升。當陽極電流上升到點火電流時,放電就由柵極發展到陽極。

第三階段---整管擊穿階段(陽極到陰的放電階段)。

    柵陽空間放電後,陽極電流急劇增大,陽極電壓迅速下降,管子進入擊穿放電階段。這時管壓降可以低到幾十到幾百伏,主要由陽極電流、陰極質量、氣體壓力和管子結構等決定。隻要維持陽極電壓高於管壓降,管內就繼續維持放電。因為等離子體中大量的正離子屏蔽了柵極的負電場,柵極電壓的大小對陰極電流就沒有影響了,所以柵極就失去控製作用,柵極也就不具備關斷電流的能力。因為管子導通時管壓降很低,所以管子的效率很高。當陽極電壓低到不足以維持放電時,放電就停止了,管內出現消電離過程。這時陽極電流減小到零,陽極電壓又上升到起始值,陰陽極間又恢複到高電壓絕緣狀態。經過消電離後,柵極才能恢複控製作用,然後重複上述過程。

氫閘流管主要特性:

  • 陰極預熱時間:在其它電極電壓加上之前,應將陰極和氫發生器熱絲電壓加上最短的時間。
  • 閘流管加熱時間:閘流管所有重要零件的溫度加熱到能滿足該管正常工作所需要的時間。
  • 峰值正向陽極電壓:陽極對陰極的最大瞬時正電壓。
  • 峰值反向陽極電壓:陽極對陰極的最大瞬時負電壓。
  • 峰值陽極電流:陽極脈衝電流的最大瞬時值,脈衝波尖除外。
  • 平均陽極電流:陽極脈衝電流的平均值。
  • 陽極脈衝電流寬度:陽極脈衝電流上升和下降的瞬時值等於脈衝幅度的70%時所對應的兩瞬間之間的時間間隔。
  • 最大脈衝功率:在規定的線路參數和條件下,陽極所承受最大功率,其值為峰值正向陽極壓與脈衝電流乘積的一半。
  • 平均輸出功率:線路負載上的最大允許功率,為最大陽極電壓與最大平均電流乘積的一半。
  • 陽極功率損耗係數:脈衝電流、陽極電壓和脈衝重複頻率三者的乘積,它表示管子允許的最大熱損耗。
  • 柵極點火和啟動特性:在觸發脈衝幅度足夠時,柵陰點火時間隨觸發脈衝斜率的增大而縮短,並趨於一穩定值,所以觸發脈衝斜率越大、幅值越大,點火時間就越短。在陽極電壓一定時,放電從柵極發展到陽極所需要的柵極電流必須大於啟動電流,啟動電流為陽極到陰極之間放電時所需要的柵極觸發脈衝電流瞬時值。


                                                                        氫閘流管典型應用:

氫閘流管典型應用

    氫閘流管在雷達係統、加速器等電路中都是用作脈衝調製,其典型線路如下圖所示。在此圖中,氫閘流管實際上是一個高壓脈衝開關。開始仿真線上充上兩倍的電源電壓,當柵極加上觸發脈衝時,使柵陰間隙點火放電,形成等離子體。在陽極電場的作用下,放電很快過渡到陽極空間,接著管子導通,柵極失去控製作用。仿真線通過氫閘流管和脈衝變壓器放電,負載脈衝變壓器初級上就有一個近似矩形脈衝輸出。在陽極電壓降到低於管壓降時管子關斷,仿真線又重新開始充電。在消電離之後,柵極又恢複控製作用。待到下一個觸發脈衝到來時,柵極又控製管子導通。

接地柵閘流管:

    將柵極接地的氫閘流管叫接地柵閘流管。接地柵閘流管能在低阻抗的線路中應用,得到所需要的短脈寬、高峰值的電流。接地柵閘流管的結構基本上與氫閘流管相同,包括陰極、陽極、柵極等幾部分組成。在接地柵閘流管中,柵極作為陰極使用,所以柵極和陽極一樣采用難熔金屬材料製成,柵極上放置供安裝整管用的法蘭盤。使用時柵極接地,陰極加負觸發脈衝,柵陰極間形成的低濃度等離子體在陽極電場作用下穿過柵孔而引起整管擊穿。線路的設計使得陽柵線路輸出脈衝,以達到應用的目的。

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