ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 57-62
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.387.132.223
НЕСТАБИЛЬНОСТЬ СРАБАТЫВАНИЯ ТИРАТРОНОВ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ © 2015 г. Н. А. Юдин
Томский государственный университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 36 E-mail: yudin@tic.tsu.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г. После доработки 23.04.2014 г.
Проведен анализ причин увеличения джиттера тиратрона ТГИ1-1000/25 с 5 нс до ~30 нс в источниках накачки лазеров на парах металлов при изменении частоты следования импульсов возбуждения от 700 Гц до ~10 кГц. Показано, что для обеспечения работы тиратрона с нестабильностью пробоя промежутка "сетка — катод" ~1 нс необходимо подключать генератор водорода и устройство формирования поджигающего импульса на сетке тиратрона к стабилизированным источникам постоянного напряжения. Предложены технические решения, позволяющие управлять временем запаздывания тока анода при джиттере тиратрона ~1 нс.
DOI: 10.7868/S0032816215010243
ВВЕДЕНИЕ
Нестабильность срабатывания импульсных водородных тиратронов относительно импульса запуска (джиттер) является одной из основных причин, затрудняющих практическое использование тиратронов при параллельном включении для повышения коммутируемой энергии в лазерах на самоограниченных переходах атомов металлов (л.п.м.) и в системах суммирования лазерного излучения л.п.м.: "задающий генератор—усилитель" [1, 2]. Джиттер тиратрона ТГИ1-1000/25, который наиболее широко используется в источниках питания л.п.м., составляет согласно паспортным характеристикам ~5 нс при частоте следования импульсов ~700 Гц [3]. Типичное значение джиттера тиратрона ТГИ1-1000/25, работающего в разрядном контуре л.п.м. с частотой следования импульсов возбуждения ~10 кГц, составляет ~30 нс, что сравнимо с длительностью импульсов генерации л.п.м. Причины возникновения такого джиттера доподлинно неизвестны.
В [4] высказано предположение, что он может быть связан в какой-то мере с нестабильностью накала тиратронов, обусловленного, в свою очередь, колебаниями напряжения в электрической сети. Однако джиттер тиратрона вряд ли может быть связан с накалом катода тиратрона, поскольку изменение температуры массивного термоэмиссионного катода существенно превышает время ~0.01 с. Действительно, питание накала катода тиратрона ТГИ1-1000/25 от источника постоянного напряжения 6.3 В в лазере на парах меди с промышленной газоразрядной трубкой ГЛ-
201 [5] не изменило наблюдаемое значение джит-тера тиратрона.
Рассмотрим более подробно процесс развития разряда в тиратроне, чтобы оценить возможные причины возникновения джиттера тиратрона ТГИ1-1000/25 ~30 нс при частоте следования импульсов ~10 кГц. Как известно [3, 6], импульсные тиратроны обладают высокой электрической прочностью. Сетка тиратрона имеет малую проницаемость, так что поле анода практически не действует в прикатодной области. Для возникновения разряда между анодом и катодом необходимо вначале подать между сеткой и катодом положительный импульс напряжения (поджигающий импульс), создающий вспомогательный разряд в этом промежутке, инициирующий разряд в основном промежутке "анод — сетка".
В начале периода коммутации, пока мала концентрация заряженных частиц в пространстве между катодом и сеткой, тиратрон имеет высокое сопротивление. По мере роста концентрации заряженных частиц, в промежутке "анод — сетка" увеличивается ионный ток на сетку, и в некоторый момент суммарный ток сетки 1С = 1е + I\ (где !е и !1 — электронный и ионный токи соответственно) изменяет знак.
Момент, когда ток сетки меняет направление, совпадает с началом отпирания тиратрона (появляется заметный ток анода). Мгновенное значение электронного тока перед изменением его направления является сеточным током отпирания тиратрона в импульсном режиме. Большой ионный ток на сетку протекает в течение очень не-
долгого времени, пока между сеткой и анодом существует значительная разность потенциалов и недостаточна концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке "катод — сетка".
Рост концентрации плазмы в тиратроне снижает напряжение между сеткой и анодом, и основной частью сеточного тока вновь становится электронный ток катода. Бросок ионного тока сопровождается кратковременным подъемом напряжения сетки относительно катода, называемый "сеточным пиком". Сеточный пик увеличивает разрядный ток между катодом и сеткой и ускоряет завершение процесса коммутации. Амплитуда сеточного пика достигает 20—30% от напряжения анода, а длительность его составляет ~10-7 с.
Для поддержания постоянства давления газа в водородных тиратронах имеется специальный генератор — накопитель водорода, представляющий собой элемент, нагреваемый с помощью специального подогревателя. При нагреве выделяется водород и поддерживается необходимое давление при длительной работе прибора. Для компенсации воздействия температуры окружающей среды и стабилизации накала генератора водорода последовательно с генератором водорода включается проволочный резистор с высоким температурным коэффициентом сопротивления, размещаемый вне оболочки прибора. Подогреватель генератора водорода с компенсирующим сопротивлением включается параллельно цепи накала тиратрона либо имеет отдельный вывод, что позволяет осуществлять питание генератора водорода от отдельного источника.
Еще одной важной характеристикой тиратрона, наряду с джиттером, является время запаздывания тока анода (тзап) — интервал времени между моментом, соответствующим началу нарастания фронта напряжения поджигающего импульса в цепи сетки, и моментом возникновения разряда в цепи анода тиратрона. Время запаздывания тока анода для тиратрона ТГИ1-1000/25 составляет ~0.35 ± 0.15 мкс [3] и определяется суммой двух составляющих: тзап = тпр + траз, где тпр — время от начала нарастания фронта напряжения поджигающего импульса до напряжения пробоя промежутка "сетка — катод", траз — время от момента пробоя до момента возникновения разряда в цепи анода тиратрона. Соответственно увеличение джиттера тиратрона с ростом частоты следования импульсов может быть связано как с нестабильностью параметров поджигающего импульса и напряжения пробоя промежутка "сетка — катод", так и нестабильностью развития разряда в цепи анода тиратрона после пробоя.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЖИГАЮЩЕГО
ИМПУЛЬСА НА ДЖИТТЕР ТИРАТРОНА
Из вышеприведенного описания процесса развития разряда в тиратроне можно сделать предположение, что увеличение джиттера тиратрона с ростом частоты следования импульсов обусловлено источниками питания генератора водорода и устройства, формирующего поджигающий импульс. Генератор водорода в л.п.м. включается (как правило) параллельно цепи накала тиратрона и подключается к источнику переменного напряжения ~6.3 В/50 Гц, что может обусловливать модуляцию давления водорода в тиратроне. Напряжение пробоя, согласно закону Пашена, является функцией давления газа. Соответственно модуляция давления водорода в тиратроне должна создавать модуляцию напряжения пробоя промежутка "сетка — катод" тиратрона и обусловливать джиттер тиратрона.
Подключение генератора водорода тиратрона ТГИ1-1000/25 к стабилизированному источнику постоянного напряжения 6.3 В позволило сократить наблюдаемый джиттер тиратрона на 18 нс при частоте следования поджигающих импульсов ~10 кГц. Это непосредственно указывает на то, что давление водорода в тиратроне модулируется частотой электрической сети ~50 Гц.
При питании генератора водорода постоянным напряжением наблюдалось изменение джиттера тиратрона ТГИ1-1000/25 от 5 до 12 нс при изменении частоты следования импульсов от 700 Гц до ~10 кГц, а нестабильность пробоя промежутка "сетка — катод" тиратрона изменялась от ~1 нс до ~7 нс в условиях отсутствия напряжения на аноде тиратрона. Это позволяет сделать вывод, что минимальный джиттер тиратрона ~5 нс связан с нестабильностью развития разряда в цепи анода тиратрона после пробоя промежутка "сетка — катод".
Как показали исследования, пробой промежутка "сетка — катод" тиратрона ТГИ1-1000/25 происходит при достижении амплитуды напряжения поджигающего импульса ~ 500 В при стабилизированном питании генератора водорода. Наблюдаемое увеличение джиттера тиратрона с ростом частоты следования поджигающих импульсов обусловлено нестабильностью амплитуды напряжения поджигающего импульса и определяется величиной пульсаций на выходе выпрямителя, обеспечивающего питание устройства формирования поджигающего импульса.
Измерения показали, что 10%-ные пульсации напряжения на выходе выпрямителя приводят к изменению фронта нарастания напряжения поджигающего импульса (см. рис. 1) и, соответственно, времени достижения напряжения пробоя, что приводит к нестабильности пробоя промежутка "сетка — катод" ~20 нс. Чтобы уменьшить неста-
и, В 600
450
300
150
t, мкс
Рис. 1. Напряжение зажигания разряда в промежутке "сетка — катод" и джиттер тиратрона ТГИ1-1000/25 в зависимости от 10%-ных пульсаций напряжения источника питания в устройстве формирования положительного импульса напряжения на сетке тиратрона. Измерения проводились в условиях отсутствия напряжения на аноде тиратрона.
бильность пробоя промежутка "сетка — катод", необходимо уменьшить пульсации на выходе выпрямителя за счет увеличения емкости фильтра. Для обеспечения работы тиратрона с нестабильностью пробоя ~1 нс промежутка "сетка — катод" необходимо подключать генератор водорода и устройство формирования поджигающего импульса к стабилизированным источникам постоянного напряжения с пульсацией напряжения на выходе источника < 1%. В этом случае джиттер тиратрона определяется только нестабильностью развития разряда в цепи анода тиратрона после пробоя промежутка "сетка — катод".
Для тиратронов также характерно [3, 6], что чем выше крутизна тока сетки (Ис/&, тем при большем мгновенном значении сеточного тока происходит отпирание тиратрона. Эту закономерность можно объяснить следующим образом. Отпирание тиратрона происходит при определенном значении анодного тока, вытягиваемого из плазмы вспомогательного сеточного разряда. Этому току при данном анодном напряжени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.