閘流管的工作原理及其應用

 

（一）引言

作為線形調製器的開關元件應當具有點火時間穩定、消電離速度快、管壓底等特性，具有這一特性的器件當前只有兩種：氫閘流管和可控矽管。由於氫閘流管與可控矽相比其功率容量大、正向阻斷電壓高、電流電壓上升速率允許值高等特性，所以一般來說用氫閘流管作為線形脈衝調製器的開關元件。

 

（二）氫閘流管的結構簡述

普通的氫閘流管是充氣三極體：陽極、柵極和陰極。陽極是一平面的圓盤，上面用由細鎢絲或鎳絲製成的細網隔離；陽極下面2~3釐米處為控制柵極，它類似一襯片，上面的圓洞由網格較大的細柵網覆蓋；陰極為旁熱式氧化物，它是一中空圓筒，內工作面敷有氧化物，外邊裝有雙螺旋燈絲。另外閘流管還裝有氫氣發生器，它是一填有鈦氫化合物粉末的小管，外面繞以熱絲，在加熱時釋放氫氣。通常加熱氫發生器用的熱絲與加熱熱氧化物陰極的燈絲連在一起，因此管內氣壓和燈絲電壓有關，並要求有3~5分鐘的預熱時間；當然也有的氫發生器是獨立供電的。

 

（三）氫閘流管的工作原理

l  脈衝閘流管的起動特性

脈衝閘流管的起動特性曲線圖一所示：

當把一定寬度的電壓脈衝加到柵極上，用以控制閘流管的點火時，柵極起動電流將隨脈衝寬度有變化，脈衝寬度越小，柵極起動電流值就越大。

脈衝閘流管的工作條件，在很大程度上取決於線性調製器線路的選擇，而這些條件在很大程度上取決於陽極反電壓的大小和波形（太高的陽極反向電壓，可能發生閘流管的逆點火，而在離子轟擊下管子的電極主要是陽極還會發生強烈的濺射，其濺射微粒填塞柵極和柵孔，破壞閘流管的正常工作），為此，我們常常在直流線性調製器中使用它。

由於形成電路的電容量，充電扼流圈的電感量以及重複頻率的不同，形成電路的充電可能有三種狀態：

其中：f —脈衝重複頻率

Lc —充電扼流圈電感量

CN —形成電路的集總電容量

當用電阻代替充電扼流圈時，充電過程就按指數定律進行。

在許多情況下，諧振充電狀態是最好的，它能保證管內氣體有較長的消電離時間；而振蕩充電狀態下的閘流管，陽極電壓得不到充分利用，降低了閘流管的脈衝輸出功率。在理想情況下，考慮到充電周期開始和結束時流經扼流圈的電流相等，所以扼流圈的能量此時沒有變化，因而電流給出的全部能量轉變為電場能，積儲在電容器中，故：

       至於陽極電流脈衝寬度由所形成的電路的參數而定。

在實用中，電路中稍有負失配而在閘流管上產生不大的反電壓，有利於提高閘流管的工作穩定度。

正起動特性脈衝閘流管的放電發展過程，可以分三個階段：

1) 閘流管柵極放電點火，出現柵極電流。

2) 柵極增至一定值，此時放電由柵極到達陽極，並出現陽極電流。

3) 此階段形成陰極—陽極間的電弧放電，同時陽極電壓迅速下降，陽極電流迅速增強（擊穿階段）。

在擊穿階段，電流脈衝前沿的最大斜率、陽極功率損耗、氣體的硬度以及陰極壽命都與擊穿時間有關。很顯然，在低陽極電壓時，擊穿時間隨陽極電壓增加而迅速減小，而後隨著陽極電壓繼續增大，由於電離率開始減低，擊穿時間的減小速度就大大降低，當陽極電壓超過一定值時，其不再減小。但隨著陰極溫度降低，擊穿時間將大大延長，並且電壓、電流也會出現波動。

結論：

①  擊穿時間隨氣壓密度的減小而延長。

②  擊穿時間大大延長會使電流脈衝前沿斜率降低。

③  擊穿時間隨陰極溫度降低而延長。

④  擊穿時間隨陽極電壓的增加而縮短（線性）。

⑤  擊穿時間隨陽極電流的增加而延長（線性）。

由於擊穿時間隨電流增加而延長的速度要比隨電壓增高而縮短的速度快一些，所以

⑥  穿時間隨脈衝功率的增大而稍有增長（假定電流電壓同時增長）。

⑦  擊穿時間隨氫壓的增長而大大降低。

⑧  在陰極熱度不夠或增加陽極電流時擊穿時間延長是因為陰極發射不夠所致。

 

l  點火穩定度

脈衝閘流管在擊穿階段的放電發展，是陽極電流迅速增加以及管上電壓迅速減低的過程。經過擊穿階段後，就進入較為穩定的放電階段（導電期）。

①       為了獲得滿意的點火穩定度，必須控制電壓脈衝前沿斜率和振幅高於某一定值。

②       投入使用De-Q電路，穩定電源電壓。

③       降低控制脈衝發生器的阻抗。

導電期陽極電壓發生變化的特徵是：在電流脈衝流動的最初0.2~0.6微秒時，陽極電壓稍有下降，而後實際上就不再變化。電壓降的大小，決定於陰極的質量，同時也決定於充入管內氣體的性質、氣壓及管子的結構。

對氧化物陰極在真空管內的脈衝放射進行多次研究證明了陽極電流與陽極電壓的關係切合3/2次方定律。在這種狀況下，這個陰極就工作於陽極電流未超過陰極發射能力的狀態。這樣

①  陰極電壓降是閘流管放電空間脈衝電壓降的主要分量。

②    脈衝電壓降的另一個分量是陽極電壓降。

如果陽極電壓降為正值，根據3/2次方定律並修正電子初速的影響，就可以計算出這個電壓降，但只有陽極電壓降尚未超過電離所需值時，上述定律才適用；如果陽極電壓降的逐漸增高，超過電離值後，陽極電壓降的增長就減緩並將實際上完全停止，這是因為電離形成的正離子對陽極殼層內的負空間電荷的補償開始顯示作用的緣故。

於是我們可以得出如下結論：

當陰極有二重層時，脈衝閘流管的陽極電壓降與陽極電流無關；當氫氣壓力正常時，最大電壓降不超過12~20V。

③  脈衝電壓降的第三個分量就是等離子區內沿電荷軸的電壓降。

    結論：當陰極有二重層時，陽極殼和陰極殼內的脈衝電壓降（以及閘流管放電空間的全部電壓降）實際上與陽極電流無關。可以近似一常數，如下圖二所示：

於是可知：在真空管中，陰極跳火可分為兩種，一是當陰極表面負空間電荷區吸取較大密度電流時出現，另一種是當電流密度小，但陰極表面有正電場時出現。

第一種跳火發生在陽極電流的3/2次方定律直線上。特點是：電流密度大，常見於良好激活氧化物陰極的管子中。

第二種跳火出現於陰極表面有正電場時，發生這種跳火的電流密度通常不超過50A/公分2，並因氧化物敷層的性質而定。

倘敷層為過碳酸鹽氧化物，電場強度達40~60KV/公分時即發生跳火。

倘敷層為碳酸鋇氧化物，電場強度為100~125KV/公分即發生跳火。

如果氧化物敷得不夠堅固，則在強力電場作用下就會有碎片由陰極基礎上剝落。碎片剝落時也會看到跳火現象，使陰極迅速損壞。顯然這種情形在離子管中不會發生。

 

l  消電離

低氣壓消電離過程是按指數進行的，離子和電子的複合發生在管子各壁上，兩極性擴散係數僅與電子溫度有關，因為離子溫度在消電離過程中很短時間內接近一常數。在消電離過程中，電子速度保持麥克斯韋分配。由於電子溫度隨時間降低，故兩極性擴散在消電離過程中逐漸減小；又由於消電離過程按指數律隨時間進行，因此氣體越輕，消電離越快。

閘流管柵極失去控制作用是由於正空間電荷層遮住柵極負電荷所致。在其作用未恢復之前，如果將正電壓加到陽極，則由於柵極空間此時尚有來自陰柵空間的一些電子而發生電離，於是閘流管發生重複點火。

顯然，閘流管陽極正電壓上升速度越快，柵極失去控制的過程越快，因為單位時間內氣體電離量增加；另一方面，決定阻塞電位的柵極負電位越大以及消電離時間常數越小，上述過程就進行的越慢。

 

（四）注意事項總結

總之，在閘流管的應用中，我們要注意到以下幾點：

1、要有一定的預熱時間

閘流管在使用前要有3~5分鐘的預熱時間，陽極電壓才能加上，否則由於陰極溫度低，造成電子發射不足，從而閘流管陽極與陰極間壓降大，使陰極遭受正離子猛烈撞擊而損壞，同時造成管內打火，影響管子使用壽命。

2、閘流管燈絲電壓要求穩定

閘流管燈絲電壓決定陰極溫度，溫度過高氧化物敷層會發生還原作用；過低則導致陰極發射功率不足。當然閘流管在長期使用後其性能有所下降，這時要適當調整燈絲電壓。

3、氫壓要保證

管子氫發生器電壓的大小決定了管內氫氣壓強的大小，電壓高則管子內的氫氣壓強高。但氫壓過高的情況下，管子內的可電離氣體密度太大，導致離子濃度過大，引起過流現象頻繁。氫氣壓強過低，則有可能發生漏脈衝現象。正確調整氫發生器電壓的方法可參見同方公司培訓資料。但實際調整應用中，如果既不發生漏脈衝現象又不發生過流現象，同時電流波形頂部也沒有波動，這時的氫壓的調整就基本上認為可以了。

4、保證閘流管柵極電壓的脈寬、幅度等參數符合要求。

5、對於一個新的氫閘流管，使用時要有一個老練過程。

管子開始使用時不宜一口氣就加到額定值，而只能慢慢將電壓加上去並隨時監察管子工作狀態（工作時的聲音、電流波形和管內弧光放電現象等）。

6、燈絲電壓的調整

閘流管的燈絲電壓一般為6.3V。對於加熱氫發生器用的熱絲與加熱熱氧化物陰極的燈絲連在一起的管子而言，因管內氣壓和燈絲電壓有關，所以在管子性能有所下降並導致頻繁出現高壓過流現象的情況下，可以臨時適當降低燈絲電壓如到6V左右來使用，一般不要低於5.9V。這是因為管子的消電離時間延長導致了管子連續導通，適當降低氫壓可以降低管內離子濃度，有助於消電離時間的縮短。

7、閘流管需保持良好的通風散熱狀態

8、隨時監測閘流管工作時所產生的聲音和弧光

對玻璃管而言，閘流管正常工作時，其電弧光和聲音是均衡的，不會發生時大時小的情況。對陶瓷的管子而言，就只能聽聲音來判斷工作狀態。

9、閘流管的保養

閘流管在工作一段時間後，由於靜電吸附作用，將有一些灰塵粘在管外壁上，對陶瓷管而言，這將增加打火的危險，因此需定時對管子外壁擦拭。對玻璃管而言，可以用紗布粘高純度的酒精液擦拭；對陶瓷管而言，須用幹的絲綢布來擦拭，最好不要用酒精，萬萬不可粘水，切記切記！

10、加速器最好工作在略有負失配的情況下，這將有利於閘流管的消電離。