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1、第6章 气体放电器件,6.1引言 在一般情况下，气体是一种良好的绝缘体。但在一定条件下，它可以变成良导体，这种气体导电现象，成为气体放电。气体放电的过程非常复杂，不同的外部条件、不同种类及不同气压的气体呈现出不同的放电特性。人们正是利用了这些不同的放电特性所表现出的宏观现象，制造了种类繁多的气体放电器件。如稳压管、各种类型光源和显示器件等。和半导体器件相比，气体放电器件具有工作电压高、使用寿命短、体积大、消耗功率大等致命缺点；但具有工作耐压高、承受电流大等优点。,补充：气体放电的电流电压特性,放电区间分成几个区.1)无光放电区AB在低压的气体中。由于宇宙射线产生了一部分游离正离子和电子，气体中
2、始终存在一部分正离子和电子。当在两电极加上直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动形成电流。此时，电子、离子与中性气体分子之间的碰撞是弹性碰撞。这些少量的正离子、电子量是恒定的，即使升高电压，电流密度仍很小，一般仅为1015-1016A/cm2左右，此区只导电不发光，所以称为“无光放电区”。,2)汤森放电区BC在两极电压逐渐升高，电子的运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而是使气体电离，电离产生正离子与电子，所产生的电子和原有电子继续使气体分子被电离，电离使离子、电子数增大，电流平稳地增加，但电压却保持不变。上述两种情况，都是以自然电离源为前提，如果没有游
3、离的电子和正离子。则放电不会发生，因此，这种放电方式又称为非自发放电。,3)过渡区CD当电容器两端电压进一步增加时，当至C点发生“雪崩点火”。离子轰击阴极,释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的更多的二次电子。一旦产生了足够的离子和电子，突然出现带颜色的辉光，气体起辉，放电达到自持。两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。此时C点对应的电压叫击穿电压，起辉电压，也称气体击穿，击穿后气体的发光称为辉光放电。CD区为过渡区。,4)辉光放电DE在进入辉光放电区，增大电源功率，放电管两管电压保持不变，而电流平稳增加。在正常辉光放电时，放电自
4、动调整阴极轰击面积。最初，轰击是不均匀的，轰击集中在靠近阴极边缘处，或在其它不规则处。随着电源功率的增大，轰击区逐渐扩大，直至阴极面上电流密度几乎均匀为止。辉光放电时，电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰击阴极，即使自然游离源不存在，导电也将继续下去。而且维持辉光放电的电压很低，且不变，此时电流的增大显然与电压无关，而只与阴极板上产生的辉光面积有关。由于正常辉光放电时电流密度仍很小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电工作区。,5)非正常辉光放电区在轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放电的电压和电流密度将同时增加，进入非正常辉光放电状态。其特点是：电流增大时，两放电极板电压
5、升高，且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距距离缩短，此时若要想提高电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。,6)弧光放电区异常弧光放电时，在某些因素影响下，常有转变为弧光放电的危险。此时，极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。且放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁。同时，骤然增大的电流有损坏电源的危险。弧光放电在气相沉积中的应用，仍在进一步研究之中。,6.2 用于脉冲调制的闸流管 脉冲闸流管在阴极、阳
6、极之间有1个或多个栅极，是具有控制特性的热阴极低气压气体放电器件。简单地说，闸流管是一种高峰值功率开关。这种开关的戒指是某种气体，它在“关”的状态时候处于绝缘状态，能耐住很高的电压；在“开”的过程中将绝缘的中性气体转变成导电的等离子体，并通过很大的峰值电流脉冲，把储能元件上储存的能量在瞬间转换成强大的功率脉冲输出，然后又迅速恢复成“关”状态。闸流管具有导通速度快、阳极脉冲电流前沿抖动小、承受功率大和过载能力强等优点，因此应用范围十分广泛。,6.2.1 脉冲闸流管的基本结构和工作原理6.2.2.1 基本结构 闸流管的基本结果如图所示。闸流管主要由阳极、控制栅极、阴极和氢存储器等几不封组成。阳极是
7、一个平面的圆盘，为提高闸流管的耐压和有利于散热，阳极整体制成杯状。栅极和阳极平行，在阳极和阴极之间，它起到屏蔽和减弱阳极电场作用。在栅极上有 多个圆孔或不同形状的狭缝，起到导通 电流、控制阳-阴极着火作用。为了提高 闸流管的工作电压、可在控制栅极与阳极 之间加1个或多个分压栅极。为了改善闸 流管的着火特性，可以在控制栅极与阴极 阴极之间加一个顶点火极。阴极为闸流管,着火提供热电子源，因此要有阴极热子给阴极加热到一定温度。为了提高阴极的电子发射面积，大功率闸流管都把它做成带有翼片的结构。在阴极的外部通常有一个金属屏，它的作用是减少热损耗，使阴极温度均匀，同时防止阴极溅射和蒸发物污染管内。氢存储器
8、的作用是为闸流管内的离子放电提供一定量的氢气。6.2.1.2 工作原理 闸流管的工作过程是气体由放电前的隔离高电压状态转变为放电后的高导电状态过程，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。整个过程分四个阶段（电压绝缘阶段、转换阶段、导通阶段和恢复阶段）进行。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，阴极达到热发射的工作温度，阴极发射的电子积蓄在阴栅之间。,.电压绝缘阶段 在闸流管开始工作时，首先要对阴极和氢存储器预热经过一段时间预热后，阴极发射的热电子积蓄在栅阴之间，管内也充满了一定压力的氢气。这是如果栅极上没有触发
9、脉冲到来，则阳极与阴极之间处于绝缘状态。.转换阶段 转换阶段是闸流管的放电发展过程，这个过程又可细分为以下三个阶段：,第一阶段-栅极点火阶段。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。第二阶段-放电由栅极向阳极发展阶段。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，放电就由栅极发展到阳极。,第三阶段-整管击穿阶段（阳极到阴的
10、放电阶段）。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、阴极性能、气体压力和管子结构等因素决定。.导通阶段 当转换阶段完成后，闸流管内充满等离子，进入导通阶段。这时电荷在阴极与阳极之间流动，当正常状态峰值电流为1000A时，管压降在100V左右。这个等离子体区允许电子流动，通过闸流管的电流大小完全由外电路参数决定。.恢复阶段 闸流管导通是在栅极上加一个正脉冲，但是要关断只能去除阳极电压。当阳极电压低到不足以维持放电的电流时，脉冲电流结束，闸流管进入恢复阶段。,6.2.2 脉冲闸流管的主要参数及特性.主要参数（1）预热
11、时间：闸流管能稳定工作所需要的最短加热时间。（2）峰值正向阳极电压：阳极对阴极的最大瞬时正电压。（3）峰值反向阳极电压：阳极对阴极的最大瞬时负电压。（4）峰值阳极电流：阳极脉冲电流的最大瞬时值。（5）平均阳极电流：阳极脉冲电流的平均值。（6）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。（7）最大脉冲功率：闸流管输出的最大功率，其值为峰值正向阳极压与脉冲电流乘积的一半。（8）平均输出功率：闸流管输出的最大平均功率，为最大阳极电压与最大平均电流乘积的一半。,（9）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
12、大热损耗。（10）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。.特性.栅极启动特性。脉冲闸流管具有正启动特性，栅极电压上升到一定值，栅极电压迅速增大。要使闸流管导通，加在栅极上的正电压必须大于临街导通栅极电压，还应保证栅极触发脉冲电流超过栅极启动电流。,.绝缘强度恢复特性。在阳极脉冲电流结束后的一定时间内，如果在阳极上加上正电压，闸流管将产生重新着火。在不同时刻引起闸流管重新着火的阳极电压是不同的，绝缘强度恢复特性可以用重
13、新着火阳极电压曲线来描述。.脉冲重复频率特性。闸流管的极限脉冲重复频率主要取决于绝缘强度恢复特性，阳极电压上升速率与阳极电压值共同影响闸流管的频率特性。通常情况下，阳极电压上升速率最大值是一个常数，它等于阳极电压与脉冲重复频率的乘积。6.2.3 氢闸流管.氢闸流管的特点 现在产量最大、应用范围最广的脉冲闸流管是氢闸流管。氢闸流管管内充有氢气或氘气，充氘气可以改善器耐压性能。,氢闸流管具有工作电压高、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、体积小、使用方便等优点。广泛用于科研、军事、医疗和工业领域，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
14、电子仪器和设备。.氢闸流管的典型应用,上图所示为用氢闸流管作为调制开关的脉冲调制器的典型电路。它的工作原理是，前一阳极脉冲电流结束后，脉冲形成网络PFN上的电压及闸流管G的阳极电压U为零，这时直流电源E通过电感L、二极管D和负载电阻RL（或者是脉冲变压器）向PFN谐振充电，当U将升至近似2倍E时充电结束，充电电压U。的波形如图6.5所示。当栅极触发脉冲电压加到栅极时，G迅速导通，PFN通过闸流管向RL放电，在RL上形成近似矩形的脉冲电流，同时栅极失去控制作用；当阳极电压降得很低，不足以维持放电电流时G截止，脉冲电流结束。闸流管G在放电结束后，要经过一段消电离时间，栅极才能恢复原来的控制功能，这
15、时直流电源E重新给脉冲形成网络PFN充电，如此循环往复。图6.6为典型的闸流管阳极电压、阳极脉冲电流和栅极触发脉冲电压波形图,6.3.1 冷阴极触发管的基本结构和工作原理6.3.2 冷阴极触发管的主要特性6.3.3 冷阴极触发管的种类和应用6.3.4 冷阴极触发管的选择和使用,6.3.1 冷阴极触发管的基本结构和工作原理1)基本结构典型的冷阴极触发管是一种陶瓷金属（或玻璃金属）封装的三电极充气开关器件，主要设计用于在短时间内控制通导一定的电流能量。,2）工作原理冷阴极触发管是利用气体放电原理而制成的一种冷阴极高压开关器件，管内充有较高压力的单一或混合气体。主间隙两端，即相对电极和相邻电极之间，
16、只有在施加的电压高于某一电压值的情况下才能够导通击穿，这个电压称为管子的自击穿电压（静态击穿电压或直流击穿电压）。按照气体放电汤森德理论中的Paschen定律，一般情况下，均匀电场中气体的击穿电压 为该公式表明，击穿电压 是气体压力 和极间距离d的乘积pd的函数。,该式只适用于一定的pd值范围。在pd很大的情况下，击穿电压 需要用另外的理论来阐述，这就是气体放电的流光理论，其对气体击穿的判据为该公式表明，击穿电压 不仅是pd的函数，也是d的函数。,正常情况下，当主间隙两端的施加的电压低于管子的自击穿电压时，管子不会导通击穿。此时若在触发极上施加一个具有一定幅值和宽度的触发脉冲，触发极和相邻电极
17、之间的触发间隙击穿导通，产生放电，形成的触发等离子体在主间隙电场作用下向主间隙中运动，并在主间隙中产生繁流、流光过程。,当流光以极快的速度传播到对面的电极后，主电极之间就以明亮、多支、断续的火花通道连接起来，形成主间隙击穿，即管子的导通，主间隙近似短路，存储在主间隙两端的能量通过此通道被泄放掉。当能量被泄放干净，主间隙之间的电压降低到一定值，放电不能再持续下去，管子就会在一个很短的时间内恢复到正常的绝缘状态，这就是一次完整的触发管工作循环。,6.3.2 主要特性1)电参数特性冷阴极触发管在非工作状态下，其绝缘电阻一般在 以上，管子击穿导通后内阻降低为零点几欧，近似于短路，因而管子的导通压降很低
18、，一般只有100V150V，最低可到50V左右，管子的自身分布电感一般为10nH40nH。冷阴极触发管的电参数决定于管子的工作特性曲线，一般工作特性曲线图6.8所示。图中工作特性曲线也称为触发管的变换特性曲线。,与触发管的工作特性曲线相对应的是管子的电压电流波形曲线，它决定了触发管的电压电流特性。图6.9示出了触发管的典型电压电流波形曲线。,对于给定类型的触发管，其电参数与工作状态取决于它的工作特性和电压电流特性。其主要电参数指标如下：（1）自击穿电压（2）最低工作电压（3）最高工作电压（4）最小触发电压（5）工作电压范围（6）工作电流（7）延迟时间（8）抖动时间,2）工作模式冷阴极触发管有3
19、个电极，分别为相邻电极、相对电极和触发极、根据应用时施加于3个电极上的电压相互之间的极性关系组合，触发管分为4种工作模式，分别为触发管的A、B、C、D工作模式，具体如图6.10所示。,6.3.3 冷阴极触发管的种类和应用6.3.3.1 冷阴极触发管的种类冷阴极触发管作为一种高能量的脉冲开关器件，基本上可按照其工作电压的高低进行分类。一般而言，工作电压低于5kV的触发管称为低压触发管；工作低压在5kV10kV之间的触发管称为中压触发管；工作电压高于10kV的触发管称为高压触发管。与此相对应，工作电压越高，管子的体积越大，在相同工作寿命次数的前提下，可承受的工作电流及变换能量也越大。,上面所述的都
20、是针对最普遍采用的脉冲触发的高压充气触发管而言，实际中，在一些特殊的应用场合，还有以下几种类型的触发管：1）微型触发管2）四电极充气触发管3）真空触发管4）远距离控制的激光触发开关管,6.3.3.2 冷阴极触发管的典型应用与其他同类型器件相比，冷阴极触发管具有结构坚固、使用电压范围宽、工作电压高、开关电流大、通道能量高、导通电阻下、可靠性高、寿命长、使用方便以及环境适应性强等优点。其部分特性是其他种类器件无法替代的，军事上主要用于各类型导弹的引爆、自毁装置、运载火箭点火以及各种微波器件和电子线路的防护等。其中最关键的一项用途是作为核武器的引爆、自毁装置开关。其对开关器件的特殊要求只有触发管能完
21、全满足。,除了在军事上的应用，在科学研究以及多种民用领域也有广泛使用。主要作为高压脉冲开关，用于各种高压脉冲发生器、触发闪光灯、激光器、医疗器械体外震波碎石机、航空引擎点火以及高压设备和元器件的防护等。,6.3.4 冷阴极触发管的选择和使用1）选用原则要合理的选择使用触发管，主要考虑以下几个方面：（1）具体应用领域；（2）要求的各种电压范围；（3）储能电容大小；（4）单次最大放电量；（5）累计放电量；,（6）峰值电流以及电流波形、脉宽；（7）最大重复频率；（8）外形尺寸；（9）预期寿命；（10）环境要求，例如工作温度、振动、冲击强度等。实际当中，根据上述具体要求，结合各种类型、型号触发管的具体
22、性能指标，有针对性地选择。,2）使用方法图示为冷阴极触发管的基础应用线路，各元器件的参数选择，需根据具体应用的触发管参数指标确定。实际应用当中，其他任何形式 应用线路都是从基础应用线路派生出来的。,3）使用注意事项（1）使用触发管时，要保证管外壳清洁干燥。排气管末端不能锡焊。（2）安装连接要细心认真，保证接触良好。（3）若要管子输出脉冲的上升时间快或者延迟时间短和抖动小，应在工作电压范围的高端附近工作；若要获得较多的寿命次数，而延迟时间或脉冲上升时间不重要时，应在低端工作。（4）根据应用条件或给定的管子，可适当选择工作模式。（5）正确选用触发脉冲。（6）放电线路应有5%或更小的反向电压的轻微欠
23、阻尼。（7）拆卸触发管时，必须先充分放电，避免电击。,6.4.1 天线开关管的基本工作原理及在雷达系统中的作用1）基本工作原理图为目前常用的波导式宽带天线开关管的结构示意简图。,该类TR管由波导壁，输入、输出密封窗，放电间隙，放射性物质（氚或镍63），谐振膜片（图中未画出）及管内工作气体组成。,当有微波功率信号进入并通过TR管时，如果信号的功率电平大到足以使放电间隙间的工作气体电离并形成短路，则会在管内形成很强的驻波，由于连接长度约为1/4波导波长，最终会在输入密封窗处产生很强的电场。该电场如果足够强，同样会使输入密封窗处的气体电离，并形成微波等离子体短路面，对后面进入的大功率微波信号形成强烈
24、的反射，使其不能通过TR管。,反之，如果信号的功率电平不足以使放电间隙间的工作气体电离，这时TR管可看作一个带通滤波器，则输入的微波信号在“带内”，可“无损”地通过。换句话说，TR管是一种自动开关，它具有只允许“低”功率微波信号通过而不允许“高”功率微波信号通过的特性。,2）在雷达系统中的作用图示是一种目前常用脉冲雷达的结构原理简图，下图简要说明特性开关管在雷达系统中所起的作用。,6.4.2 天线开关管的主要电性能指标及定义根据天线开关管的工作原理，它的电性能参数分为“低功率参数”（“冷参数”）和“高功率参数”（“热参数”）两种。,6.4.2.1 天线开关管的“冷参数”及典型值TR管的“冷参数
25、”主要描述的是在低功率状态下（雷达接收状态）TR管的特性。表6.1所列是现阶段波导式TR管所达到的“冷参数”指标水平典型值。,6.4.2.2 天线开关管的“热参数”及典型值TR管的“热参数”主要描述的是在“高功率”状态下（雷达发射状态）TR管的特性。这里的“高功率”是指能使TR管管内气体产生电离（着火）及以上的射频功率。TR管的“热参数”主要反映的是管子的关断特性。为了描述TR管的“高功率”特性，采用了以下主要技术指标：1）着火功率2）总漏过功率3）漏过波尖能量4）幅度恢复时间除了上述四项主要“热参数”指标外，考核TR管还有工作功率、脉冲宽度、工作比、寿命等指标。,6.4.3 目前常用的天线开关管的种类和特点1）无源波导式天线开关管2）插入式天线开关管3）同轴式天线开关管4）组合式天线开关,
