Features of the discharge formation in the trigger unit based on breakdown over the semiconductor surface in the sealed-.pdf Введение В настоящее время широкое применение получили коммутирующие приборы на основе сильноточных импульсных газовых разрядов низкого давления с полым катодом (так называемые псевдоискровые разрядники) [1-10]. Конструкция электродной системы самого разрядника в значительной степени напоминает конструкцию классического водородного тиратрона с накаленным катодом. Однако в данном типе приборов накаленный катод отсутствует. Основной высоковольтный промежуток тиратрона формируется полым или плоским анодом и полым катодом. Область рабочих давлений газа в разряднике соответствует левой ветви кривой Пашена. В таких условиях, в отличие от разрядов высокого давления [11-13], как для случая самопробоя, так и для принудительного запуска разрядника, требуется значительный предпробойный ток из основной катодной полости в основной промежуток тиратрона [14-17]. В случае принудительного инициирования этот ток обеспечивается за счет специального узла запуска разрядника, который обычно располагается в основной катодной полости [3, 10, 18-21]. В общем случае задача любого узла запуска состоит в генерации плазмы высокой плотности в полости основного катода в заданный момент времени. Для этого к одному из электродов узла запуска прикладывается импульс напряжения амплитудой 2-8 кВ. В результате в полости основного катода генерируется плазма разряда запуска с током 20-100 А. Электроны с поверхности плазмы извлекаются в основной промежуток тиратрона и инициируют развитие разряда в соответствии с механизмом, описанным в работах [1, 22]. В ранних публикациях представлены результаты исследований разряда и разработки конструкций тиратронов, полученные на экспериментальных разборных макетах. К настоящему времени разработаны отпаянные металлокерамические приборы, которые производятся кампанией ООО «Импульсные технологии», г. Рязань. В зависимости от типа узла запуска приборы разделяются на две серии. В приборах серии TPI используется узел запуска на основе вспомогательного тлеющего разряда, в приборах серии TDI используются узлы запуска на основе пробоя по поверхности полупроводника [1, 19]. Тиратроны серии TPI изначально разрабатывались как универсальные приборы, предназначенные для работы с большим ресурсом по количеству импульсов и для систем с высокой частотой следования импульсов [19]. В настоящее время в стандартных приборах серии TPI и в модернизированных приборах удается получить времена запаздывания пробоя относительно момента приложения импульса запуска на уровне 70 нс и разброс времен срабатывания оказывается не хуже 3 нс [21, 23]. В то же время имеются установки, когда требуется работа тиратрона в режиме одиночных импульсов (например, [24, 25]). В этом случае целесообразно использовать тиратроны с узлом запуска на основе пробоя по поверхности полупроводника. Несомненным преимуществом тиратронов этой серии является как простота конструкции узла запуска, так и простота схем запуска. Другим преимуществом является отсутствие паразитного тока, возникающего за счет вспомогательного тлеющего разряда и приводящего к снижению напряжения пробоя основного высоковольтного промежутка [15, 20]. В настоящее время в приборах серии TDI в качестве полупроводника используется поликристаллический карбид-нитрид бора [19]. При этом сопротивление полупроводника от прибора к прибору может меняться в диапазоне от десятков до нескольких сотен Ом. Настоящая работа посвящена исследованию механизмов формирования и горения разряда в узлах запуска отпаянных тиратронов типа TDI при различных сопротивлениях полупроводника и влиянию этого сопротивления на времена запаздывания срабатывания тиратронов. Данные получены на приборах TDI1-50k/50 (максимальный ток 50 кА при анодном напряжении до 50 кВ). Экспериментальная установка и методики измерений Схематическое изображение конструкции тиратрона TDI1-50k/50 совместно с электрической схемой для исследования разряда в узле запуска и схемой запуска тиратрона приведены на рис. 1. Электроды тиратрона монтируются в керамическом корпусе диаметром 98 мм. В данном приборе применена двухсекционная конструкция основного промежутка, когда между электродами A и C имеется градиентный электрод G. Расстояние между плоскими частями электродов, диаметры отверстий и толщины электродов составляют 3 мм. Как и в классических тиратронах с накаленным катодом, рабочее давление в приборе поддерживается за счет генератора водорода, на нагреватель которого подается напряжение VH = 4-7 В при токах на уровне 2 А. Рис. 1. Схематическое изображение конструкции тиратрона TDI1-50k/50 совместно с электрической схемой для исследования разряда в узле запуска (а) и схемой запуска тиратрона (б): А - основной анод тиратрона; G - градиентный электрод; С - основной катод тиратрона; SC - полупроводниковый цилиндр; С1 - многоточечный контакт узла запуска; А1 - графитовый контакт узла запуска; VН - напряжение накала генератора водорода; C0 = 4 нФ; R0 = 18 Ом; L0 = 1.3 мкГн; VT = 3 кВ; Rb = 30 Ом; RS1 = = RS2 = 1 Ом; RT ≤ 90 Ом; RP = 10 кОм; CP = 10 нФ Нижняя секция основного промежутка сообщается с катодной полостью через отверстия в верхней плоскости электрода C. Диаметр отверстий соизмерим с межэлектродным расстоянием секций основного промежутка. Диаметр катодной полости составляет 80 мм, а глубина 30 мм. Внутри полости имеется перегородка толщиной 2 мм, отстоящая от плоскости катода С на расстояние 5 мм. На оси перегородки имеется осевое отверстие диаметром 32 мм. Перегородка предназначена для отделения области узла запуска от области основного промежутка. Узел запуска располагается внутри катодной полости, и представляет собой полупроводниковый цилиндр SC из поликристаллического карбида-нитрида бора. Катод узла запуска С1 выполнен в виде медной пружинки, обернутой вокруг полупроводникового цилиндра. За счет упругих свойств пружинки обеспечивается многоточечный контакт электрода с полупроводником. Анод узла запуска А1 изготовлен из графита и соединен с полупроводником посредством прессовки. Расстояние между электродами C1 и A1 составляет 10 мм. Инициирование разряда в основном промежутке тиратрона происходит следующим образом. В начальный момент времени к аноду тиратрона A приложено высокое напряжение V0, а емкость CP внутри источника импульсов запуска заряжена до напряжения 3 кВ. В заданный момент времени происходит замыкание ключа S, и к электроду C1 через соединительный кабель и балластное сопротивление Rb прикладывается импульс напряжения отрицательной полярности VT. Под действием этого напряжения через тело полупроводникового цилиндра SC начинает протекать ток. Поскольку полупроводниковый цилиндр имеет шероховатую поверхность, в точке контакта пружинки с полупроводником возникают катодные пятна и между электродами C1 и A1 происходит инициирование поверхностного разряда. Так как полость основного катода относительно катода узла запуска является полым анодом, под действием поверхностного разряда происходит зажигание разряда между электродом C1 и полостью С. Данный тип разряда можно характеризовать как дуговой разряд с полым анодом [19, 26]. Эффективная генерация плазмы дугового разряда обеспечивается за счет осциллирующего движения электронов в полости. Под действием высокого напряжения V0 электроны с поверхности плазмы извлекаются в основной промежуток тиратрона и инициируют пробой [1, 22]. Для усиления эффекта влияния тока поверхностного разряда на инициирование дугового разряда в цепи запуска присутствует сопротивление RT. За счет этого сопротивления в процессе протекания тока через узел запуска полость основного катода оказывается под более положительным потенциалом относительно анода А1. В экспериментах мы измеряли напряжение на аноде тиратрона V0, ток в основном промежутке i0, напряжение на катоде узла запуска VT, ток в цепи узла запуска iSC посредством шунта RS1 и ток на катодную полость iC посредством шунта RS2. Измерения проводились при различных величинах сопротивлений RT. При исследовании механизмов формирования разряда в узле запуска эксперименты проводились в отсутствие высокого анодного напряжения (рис. 1, а). Так как эксперименты проводились с отпаянными тиратронами, то одно и то же давление газа от прибора к прибору могло достигаться при различных величинах VH. Поскольку геометрия основного разрядного промежутка в исследуемых приборах была идентична, то давление в приборе определялось предварительно по напряжению статического пробоя основного промежутка. Представленные ниже данные соответствуют давлению газа в приборе, при котором статическое пробивное напряжение основного промежутка составляет 45 кВ. Исследования проводились на тиратронах с сопротивлением узла запуска RTU = 250 Ом, 360 Ом и 1 МОм. Величина сопротивления RTU измерялась на выводах электродов A1 и C1 посредством мультиметра на холодном приборе (VH = 0), не включенном в схему измерений. Результаты и их обсуждение На рис. 2 приведены осциллограммы тока icold, протекающего через полупроводник в холодном приборе с сопротивлением RTU = 250 Ом под действием импульса запуска VT. Осциллограмма напряжения на электроде C1 для холодного прибора обозначена как Vcold. Измерения проводились в отсутствие высокого напряжения V0, а сопротивление RT = 5 Ом. На рис. 2 также приведены осциллограммы тока iR и импульса напряжения VR для случая, когда вместо узла запуска импульс VT прикладывался к резистору RL = 250 Ом. Рассмотрим сначала поведение напряжения и тока для случая, когда импульс запуска прикладывается к нагрузке RL. В момент времени t0 = 0 происходит замыкание ключа S в источнике импульсов запуска и напряжение на электроде C1 начинает возрастать. Спустя 74 нс в момент времени t1 напряжение и ток достигают максимального значения. Видно, что за счет переходных процессов на емкости и индуктивности соединительного кабеля величина напряжения VR(t1) = 3.5 кВ оказывается выше, чем напряжение на емкости CP в источнике импульсов запуска. Переходные процессы имеют место в течение приблизительно 300 нс от момента приложения импульса запуска. В дальнейшем емкость CP и емкость кабеля разряжаются через балластное сопротивление и сопротивление RL с характерным временем τ ≈ 3 мкс. Из осциллограмм видно, что максимальный ток через сопротивление RL в момент времени t1 составляет iR(t1) = 14.5 A. Из рис. 2 видно, что величина напряжения Vcold оказывается меньше напряжения VR, а ток через сопротивление узла запуска icold существенно превышает ток через резистор iR. Напомним, что осциллограммы на рис. 2 соответствуют условиям, когда напряжение на нагревателе генератора водорода VH = 0. В этих условиях давление газа в приборе близко к вакууму и развитие разряда по поверхности полупроводника при приложении напряжения в области 3 кВ не происходит. Причина такого поведения тока и напряжения в узле запуска, вероятно, состоит в следующем. Полупроводниковый цилиндр имеет шероховатую поверхность, поэтому контакт пружинного электрода С1 и полупроводника осуществляется лишь в небольшом количестве точек. Соответственно при измерении сопротивления узла запуска мультиметром, помимо сопротивления самого полупроводника, мы измеряем также и сопротивление контакта полупроводника с электродом C1. Отметим, что при измерении сопротивления узла запуска мультиметром ток в цепи оказывается на уровне десятых долей миллиампер. Рис. 2. Осциллограммы напряжения Vcold и тока icold в узле запуска холодного прибора совместно с осциллограммами напряжения VR и тока iR на резисторе RL; VH = 0, RL = 250 Ом, RT = 5 Ом При приложении импульса запуска даже к холодному прибору между поверхностью полупроводника и электродом С1 возникает большое количество микроразрядов. В результате площадь контакта электрода C1 и полупроводника увеличивается и сопротивление места контакта закорачивается. В этих условиях величина сопротивления узла запуска начинает определяться главным образом сопротивлением полупроводникового цилиндра. Для наглядности на рис. 2 также приведены расчетные осциллограммы сопротивления RL(t) = = (VR(t)/iR(t) - RT) и сопротивления полупроводника RSC(t) = (VT(t)/iSC(t) - RT). Видно, что величина сопротивления полупроводникового цилиндра составляет приблизительно 85 Ом. Для других исследуемых приборов начальная величина сопротивления узла запуска RTU снизилась c 320 Ом и 1 МОм до величины RSC = 100 и 360 Ом соответственно. Таким образом, измерение тока, протекающего в узле запуска холодного прибора, и напряжения на катоде узла запуска позволяет определить сопротивление полупроводникового цилиндра. В дальнейшем, при идентификации приборов мы будем использовать величину сопротивления RTU, измеренную мультиметром. На рис. 3, a представлены осциллограммы напряжения импульса запуска VT, тока в узле запуска iSC и тока на катодную полость iC для тиратрона с RTU = 250 Ом при RT = 5 Ом. Кроме того, для наглядности приведены осциллограммы напряжения на холодном приборе Vcold и тока в цепи узла запуска холодного прибора icold. Как и в условиях рис. 2, замыкание ключа S происходит в момент времени t0 = 0. После этого ток в цепи узла запуска и напряжение VT начинают возрастать. В момент времени tdc = 65 нс начинает регистрироваться ток на катодную полость iC. Это говорит о том, что в катодной полости зажигается дуговой разряд с полым анодом, а промежуток времени (t0-tdc) можно трактовать как время запаздывания зажигания разряда в катодной полости. Из осциллограмм видно, что приблизительно до момента времени t = 20 нс осциллограммы напряжения VT и Vcold совпадают, а после 20 нс наблюдается отчетливое расхождение осциллограмм. Это означает, что в условиях, когда прибор заполнен газом, сопротивление узла запуска оказывается ниже, чем для холодного прибора. Снижение сопротивления узла запуска в данном случае происходит за счет развития разряда по поверхности полупроводника. Поскольку мы имеем дело с отпаянными приборами, то можно лишь догадываться, каким образом протекает ток поверхностного разряда. Однако, если предположить, что сопротивление полупроводникового цилиндра в условиях рис. 3 не отличается от сопротивления холодного прибора, то можно грубо оценить поведение тока поверхностного разряда и тока через тело полупроводника. Действительно, зажигание поверхностного разряда означает, что параллельно сопротивлению полупроводника RSC появляется сопротивление поверхностного разряда RSD. Если изменение сопротивления полупроводникового цилиндра во времени соответствует осциллограмме RSC на рис. 2, то мы можем оценить величину тока через тело полупроводника в каждый момент времени как iSВ(t) = VT(t)/(RSC(t) + RT). Тогда величина тока поверхностного разряда может быть вычислена как iSD(t) = iSC(t) - iSB(t). Именно эти расчетные кривые приведены на рис. 3. Рис. 3. Осциллограммы напряжения VT и тока iSC в узле запуска и тока дугового разряда на основную катодную полость iC совместно с осциллограммами напряжения Vcold и тока icold на холодном приборе и расчетными кривыми тока через тело полупроводника iSB и тока поверхностного разряда iSD: а) RTU = 250 Ом, RT = 5 Ом; б) RTU = 1 МОм, RT = 0 Ом Видно, что отчетливо различаемая величина тока поверхностного разряда наблюдается именно с момента времени 20 нс. С увеличением напряжения ток поверхностного разряда также увеличивается. В момент времени tdc = 65 нс, когда начинает регистрироваться ток iC, ток поверхностного разряда iSD ≈ 5 А. Отметим, что расчетная величина тока поверхностного разряда, при которой начинает регистрироваться ток iC практически не зависит то величины сопротивления RT, и лежит в области 4-6 А. После возникновения тока iC в течение 20 нс величина тока поверхностного разряда практически не меняется, а затем начинает спадать. Данный спад, на наш взгляд, обусловлен снижением величины напряжения VT вследствие развития дугового разряда на полость C. В момент времени t = 100 нс ток поверхностного разряда вновь начинает увеличиваться. Увеличение тока iSD может быть обусловлено несколькими факторами. В момент времени t = 100 нс ток дугового разряда на катодную полость iC составляет около 10 А. Это говорит о том, что к данному моменту времени в катодной полости присутствует плазма высокой плотности. С одной стороны, электроны из плазмы дугового разряда могут производить ионизацию газа вблизи поверхности полупроводникового цилиндра, что приведет к интенсификации поверхностного разряда. С другой стороны, электрод A1 является анодом относительно электрода C1, поэтому часть тока дугового разряда может замыкаться не только на полость С, но и на электрод A1, что также приведет к увеличению тока в цепи узла запуска. Грубо оценить величину концентрации плазмы дугового разряда в катодной полости можно на основе предположения, что ток дугового разряда равномерно замыкается на всю поверхность полости C и концентрация ионов и электронов в плазме равна. Характерной особенностью разрядов низкого давления является наличие отрицательного потенциального барьера вблизи анода eΔV [26, 27]. В этом случае ток на поверхности полости C будет переноситься хаотическими электронами из плазмы разряда, энергии которых достаточно для преодоления барьера. Тогда ток на поверхности полости будет определяться выражением , (1) где ne - концентрация электронов в плазме, ve = (8kTe/πm)1/2 - средняя скорость хаотических электронов в плазме, m - масса электрона. Подставляя в последнее выражение ток iC = 10 А, S = = 125 см2, kTe = 5 эВ, eΔV = 10 эВ, получим ni ≈ ne = 9.8•1010 см-3. Увеличение сопротивления полупроводникового цилиндра не приводит к существенному изменению поведения тока в цепи полупроводника и тока на полость. На рис. 3, б приведен пример осциллограмм для прибора с сопротивлением RTU = 1 МОм. Видно, что появление тока на катодную полость происходит также при токе поверхностного разряда iSD на уровне 5 А. Однако время запаздывания tdc увеличивается приблизительно до 100 нс. На наш взгляд это может быть связано с тем, что величина тока поверхностного разряда на уровне 4-6 А является некоторой критической величиной, при достижении которой происходит инициирование объемного разряда в катодной полости C. На рис. 4, а приведены осциллограммы напряжения импульса запуска VT, тока в цепи полупроводника iSC и тока на катодную полость iC, демонстрирующие разброс времен появления тока iC для тиратрона с RTU = 250 Ом. В условиях рисунка время запаздывания tdc = 70 ± 5 нс. Тем не менее осциллограммы тока iC укладываются в указанный разброс только в области малых значений тока. Видно, что на стадии нарастания тока дугового разряда имеет место большой разброс осциллограмм. Максимальный разброс составляет ± 24 нс. Это может быть связано с тем, что место возникновения катодного пятна на пружинном электроде C1 и соответственно место развития поверхностного разряда от импульса к импульсу разные. Поэтому и динамика тока дугового разряда с полым анодом различается от импульса к импульсу. Рис. 4. Осциллограммы разброса возникновения тока дугового разряда и разброса срабатывания тиратрона: а - осциллограммы напряжения VT, тока в узле запуска iSC и тока дугового разряда iC; б - осциллограммы напряжения на основном промежутке V0, тока в основном промежутке i0 и импульса запуска VT; RTU = 250 Ом; RT = 5 Ом; V0 = 40 кВ; наложено 20 импульсов Пример осциллограмм, показывающих разброс времен запаздывания срабатывания тиратрона приведен на рис. 4, б. Здесь напряжение, прикладываемое к аноду тиратрона V0, составляет 40 кВ. Срабатывание ключа S происходит в момент времени t0. В момент времени td = 88 нс напряжение V0 начинает снижаться, а ток в основном промежутке i0 начинает возрастать, что говорит о начале развития пробоя в основном промежутке тиратрона. Разброс срабатывания для рассматриваемых условий составляет Δtd = ± 5 нс. Обобщение данных по временам возникновения тока дугового разряда на катодную полость tdc и временам запаздывания срабатывания тиратрона td в зависимости от величины сопротивления RT приведено на рис. 5. Данные представлены для трех исследуемых тиратронов. Видно, что минимальные времена запаздывания возникновения тока iC и разброс для всех приборов достигаются при величине RT = 5 Ом. При больших величинах сопротивления RT времена tdc и Δtdc существенно увеличиваются. Причина, вероятно, состоит в следующем. За счет сопротивления RT электрод A1 оказывается под отрицательным потенциалом относительно земли, что способствует возникновению тока на полость основного катода. Тем не менее при RT > 5 Ом ток через тело полупроводника iSB и ток поверхностного разряда iSD оказываются существенно ограничены. В результате, развитие поверхностного разряда происходит нестабильно, что и приводит к увеличению времен tdc и Δtdc. Отметим, что для тиратрона с RTU = 1 МОм времена tdc и Δtdc оказываются существенно выше, чем для двух других тиратронов. Рис. 5. Зависимости времени запаздывания возникновения тока дугового разряда на катодную полость tdc (а) и времени запаздывания срабатывания тиратрона td (б) от величины сопротивления RT для различных тиратронов Минимальные времена запаздывания срабатывания тиратрона и разброс времен срабатывания соответствуют сопротивлению RT = 5 Ом (рис. 5, б). Видно, что основной вклад в разброс времен срабатывания вносит разброс времен появления тока iC. Кроме того, к увеличению разброса может приводить неоднородность нарастания тока дугового разряда от импульса к импульсу (рис. 4, а). Минимальное время запаздывания срабатывания также соответствует тиратрону с RTU = = 250 Ом и составляет td = (92±5) нс. Заключение Проведено исследование формирования разряда в узле запуска на основе пробоя по поверхности полупроводника в отпаянных тиратронах с полым катодом TDI1-50k/50. Показано, что под действием импульса запуска сопротивление узла запуска существенно уменьшается. Это связано с тем, что сопротивление многоточечного контакта узла запуска с полупроводником закорачивается, и сопротивление узла запуска в целом начинает определяться сопротивлением полупроводника. Предложен метод оценки величины тока поверхностного разряда в узле запуска. Суть метода состоит в предварительном измерении сопротивления полупроводникового цилиндра узла запуска посредством приложения импульса запуска к холодному прибору и последующим сравнением с сопротивлением узла запуска в условиях рабочего давления газа. Показано, что средняя величина тока поверхностного разряда, при которой возникает ток дугового разряда на основную катодную полость, составляет 4-6 А. Измерены времена запаздывания возникновения тока дугового разряда на основную катодную полость tdc и разброс этих времен Δtdc. Показано, что с увеличением сопротивления полупроводникового цилиндра времена tdc и Δtdc увеличиваются. Использование дополнительного сопротивления RT в цепи узла запуска для усиления эффекта влияния тока поверхностного разряда на инициирование дугового разряда приводит к снижению времени запаздывания и разброса только при величине сопротивления RT = 5 Ом. Увеличение величины сопротивления RT ведет к ограничению тока поверхностного разряда и тока через тело полупроводника. Как следствие, времена запаздывания и разброс увеличиваются. Минимальное время запаздывания зажигания дугового разряда соответствует тиратрону с сопротивлением узла запуска RTU = 250 Ом и составляет tdc = = (70±5) нс. Получены данные по временам запаздывания срабатывания тиратронов td и разбросу времен срабатывания Δtd. Показано, что основной вклад в разброс времен срабатывания вносит разброс времен запаздывания возникновения тока дугового разряда. Как следствие, с увеличением сопротивления полупроводникового цилиндра узла запуска и с увеличением дополнительного сопротивления RT времена td и Δtd увеличиваются. Минимальное время запаздывания срабатывания также соответствует тиратрону с RTU = 250 Ом и составляет td = (92±4.5) нс.

Скачать электронную версию публикации