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1、LOGO第6章 气体放电器件引言 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。 LOGO补充：气体放电的电流电压特性放放电区区间分成几个区分成几个区.1) 无光放无光放电区区AB在低在低压的气体中。由于宇宙射
2、的气体中。由于宇宙射线产生了一部分游离正离子和生了一部分游离正离子和电子，子，气体中始气体中始终存在一部分正离子和存在一部分正离子和电子。当在两子。当在两电极加上直流极加上直流电压时，这些少量的正离子和些少量的正离子和电子将在子将在电场下运下运动形成形成电流。此流。此时，电子、子、离子与中性气体分子之离子与中性气体分子之间的碰撞是的碰撞是弹性碰撞性碰撞。这些少量的正离子、些少量的正离子、电子量是恒定的，即使升高子量是恒定的，即使升高电压，电流密度仍很小，一般流密度仍很小，一般仅为1015-1016A/cm2左右，此区只左右，此区只导电不不发光，所以称光，所以称为“无光放无光放电区区”。LOGO
3、2) 汤森放森放电区区BC在两极在两极电压逐逐渐升高，升高，电子的运子的运动速度加快，速度加快，电子与中性气子与中性气体分子之体分子之间的碰撞不再是低速的碰撞不再是低速时的的弹性碰撞，而是使气体性碰撞，而是使气体电离，离，电离离产生正离子与生正离子与电子，所子，所产生的生的电子和原有子和原有电子子继续使气体分子被使气体分子被电离，离，电离使离子、离使离子、电子数增大，子数增大，电流平流平稳地地增加，但增加，但电压却保持不却保持不变。上述两种情况，都是以自然上述两种情况，都是以自然电离源离源为前提，如果没有游离的前提，如果没有游离的电子和正离子。子和正离子。则放放电不会不会发生，因此，生，因此，
4、这种放种放电方式又称方式又称为非自非自发放放电。LOGO3) 过渡区渡区CD当当电容器两端容器两端电压进一步增加一步增加时，当至，当至C点点发生生“雪崩点火雪崩点火”。离子离子轰击阴极阴极,释放出二次放出二次电子，二次子，二次电子与中性气体分子碰子与中性气体分子碰撞，撞，产生更多的离子，生更多的离子，这些离子再些离子再轰击阴极，又阴极，又产生出新的生出新的更多的二次更多的二次电子。一旦子。一旦产生了足生了足够的离子和的离子和电子，突然出子，突然出现带颜色的色的辉光，光，气体起气体起气体起气体起辉辉，放，放电达到自持。两极达到自持。两极间电流流剧增，增，电压迅速下降，放迅速下降，放电呈呈现负阻特
5、性。此阻特性。此时C点点对应的的电压叫叫击穿穿电压，起，起辉电压，也称气体，也称气体击穿，穿，击穿后气体的穿后气体的发光称光称为辉光放光放电。CD区区为过渡区。渡区。LOGO4) 辉光放光放电DE在在进入入辉光放光放电区，增大区，增大电源功率，放源功率，放电管两管管两管电压保持不保持不变，而，而电流流平平稳增加。在正常增加。在正常辉光放光放电时，放，放电自自动调整阴极整阴极轰击面面积。最初，。最初，轰击是不均匀的，是不均匀的，轰击集中在靠近阴极集中在靠近阴极边缘处，或在其它不，或在其它不规则处。随着。随着电源功率的增大，源功率的增大，轰击区逐区逐渐扩大，直至阴极面上大，直至阴极面上电流密度几乎
6、均匀流密度几乎均匀为止。止。辉光放光放电时，电子和正离子是来源于子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的子的碰撞和正离子的轰击阴阴极，即使自然游离源不存在，极，即使自然游离源不存在，导电也将也将继续下去。而且下去。而且维持持辉光放光放电的的电压很低，且不很低，且不变，此，此时电流的增大流的增大显然与然与电压无关，而只与阴极板上无关，而只与阴极板上产生的生的辉光面光面积有关。有关。由于正常由于正常辉光放光放电时电流密度仍很小，所以在流密度仍很小，所以在溅射等方面均是射等方面均是选择在非在非正常正常辉光放光放电工作区。工作区。LOGO5) 非正常非正常辉光放光放电区区在在轰击覆盖住整个阴极表面之后，
7、覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放一步增加功率，放电的的电压和和电流密度将同流密度将同时增加，增加，进入非正常入非正常辉光放光放电状状态。其。其特点是：特点是：电流增大流增大时，两放，两放电极板极板电压升高，且阴极升高，且阴极电压降降的大小与的大小与电流密度和气体流密度和气体压强有关。因有关。因为此此时辉光已布光已布满整整个阴极，再增加个阴极，再增加电流流时，离子，离子层已无法向四周已无法向四周扩散，散，这样，正离子正离子层便向阴极靠便向阴极靠拢，使正离子，使正离子层与阴极与阴极间距距离距距离缩短，短，此此时若要想提高若要想提高电流密度，流密度，则必必须增大阴极增大阴极压降使正离子有降
8、使正离子有更大的能量去更大的能量去轰击阴极，使阴极阴极，使阴极产生更多的二次生更多的二次电子才行。子才行。LOGO6) 弧光放弧光放电区区异常弧光放异常弧光放电时，在某些因素影响下，常有，在某些因素影响下，常有转变为弧光弧光放放电的危的危险。此。此时，极，极间电压陡降，陡降，电流突然增大，相流突然增大，相当于极当于极间短路。且放短路。且放电集中在阴极的局部地区，致使集中在阴极的局部地区，致使电流密度流密度过大而将阴极大而将阴极烧毁。同。同时，骤然增大的然增大的电流有流有损坏坏电源的危源的危险。弧光放。弧光放电在气相沉在气相沉积中的中的应用，仍在用，仍在进一步研究之中。一步研究之中。LOGO6.
9、2 用于脉冲调制的闸流管 脉冲闸流管在阴极、阳极之间有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。LOGO6.2.1 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
10、要由阳极、控制栅极、阴极和氢存储器等几不封组成。阳极是一个平面的圆盘，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 LOGO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
11、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。LOGOLOGO.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
12、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：LOGO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
13、，引起栅阳空间的气体电离，放电就由栅极发展到阳极。LOGO第三阶段-整管击穿阶段（阳极到阴的放电阶段）。 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，
14、脉冲电流结束，闸流管进入恢复阶段。LOGO6.2.2 脉冲闸流管的主要参数及特性.主要参数（1）预热时间：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
15、与最大平均电流乘积的一半。 LOGO（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。LOGO.绝缘强度恢复特性。在阳极脉冲电流结束后的
16、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。LOGO 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、撬棒保护及其它电子仪器和设备。 .氢闸流管的典型应用 LOGO 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
