高功率脉冲氢闸流管的设计模拟与实验分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:周 亮

  脉冲氢闸流管主要用于雷达装置中,特别是中、远程警戒雷达,是其调制器的核心开关元件。目前,在脉冲氢闸流管新品研制中普遍采用经验模式来完成前期的样管设计,并根据样管测试结果与技术指标的对比,进行后期针对性的修改。这种研制模式由于需要反复修改样管结构,导致零件浪费较多,并且效率比较低下。本文旨在利用计算机来仿真脉冲氢闸流管内部电场与脉冲放电工作情况,从而实现对脉冲氢闸流管放电结构的改进。将改进后的结构应用于样管中,从测试数据上印证了利用计算机模拟辅助新品研制这一方法的合理性。

  随着近代雷达与脉冲技术的发展,对脉冲氢闸流管的具体参数要求也越来越高。作为雷达脉冲调制器的一个主要元件,脉冲氢闸流管为其提供了脉冲源;同时它还广泛的应用于强功率脉冲发生器中,特别是在高峰值功率(≥500MW)的情况下,就需要所研制的脉冲氢闸流管具有高的耐压能力(≥50kV),高的峰值电流承载能力(≥30kA),以及尽量短的时间参数(抖动小于10ns)。这导致传统的采用经验模式来完成前期的样管设计,并根据样管测试结果与技术指标的对比进行后期针对性修改的方法,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这将变得非常不经济和不效率。

  如图1所示为脉冲氢闸流管的基本结构,主要由阳极、栅极、阴极和氢储存器等几部分组成。实验发现,影响脉冲氢闸流管正常工作的一个主要问题即为发生打火或者自击穿,所以减少高电压状态下发生打火和自击穿的概率是提高脉冲氢闸流管耐压能力的重要方向。从等离子体放电机理来说,脉冲氢闸流管在耐压阶段造成自击穿的主要原因是电极表面电场畸变引起的场致发射,阴极蒸发物以及陶瓷壁表面的空间电荷积累引起的沿面放电。减少阴极蒸发物在金属电极和陶瓷表面的附着,有效地限制高电压状态下管内电场畸变的产生,这在材料与工艺上是可以实现的;而降低空间电荷积累则需要对管内放电结构进行必要的调整,这样会对脉冲氢闸流管的负载能力与时间参数产生影响。鉴于传统研制方法的局限性,作者提出了通过计算机来仿真脉冲氢闸流管内部电场与脉冲放电工作情况,从而讨论脉冲氢闸流管放电结构改进后能否满足高峰值功率元件所需的技术指标要求,并在优化结构的基础上进行新品的研制与测试,来验证计算机仿真辅助设计这一新方法的可行性。

脉冲氢闸流管的基本结构图

图1 脉冲氢闸流管的基本结构图

1、电场与脉冲放电模拟

  如图2所示,在脉冲功率调制电路中,脉冲氢闸流管完成一次高功率脉冲放电必须经历三个阶段:间隙高绝缘、导通大电流和整管恢复阶段。间隙高绝缘是指脉冲氢闸流管气体间隙能够承受住直流电源的高电压,一直保持高绝缘状态,如此高压直流电源就能够对储能电容进行充电,在这一阶段评估脉冲氢闸流管耐压能力好坏的重要参数为峰值正向阳极电压^Ua;而导通大电流是指栅极触发脉冲到来,管内气体间隙发生放电击穿,从而能将储能电容的能量以脉冲电流的形式释放到负载上。整管恢复阶段是指导通大电流后阳极电位下降不足以维持放电,管内等离子体消电离使得整管耐压间隙重新获得耐压能力的过程。由于间隙高绝缘和导通大电流这两个状态所影响的技术指标并不相同,下面分别对电场分布以及脉冲放电进行计算机仿真,以分析脉冲氢闸流管结构改进的合理性。

脉冲功率调制电路

图2 脉冲功率调制电路

  阳-栅极电场主要作用在工作气体以及与气体相接触的电极表面,因此可以将该区域简化为图3,以便于计算机对求解域的模拟分析。图3(a)表示闸流管的典型电极结构,图3(b)为改进后的电极结构。

  阳极电压为50kV,栅极电压为0V。模拟分析图3阳-栅间隙在高电压作用下的电场分布,以108V/m为发生场致发射的电场阈值来评估由于结构的改变导致陶瓷表面电荷积累造成的电场畸变大小的改变,从而分析其对脉冲氢闸流管耐压性的影响。

脉冲氢闸流管阳-栅极间隙简化图

图3 脉冲氢闸流管阳-栅极间隙简化图

  对比典型脉冲氢闸流管与改进型脉冲氢闸流管的结构图可以看出,由于等离子体放电集中在平行阳-栅极板区域,后者的结构中正离子需要走很长且弯曲的路程才能到达陶瓷壁,因此其表面附着的正电荷面密度要比前者小得多。

  在不改变阳-栅间隙的情况下,前者在放电过程中,陶瓷壁表面附着的正电荷面密度为5×10-4 C/m2,后者为2×10-4 C/m2,以表征其各自阻碍正离子附着在陶瓷壁表面的能力。对阳-栅间隙的阳极电场、栅极电场以及陶瓷壁电场进行了相关计算,并将各处场强最大值统计如表1,可以看出,合理的改变结构将大大降低陶瓷壁处附着正电荷的密度,使得栅极电场远离发生场致发射的阈值,从而提高闸流管的耐压能力。

3、结论

  对脉冲氢闸流管进行的电场与脉冲放电仿真,其计算结果与测试结果相当;脉冲氢闸流管耐压能力获得了提高,峰值阳极电流也达到了设计要求,说明了电极结构的改进是合理的。这充分验证了关于电场的建模与等离子体理论模型的合理性,以及有限元计算方法的准确性。这为脉冲氢闸流管的新品研制提供了一个新思路,即计算机模拟辅助器件的研制开发,从而更加节约成本、并且高效的实现相应的技术指标。

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