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闸流管_百度百科

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  在阴极-阳极之间有一个或多个栅极、具有控制特性的热阴极充气管。闸流管出现于20世纪20年代末。早期的闸流管为静电控制闸流管,管内充有惰性气体或汞蒸气。在第二次世界大战中,随着雷达的发展又研制出氢闸流管。

  氢闸流管(hydrogen thyratron)是直线加速器中调制器常用的电子开关元件,用来控制储能元件向负载释放能量,是加速器脉冲调制器的关键部件,它具有功率大、体积小、效率高、点火稳定、关断快、重复频率高等优点。

  氢闸流管由阳极、阴极、栅极和管壳组成。阳极和栅极要求具有良好的导电性能、导热性能、耐高压、熔点高和抗溅散等特性。阴极采用旁热式氧化物阴极,其外面是加热灯丝。氢闸流管的管壳有玻璃、陶瓷和金属几种。氢闸流管内还装有氢气发生器,它是一个金属管壳,管壁有孔,里面有加热丝,并充满钛氢化合物粉末。当加热时,钛氢化合物粉末就分解释放出一定量的氢气,并从孔隙扩散到闸流管内的空间,当温度冷却后,氢气经过孔隙又被吸回去并形成钛氢化合物。

  氢闸流管的工作过程是一种低气压气体由隔离高电压状态转变为高导电状态的过程。如果在闸流管的阴阳极间加上额定的工作电压,在没有加上触发脉冲之前,管子是截止的,处于断开状态。阴极灯丝和氢发生器的热丝预热数分钟,阴极热发射的电子储存在栅阴间,一旦加上触发脉冲,管子就开始工作,转为闭合状态。整个过程可分为三个阶段。

  第一阶段是栅极放电点火阶段。当栅极加上触发脉冲后,在到达气体电离电压之前,栅极电流随着栅极电压的增加而逐渐增加。当栅极电压到达气体电离电压时,栅阴空间开始发生电离,电离程度随栅极电压增大而增加,栅极电流不断增大。当栅极电流增加至点火电流时,栅极开始点火,栅极电流显著增大,栅极电压迅速下降,栅阴空间开始放电,并形成等离子体。

  第二阶段是放电由栅极向阳极发展阶段。随着栅极电流的继续增大,栅阴空间的等离子体浓度迅速增加并开始扩散。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,并使栅极和阳极之间的气体电离,阳极回路出现放电前的电流,并随栅极电流的增加而增加。当栅极电流达到启动电流时,阳极电流开始上升。当阳极电流达到点火电流时,放电就由栅极发展到阳极。

  第三阶段是阳极到阴极的电弧放电阶段或叫击穿阶段。栅阳空间放电后,阳极电压迅速下降,电流急剧增大,闸流管进入击穿导通状态。这时管压降只有几十至几百伏。在击穿阶段结束后,闸流管进入稳定的放电阶段。只要阳极电压保持大于导通时的管电压,闸流管将继续维持电弧放电,处于闭合状态。整个过程中栅极电压、阳极电压和阳极电流的变化如图所示。

  1、预热要充分,灯丝电压要稳定。闸流管必须维持一定的阴极温度和气压才能正常工作,一般要求预热十几分钟才能加上阳极电压。灯丝电压决定阴极温度和气压。如果温度过低,一方面引起阴极发射不足,另一方面引起管内气压太低,以至等离子体浓度不够,导通不良,限制了电流的上升速率,管压降增大,二次发射严重,可能造成溅散和打火,破坏阴极。如果温度太高,一方面使氧化物阴极发生还原作用,缩短寿命,另一方面引起管内气压太高,造成恢复时间延长,关断能力差,甚至产生连续放电,引起调制器跳闸。阴极过热和溅散,破坏性很大。一般要求灯丝电压的变动范围不能超过额定值的5%。

  闸流管在未被触发之前,承受额定的工作电压,不应出现打火连通现象,否则应考虑闸流管的耐压性能变差、气压偏高,应及时检查。若在放电导通之后出现打火连通现象,可从磁控管或速调管打火、内阻增大造成失配、闸流管气压偏高、恢复速度变慢或电路故障等方面考虑。

  闸流管的击穿过程分为三个阶段,如果这三个过程不能顺利进行,闸流管就不能启动工作。原因可分为两种情况:一是栅极不能点火放电,可能是闸流管灯丝不工作或阴极发射性能变坏或触发电路故障。另一种情况是栅极已经点火放电,但整个管子不能过渡,这可能是由于栅极电流没能达到阳极点火电流,放电不能从栅极发展到阳极。

  4、闸流管的安装、使用和放置的方式应保持竖直或横向状态,不可倒置,倒置后可能使氧化物阴极的粉末进入栅阳空间,使管子不能正常工作,甚至出现打火或损坏现象。对备用管不能存放时间太长,一般半年至一年后使用一次。

  由于电子直线加速器在治疗恶性肿瘤中的重要作用,我国大陆地区的医院安装大约有上千台各类加速器。这些加速器均要采用线型脉冲调制器来为磁控管或速调管提供脉冲高压。在脉冲调制器中,其关键部件之一-开关器件几乎都采用氢闸流管。氢闸流管是一种气体放电开关器件,具有功率大、体积小、点火时间稳定、消电离速度快、管压降低、正向阻断电压高,电流电压上升速率允许值高、使用方便等优点。闸流管是加速器的主要消耗器件之一,价值较高,也较易损坏。因此,正确使用闸流管不仅可以延长其寿命,而且可以保证加速器稳定工作,减少加速器运行费用,提高加速器的使用率。

  闸流管正常工作的必要条件是一定的阴极工作温度和管内维持一定的工作压力。因此,阴极和氢气发生器均必须预热3~5分钟,才能加上阳极电压,否则由于阴极温度过低,造成电子发射不足,闸流管阳极和阴极之间压降过大,强烈的正离子轰击阴极表面,同时产生溅散并造成管内打火,从而缩短闸流管的寿命。

  闸流管的灯丝电压决定阴极的温度,温度过高,灯丝氧化物会发生还原作用,灯丝寿命缩短;温度过低,阴极发射能力不足。另一方面,闸流管中的氢气发生器的热丝与灯丝是并联供电的,灯丝电压不稳引起管内氢气压强变化,使点火不稳,有时甚至不能触发。灯丝欠压工作,会造成管内气压偏低,以致等离子体浓度不够,限制了阳极电流上升速率,增大管压降,严重时,引起阴极过热和溅散,阳极呈红热,管子损耗加大,其破坏性很大。管内气压过高,恢复时间长,关断能力变差,连续放电,引起调制器过流跳闸。

  由于环境条件的差异和闸流管在工作中气体会不断被清除,在加速器上调整工作范围,选取最佳工作点有利于提高闸流管的工作稳定性和延长使用寿命。调整方法是提高或降低氢发生器热丝电压(其变动范围应不超过额定值的5%),每次上调0.2伏直至调制器不出现过流的最高氢发生器热丝电压,此点为工作范围上限,然后下调0.6~1伏为最佳工作点。下限一般不能轻易测试,因为容易破坏闸流管。

  直接影响管子损耗的因素有:闸流管的脉冲触发电流、脉冲宽度和阳极电流上升速率。对于已确定的电路,管子损耗近似正比于阳极电压的平方。管子损耗过大,阳极会因过热而发红,降低管子的寿命。调制器内的D-Q电路是箝位仿真线充电电压,也就是闸流管的阳极电压,D-Q电路易发生故障,其长时间不工作,不仅易损坏闸流管,也易损坏仿真线]

  徐峥浦; 余兵; 刘建强; 程阳 氢闸流管的结构、原理和维护 2008年中华临床医学工程及数字医学大会暨中华医学会医学工程学分会第九次学术年会论文集 2008-11-01

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