高功率脈沖氫閘流管的設(shè)計模擬與實驗分析

　　脈沖氫閘流管主要用于雷達裝置中，特別是中、遠程警戒雷達，是其調(diào)制器的核心開關(guān)元件。目前，在脈沖氫閘流管新品研制中普遍采用經(jīng)驗模式來完成前期的樣管設(shè)計，并根據(jù)樣管測試結(jié)果與技術(shù)指標的對比，進行后期針對性的修改。這種研制模式由于需要反復修改樣管結(jié)構(gòu)，導致零件浪費較多，并且效率比較低下。本文旨在利用計算機來仿真脈沖氫閘流管內(nèi)部電場與脈沖放電工作情況，從而實現(xiàn)對脈沖氫閘流管放電結(jié)構(gòu)的改進。將改進后的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于樣管中，從測試數(shù)據(jù)上印證了利用計算機模擬輔助新品研制這一方法的合理性。

　　隨著近代雷達與脈沖技術(shù)的發(fā)展，對脈沖氫閘流管的具體參數(shù)要求也越來越高。作為雷達脈沖調(diào)制器的一個主要元件，脈沖氫閘流管為其提供了脈沖源；同時它還廣泛的應(yīng)用于強功率脈沖發(fā)生器中，特別是在高峰值功率(≥500MW)的情況下，就需要所研制的脈沖氫閘流管具有高的耐壓能力(≥50kV)，高的峰值電流承載能力(≥30kA)，以及盡量短的時間參數(shù)(抖動小于10ns)。這導致傳統(tǒng)的采用經(jīng)驗模式來完成前期的樣管設(shè)計，并根據(jù)樣管測試結(jié)果與技術(shù)指標的對比進行后期針對性修改的方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為這將變得非常不經(jīng)濟和不效率。

　　如圖1所示為脈沖氫閘流管的基本結(jié)構(gòu)，主要由陽極、柵極、陰極和氫儲存器等幾部分組成。實驗發(fā)現(xiàn)，影響脈沖氫閘流管正常工作的一個主要問題即為發(fā)生打火或者自擊穿，所以減少高電壓狀態(tài)下發(fā)生打火和自擊穿的概率是提高脈沖氫閘流管耐壓能力的重要方向。從等離子體放電機理來說，脈沖氫閘流管在耐壓階段造成自擊穿的主要原因是電極表面電場畸變引起的場致發(fā)射，陰極蒸發(fā)物以及陶瓷壁表面的空間電荷積累引起的沿面放電。減少陰極蒸發(fā)物在金屬電極和陶瓷表面的附著，有效地限制高電壓狀態(tài)下管內(nèi)電場畸變的產(chǎn)生，這在材料與工藝上是可以實現(xiàn)的；而降低空間電荷積累則需要對管內(nèi)放電結(jié)構(gòu)進行必要的調(diào)整，這樣會對脈沖氫閘流管的負載能力與時間參數(shù)產(chǎn)生影響。鑒于傳統(tǒng)研制方法的局限性，作者提出了通過計算機來仿真脈沖氫閘流管內(nèi)部電場與脈沖放電工作情況，從而討論脈沖氫閘流管放電結(jié)構(gòu)改進后能否滿足高峰值功率元件所需的技術(shù)指標要求，并在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行新品的研制與測試，來驗證計算機仿真輔助設(shè)計這一新方法的可行性。

圖1 脈沖氫閘流管的基本結(jié)構(gòu)圖

1、電場與脈沖放電模擬

　　如圖2所示，在脈沖功率調(diào)制電路中，脈沖氫閘流管完成一次高功率脈沖放電必須經(jīng)歷三個階段：間隙高絕緣、導通大電流和整管恢復階段。間隙高絕緣是指脈沖氫閘流管氣體間隙能夠承受住直流電源的高電壓，一直保持高絕緣狀態(tài)，如此高壓直流電源就能夠?qū)�儲能電容進行充電，在這一階段評估脈沖氫閘流管耐壓能力好壞的重要參數(shù)為峰值正向陽極電壓^Ua；而導通大電流是指柵極觸發(fā)脈沖到來，管內(nèi)氣體間隙發(fā)生放電擊穿，從而能將儲能電容的能量以脈沖電流的形式釋放到負載上。整管恢復階段是指導通大電流后陽極電位下降不足以維持放電，管內(nèi)等離子體消電離使得整管耐壓間隙重新獲得耐壓能力的過程。由于間隙高絕緣和導通大電流這兩個狀態(tài)所影響的技術(shù)指標并不相同，下面分別對電場分布以及脈沖放電進行計算機仿真，以分析脈沖氫閘流管結(jié)構(gòu)改進的合理性。

圖2 脈沖功率調(diào)制電路

　　陽-柵極電場主要作用在工作氣體以及與氣體相接觸的電極表面，因此可以將該區(qū)域簡化為圖3，以便于計算機對求解域的模擬分析。圖3(a)表示閘流管的典型電極結(jié)構(gòu)，圖3(b)為改進后的電極結(jié)構(gòu)。

　　陽極電壓為50kV，柵極電壓為0V。模擬分析圖3陽-柵間隙在高電壓作用下的電場分布，以108V/m為發(fā)生場致發(fā)射的電場閾值來評估由于結(jié)構(gòu)的改變導致陶瓷表面電荷積累造成的電場畸變大小的改變，從而分析其對脈沖氫閘流管耐壓性的影響。

圖3 脈沖氫閘流管陽-柵極間隙簡化圖

　　對比典型脈沖氫閘流管與改進型脈沖氫閘流管的結(jié)構(gòu)圖可以看出，由于等離子體放電集中在平行陽-柵極板區(qū)域，后者的結(jié)構(gòu)中正離子需要走很長且彎曲的路程才能到達陶瓷壁，因此其表面附著的正電荷面密度要比前者小得多。

　　在不改變陽-柵間隙的情況下，前者在放電過程中，陶瓷壁表面附著的正電荷面密度為5×10^-4 C/m²，后者為2×10^-4 C/m²，以表征其各自阻礙正離子附著在陶瓷壁表面的能力。對陽-柵間隙的陽極電場、柵極電場以及陶瓷壁電場進行了相關(guān)計算，并將各處場強最大值統(tǒng)計如表1，可以看出，合理的改變結(jié)構(gòu)將大大降低陶瓷壁處附著正電荷的密度，使得柵極電場遠離發(fā)生場致發(fā)射的閾值，從而提高閘流管的耐壓能力。

3、結(jié)論

　　對脈沖氫閘流管進行的電場與脈沖放電仿真，其計算結(jié)果與測試結(jié)果相當；脈沖氫閘流管耐壓能力獲得了提高，峰值陽極電流也達到了設(shè)計要求，說明了電極結(jié)構(gòu)的改進是合理的。這充分驗證了關(guān)于電場的建模與等離子體理論模型的合理性，以及有限元計算方法的準確性。這為脈沖氫閘流管的新品研制提供了一個新思路，即計算機模擬輔助器件的研制開發(fā)，從而更加節(jié)約成本、并且高效的實現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)指標。