Водородные тиратроны известны с 40-х годов прошлого века [Schaefer G., Kristiansen
M. and Guenther A. (ed), Gas discharge closing switches Advances in Pulsed Power Technology (New
York: Plenum) 1990.].
Они нашли множество применений в импульсной энергетике, включая такие области с
большой потребностью, как радары, ускорители различных типов, лазеры,
генераторы Аркадьева-Маркса и пр. На средние токи более 1 А и импульсные менее
10-15 кА используются тиратроны с накаливаемым катодом (российские ТГИ-типа,
английские CX, американские CH …) .
Тиратроны с ненакаливаемым катодом ТДИ- и ТПИ-типов (pseudospark switches)
открыли новые области применения [V.D.Bochkov, D.V.Bochkov, V.M.Dyagilev, P.V.Panov,
V.I.Teryoshin, I.V.Vasiliev, V.G.Ushich, Development of high-power gas discharge and electronic
vacuum devices for pulsed electrophysic. Current status and prospects, AIP Conference Proceedings ,
11th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, Novosibirsk, Russia
Vol. 1771, pp. 070005, 2016]. Они применяются в радиографических комплексах,
кикерах ускорителей, в импульсных термоядерных коллайдерах, установках
плазмафокус, ударно-волновых, магнито-импульсных технологиях, и пр.
коммутируя энергию до 50 кДж, при напряжениях до 150 кВ и токах до 300 кА, и
обеспечивают основную загрузку нашего производства, причем экспорт их
составляет до 80 % общего объема.
Имеются перспективы применения в лазерах на свободных электронах на частотах до
100 кГц.
Fast high-voltage Power switches:
Hydrogen Thyratrons, Pseudospark Switches,
Spark Gaps, etc. More than 85 types.
5, Yablochkova lane, Ryazan, 390023, Russia Tel. +7(4912)240519,
fax. +7(4912)249217 pulsetech@mail.ru http://www.pulsetech.ru
Мы не сомневаемся в перспективах тиратронов и ведем
постоянную работу по их совершенствованию. Однако в связи с
публикациями о скорой замене тиратронов и окончанию их
применений, считаем необходимым высказаться по этому поводу.
Предсказания о скорой полной замене твердотельными
коммутаторами (ТТК) тиратронов стали появляться с 60-х годов
прошлого века. В публикациях за 2015 год, такие заявления
повторяются. Например, заявляется, что: "опыт компании Silicon
Power в сочетании с Applied Pulse Power прокладывает путь,
ведущий к устареванию газоразрядных тиратронов и игнитронов"
[3]. Перечисляются их недостатки. В данном докладе мы
попытались показать, что для большинства претензий к
тиратронам нет оснований.
Здесь обсудим применение тиратронов с накаливаемым катодом
на средние токи от 1 до 15 А в ускорительной технике:
модуляторах, кикерах, а также в генераторах плазмы.
Тр-3Ф – повышающий сетевой трансформатор, Сф – буферная емкость,
Lзар-Dзар – зарядные дроссель и диод, ФЛ – формирующая линия,
Dкл-Rкл-Var – элементы клипперной цепочки,
ИТ – повышающий импульсный трансформатор
Аналогичная схема выполнена на твердотельных коммутаторах (ТТК).
Extraction kicker system schematic [3].
За более 20 лет в разработке ТТК имеются
значительные достижения. Так, Silicon Power Corp.
рекламирует сверхбыстрый, высоконадежный
твердотельный тиратрон (SSTIR) (рис.) для замены
классических тиратронов и игнитрона, которые также
вытесняют обычные однооперационные тиристоры
(SCR – Silicon Controlled Rectifier), и полностью
управляемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off).
Фактически это сложная сборка из множества
транзисторов.
Сообщается, что переключатели на основе Si и SiC
второго поколения Si и SiC [3] показывают времена
переключения <100 нс, имеют возможности по di/dt,
до 100 кА/мкс, работают более 10 000 часов и
способны пропускать обратный ток.
Режим работы CX1925X :
Three-gap Operation
Peak forward anode voltage . . . . . . 60 kVmax
Peak forward anode current . . . . . . 15 kAmax
Peak reverse anode current . . . . . . 10 kAmax
Average anode current . . . . . . . . 5.0 Amax
Rate of rise of current . . . . . . . 300 kA/ms
Jitter . . . . . . . . . . . . . . 1.0 ns
Pulse repetition rate . . . . . . . 2000 pps max
В работе [3] в качестве недостатков тиратронов отмечается: «Тиратроны имеют
относительно короткое время службы (несколько сотен часов)", что совершенно
не обосновано.
В работе [4] показаны параметры более объективно, но отмечают :
высокую стоимость замены,
длительное время включения;
необходимость регулярной коррекции (ranging) для поддержания малого
джиттера и времени дрейфа запаздывания. {"The thyratron switches have
relatively short life times, high replacement cost, long lead-time and require
routine adjustments to maintain low timing jitter and drift"} [3]. В частности,
описывается дейтериевый тиратрон с полым анодом трехсекционный
тиратрон CX1925X, производства E2V Technologies.
[3] J.Waldron, K.Brandmier, V.Temple, Ultra-Fast, High Reliability Solid State Thyratron,
Ignitron and Thyristor Replacement. 978-1-4799-8403-9/15/$31.00 ©2015 IEEE
[4] R.Saerthre, B.Morris, H.Sanders, Thyratron replacement for the spallation neutron
source linac extraction kikcker PFN systems, 2015 IEEE PPC. 978-1-4799-84039/15/$31.00 ©2015 IEEE
Необходимо отметить, что большинство показанных разработчиками ТТК их
возможностей и недостатков тиратронов имеют чисто рекламный характер. Реально
не предоставлено достаточно достоверных данных по ресурсам в одинаковых
условиях работы ТТК. Во-первых, разработчики твердотельных коммутаторов давая
срок службы тиратрона в сотню часов [J.Waldron, K.Brandmier, V.Temple, Ultra-Fast,
High Reliability Solid State Thyratron, Ignitron and Thyristor Replacement. 978-1-47998403-9/15/$31.00 ©2015 IEEE], неправомерно берут данные по режимам
коммутации в наносекундном диапазоне длительностей, т.е. при высоких скоростях
коммутации в диапазоне импульсных мощностей недостижимых для ТТК. В то же
время имеется достаточно большая статистика работы в SLAC тиратронов
производства различных компаний.
[David B. Ficklin Jr., “A History of Thyratron Lifetimes at the Stanford Linear Accelerator
Center,” SLAC-PUB-6543, December 1994]
Так, известно, что тиратроны с накаливаемым катодом имеют реально срок службы в
модуляторах ускорителей (SLAC, Pohang) при микросекундных длительностях не
сотни, а от десятков тысяч до 120 тыс. часов [5].
Wagner, with the 35% of CH1191 thyratron data available, has provided over 17.5 million
tube hours of operation. And the linac is sill (December 1994) running!
Both the Tung-Sol CH1191 and the I.T.T. KU275A thyratrons were accepted at that time
(2012).
The principal 6575 SLAC line type modulator considerations were described
for the original 24 MW peak XK-5 klystron loads (250kV, 250A, 2.8usec) by
Robert Bradford, et. al. [1].
Thyratrons L-4888 and CX1836 are used in modulator SLAC
Original modulator stability requirements:
Pulse height deviation from flatness +/- 0.5% (max)
Pulse-to-pulse time jitter +/- 10 nsec
Pulse-to pulse amplitude jitter +/- 0.25%
The requirement that the thyratron must have immunity for the peak inverse
voltage including spikes more than 10 kV for the first 25-30 µsec after the
anode pulse) is very important.
A Stability of LCLS Linac Modulators, F.-J. Decker, A. Krasnykh, B. Morris, and
M. Nguyen, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 95051,
USA
SLAC Linac Coherent Light Source II (LCLS-II),
Ранжирование (ranging) - это процедура корректировки (проверки и
регулировки) оптимального давления тиратрона, относительно
трудоемкая часть при обслуживании модулятора. Однако имеются
несколько способов облегчить процедуру. Автоматическое отслеживание
оптимального давления на изменения условий нагрева обеспечивается в
тиратронах E2V, которые имеют температурно-чувствительную схему
регулирования (баретер) [6] в основании трубки. Необходимо сказать, что
автоматизация ранжирования при мониторинге времени запаздывания
(метод предлагаемый нами), более эффективен и точен. Современные
средства позволяют легко осуществить автоматическую регулировку
времени запаздывания и джиттера, за счет обратной связи с цепями
накала резервуара.
В настоящее время этот метод прорабатывается для нескольких целей индикации работоспособности тиратрона при работе в аппаратуре в
"спящем режиме" и с мгновенной готовностью, а также для обычного
ранжирования.
J. S. Oh, W. Namkung, H. Matsumoto, Lifetime issue of a thyratron for a smart modulator in the c-band
linear collider, Proceedings of APAC 2004, Gyeongju, Korea, 2004. pp.767-769.
Длительное время включения – обычно это не более 10 минут, что при
сроках службы в несколько лет незначительно. К тому же есть решение,
когда тиратрон обладает мгновенной готовностью, что реализовано в
конструкции ТДИ-СН-тиратронов.
Высокая стоимость замены. Если говорить о процессе замены тиратрона
на исправный, то это отнимает не более получаса.
Если сравнивать стоимость сборки ТТК и тиратрона, то и в этом случае
чаша весов перевешивает в пользу тиратронов. К тому же если принимать
во внимание цену, к примеру тиратронов Litton и e2v : CX1836 и L-4888
15000$, английский CX1937AX стоит approx.. $30 000 per each.
В России наш тиратрон ТГИ2-10к/50 аналог стоит 4 960 USD. , т.е. в 6
раз дешевле.
ТГИ2-5к/50;
ТГИ2-5к/75
ТГИ2-10к/50
LITTON L-4888
Cathode heating
options –
6V/50 A, 6V/25 A
and 6B/8 A
Resource – 5÷50
thousand hours
Такой катод
потребляет
мощность накала ~
300 Вт, что
существенно
меньше чем у
L4888 (440 W), и у
CX1836 (567 W).
Схема ускорителя УРТ-1: ИВН − источник высокого напряжения; ФИ – формирователь
импульсов запуска; ППТ − полупроводниковый прерыватель тока; ЕДН – емкостный
делитель напряжения; Л1 − тиратрон; Тр1 − импульсный трансформатор; Др − диод
рекуперации; Дв − вакуумный диод;
Ускоритель УРТ-1М-300 с ускоряющим напряжением до 1 МВ, мощностью пучка
электронов 6 кВт, длительностью импульса 100 нс и частотой повторения импульсов до
300 Гц. Lз, Lp, Lдоп – индуктивности зарядная, рекуперации и дополнительная
соответственно; С1 и С2 – емкости первого и второго контура
Для коммутации используется тиратрон ТГИ2-5k/75 на рабочее напряжение до 75 кВ,
производства ООО «Импульсные технологии» (г. Рязань) [8]. Тиратрон имеет тетродную
конструкцию (две сетки - G1 подготовительного разряда и G2 управляющая сетка), с тремя
высоковольтными секциями в металлокерамическом исполнении с комплексным катодом,
который состоит из полого и накаливаемого эмиттера. Тиратрон устойчиво работает с
2015 года при зарядном напряжении до U0 = 65 кВ.
Другой пример применения тиратрона ТГИ2-5к/50П –установки питания стримерной
короны «Корона», серийно выпускаемые ФМКБ «Горизонт» (г. Москва). Установки
используются для очистки воздуха от экологически вредных газообразных примесей,
мелкодисперсных аэрозолей и запахов на промышленных предприятиях и коммунальных
службах, в частности для очистки воздуха на крупнейших в Европе канализационных
насосных станциях - Курьяновских и Люберецких сооружениях очистки вод г.Москвы (КНС).
Установка состоит из генератора импульсов (1) и трубчатых реакторных камер (РК) (2) с
коаксиальным расположением высоковольтного и заземленного электрода, в которых
создается низкотемпературная неравновесная плазма.
В качестве генератора импульсов
используется трехступенчатый
генератор Фитча (ГИНФ)
Рис.9. Осциллограмма
выходного импульса ГИНФ Upl,
тока в РК Ipl и мощности,
внедряемой в газ Ppl
Рис.10. Осциллограммы
напряжения на катоде Uk (1) и
аноде Ua (2) ток через тиратрон Itr
(5), разность Ua- Uk (4), выходной
импульс Upl(3).
Из осциллограмм следует, что тиратрон остается открытым в течение 500 нс, пока ток в нем
не поменяет свой знак. При этом, за время формирования импульса на тиратроне
практически потери энергии минимальны, в результате чего удается добиться более чем 70%
передачи энергии в нагрузку.
Далее тиратрон не полностью закрывается на Δt≈ 1мкс, в
результате происходят потери энергии (W) в тиратроне W= (UaUk)*Itr*Δt≈0.7Дж. Они разогревают анод тиратрона. При частоте
следования импульсов 500 Гц, мощность, выделяемая в
тиратроне ≈350 Вт, что соизмеримо с мощностью на накал (30А
6.3В = 200Вт). Но так как нагрузкой является коронный разряд, то
при спаде импульса более, чем на 50% разрядные явления в РК
исчезают, в результате чего эти потери не влияют на
эффективность работы ГИНФ – поглощается оставшаяся после
генерации импульса энергия средней ступени.
Необходимо отметить, что этот режим весьма тяжел для
тиратронов. Так, у одного из лучших советских тиратронов ТГИ11000/25 наработка составляет всего несколько часов. Тетродный
дейтериевый тиратрон нового поколения ТГИ2-5к/50П с
импрегнированным катодом и полым анодом в аналогичном
режиме, на рабочих напряжениях 28 кВ обеспечивает срок
службы существенно выше (4-5 месяцев).
Параметр
Размерность
Место расположения
ФГУП «Салют»
КНС г.Москва
Расход газа
м3/час
5000
15000
Степень очистки
%
85
80-95
Входная мощность, мах
кВт
6
8
Генератор импульсов
Емкость ступени
3-х ступенчатый по схеме Фитча
нФ
Тип тиратрона
10
12
ТПИ1-10к/50
ТГИ2-5к/50П
32
28
Зарядное напряжение мах
кВ
Амплитуда импульса, мах
кВ
90
90
Длительность импульса
нс
500
350
Амплитуда тока импульса, кА
мах
Частота
следования Гц
импульсов, мах
Охлаждение возд.
м3/ч
1.5
1.5
200
600
50
100
Режим работы
2-3 часа/смена
Непрерывный
6,0
4
Срок эксплуатации
месяц
В линейном ускорителе электронов УЛЭ-10-10С, разработки НИИЭФА,
тиратрон ТГИ2-10к/50 используется как коммутирующий элемент в схеме
импульсного модулятора СВЧ-генератора. Накопителем энергии в
модуляторе служит одинарная формирующая линия.
Зарядное напряжение на аноде тиратрона - 25 кВ, амплитуда
импульсного тока тиратрона - 1200 А, Длительность импульса - 20 мкс,
Для управления тиратроном и питания накалов водородного генератора
и геттера используется стандартный блок ПБ-7Н, производства ООО ИТ.
Напряжение накала катода тиратрона подается от отдельного источника
и равно 6,3В, ток накала 50А. Частота следования импульсов тока до 250
Гц. Другой режим работы - длительность импульса уменьшили до 12 мкс,
ток 1200 А, 300 Гц. Прибор работает круглосуточно в ускорителе с
ноября 2016 года.
Тиратрон, помещен в бокс где охлаждается воздухом, поток которого
направлен на радиаторы катода, сетки 1, сетки 2, градиентной сетки и
анода (слайд. 22).
Партия ТГИ2-10к/50 тиратронов отправлена по контракту в SLAC
(Калифорния) для опробования замены тиратронов CX1836, CX1937AX и
L-4888.
В данном докладе сделана попытка показать, что для
большинства претензий к тиратронам нет оснований.
Все вышесказанное указывает на то, что рано
списывать тиратроны. Мы не сомневаемся в их
перспективах и ведем постоянную работу по
совершенствованию тиратронов, а также схем и
способов эксплуатации.
Совершенствование тиратронов, схем и способов их
эксплуатации обеспечит устойчивую потребность в
тиратронах в различных мощных высоковольтных
устройствах, как новых разработок, так и в
существующей аппаратуре, где тиратроны заняли
свою нишу [2].
