高压开关器件（氢闸流管）

通过学习和研究高压脉冲调制系统的基本工作原理可知，对PFN进行充电储能和放电脉冲转换的器件是闸流管（thyratron），这是一种充电时要承受高达10几千伏至几十千伏直流电压的高压开关器件：截至时高压电源可向PFN充电，导通时PFN可向负载放电；截至时在几十千伏直流高电压的作用下不产生漏电流；导通时要承受高达几百安培乃至几千安培的脉冲电流，而且截至与导通的时机和变换频率必须符合设定要求。因此，高压开关器件也是高压脉冲调制系统的关键器件之一。

闸流管是一种管内充气型的高压开关器件。根据不同的气体类型，可分为水银（汞）蒸汽闸流管、惰性气体闸流管和氢气闸流管等各种不同的类型。氢气闸流管通常简称为氢闸流管（Hydrogen thyratron）。因为氢闸流管具有承受电压高、脉冲电流大、触发电压低、脉冲宽度窄、电流上升快，点火稳定、消电离速度快、导通时管压降较低和运行寿命较长等诸多优点被广泛应用在包括医用电子直线加速器高压脉冲调制系统在内的各类高压脉冲调制系统。所以，在医用电子直线加速器的高压脉冲调制系统上，当谈到闸流管时，通常指的就是氢闸流管。几种常用氢闸流管的外形照片，见图2-11-22。

图2-11-22　几种常用氢闸流管的外形照片

其实，除了氢闸流管之外，还有可控硅等其他类型的高压开关器件。可控硅的开关特性与氢闸流管相似，所以又叫作固态闸流管。这类闸流管的显著特点是体积小巧、不怕震动、安装简单，并且无需灯丝电源，也不需要预热时间；其缺点是正向阻断电压较低、导通容量较小、电压和电流上升速度较慢等。因此，在包括医用加速器在内的各类电子直线加速器高压脉冲调制系统的主回路上大都采用氢闸流管作为高压开关器件；在低Q电路上，考虑开关功率的大小和开关速度等各种因素，有的采用氢闸流管，也有的采用可控硅。因为我们研究的是高压脉冲调制系统主回路上的高压开关器件，所以下面只讨论高压脉冲调制系统中的主要高压开关器件——氢闸流管。

氢闸流管的基本结构类型

实际应用中的氢闸流管可以分为以下两种类型：三极（triod）氢闸流管和四极（tetrode）氢闸流管。三极氢闸流管主要包括阳极（anode）、阴极（cathode）和一个栅控极（grid）；四极氢闸流管除了阳极（anode）和阴极（cathode）之外，还包括两个栅控极（grid-1、grid-2）。这两类氢闸流管的基本开关原理都是利用氢气在中性气体与等离子导体两种状态之间的相互转换来达到截至与导通的原理而设计的。前者是氢闸流管的基础；后者是为了进一步改善这类氢闸流管的开关特性而设计的。目前，在医用电子直线加速器高压脉冲调制系统上应用的主要是四极氢闸流管。但为了全面理解氢闸流管的基本工作原理与开关特性，下面首先介绍的是三极氢闸流管的基本结构与工作原理；在此基础上再进一步讨论四极氢闸流管的工作特性与基本控制原理。

1．三极氢闸流管　常用三极氢闸流管的主要内部结构原理，见图2-11-23。由图可见，三极氢闸流管主要由阳极、阴极、栅极、氢气发生器和外壳等部分构成。通常，阳极是一种圆盘形平面结构，在圆盘阳极的周围有一圈用钨丝或镍丝而构成的网状隔离罩。阳极的下面是栅极，栅极本身就是带栅孔的网状结构，既能形成控制电位，也能让带电粒子通过。阴极一般是圆筒形结构，采用的是一种旁热式热电子型（thermionic cathode）金属氧化钡材料，它既有良好的导电性能，又有较高的热稳定性，有利于提高阴极的运行寿命；加热阴极用的灯丝一般是钨丝材料，可以置于阴极圆筒内，也可以缠绕在阴极圆筒的外圆上。氢气发生器是一种填有钛氢化合物粉末的小圆筒容器，圆筒容器的侧壁上有孔，内有加热丝，加热时可以释放出氢气，冷却后会自动吸收周围的氢气。氢闸流管的外壳一般是用高强度透明玻璃或陶瓷材料制成，各个电极要从外壳的适当部位引伸出来，然后进行严格的抽真空与密封处理。

图2-11-23　三极氢闸流管结构原理

为了形成导通条件，在进行开关控制之前，必须让氢闸流管的阴极和氢气发生器预热3～5min，通常是将氢气发生器的灯丝与阴极灯丝并联在一起同时通电加热。其目的一方面是让阴极形成电子发射条件，另一方面是为了加热氢气发生器，以便在管内产生所需要的氢气压力。在正常工作条件下，氢闸流管内的氢气压力大约是66Pa（帕斯卡），远远低于标准大气压，所以氢闸流管可以看作是真空器件。

三极氢闸流管的基本开关控制原理，是利用低压氢气不导电的特性作为绝缘介质来保持闸流管截至；需要导通时，通过点火控制可让低压氢气快速转换为等离子体导电介质，这样，就可以让氢闸流管由截至状态迅速转换为导通状态。为了达到这一效果，这种氢闸流管的栅极与阳极之间的距离设计得非常近，一般只有3mm左右；而阴极到栅极和阳极之间的距离相对较远。在点火触发之前，栅极加上负偏压，故阴极不会发射电子，并且此时极间的氢气不导电，所以闸流管不会导通；在阳极加上直流高电压的情况下，如果在栅极上加一个脉冲正电压，那么，在栅极与阴极之间就会形成一个脉冲正电场，于是阴极开始发射电子，这些电子会在栅-阴电场的作用下向栅极加速运动，在运动过程中，这些电子不断与气体分子碰撞，会导致气体分子电离，形成等量的正离子和负离子（电子），这些正离子和负离子又分头向阴极和栅极运动，并继续碰撞气体分子，于是继续产生新的等量正离子和负离子。这样，就会在阴-栅间隙产生“雪崩击穿”效应，于是，绝大部分氢气分子都会转换为等离子体（正、负离子数量完全相等的物质形态），在阴极与栅极之间会形成一个等离子区。在阳极电场的作用下，阴-栅间隙之间等离子区里的电子将得到进一步加速，等离子体中的快速电子会越过栅极，进入阳极-栅极空间，在阳-栅空间电场的加速下，阳-栅间隙也会产生“雪崩击穿”效应，形成阳-栅空间的等离子区，并使阳-栅间隙击穿导通，使外电路的电流以闸流管内的等离子体为导电介质而形成闭合回路。这时，整个闸流管导通，栅极失去控制能力。只有在储能器件（PFN）放电终了，阳极电压不足以维持放电电流时，闸流管的导通过程才会结束。随后，失去电场作用的正负离子会相互结合，重新恢复气体形态，这一过程称为“消电离”效应。“消电离”的结果是将放电时产生的等离子全部恢复为不导电的氢气，这样，氢闸流管会重新恢复到原来的截至状态，这时的栅极才能恢复控制能力，可以准备下一次导通控制。以上就是三极氢闸流的开关控制过程和基本工作原理。

综上所述，三极氢闸流管的基本开关控制原理可以细分为关断期、转换期、导通期和恢复期4个阶段（图2-11-24）。现将4个阶段分述如下。

（1）关断期（voltage hold-off）：关断期又叫做电压保持期，这时的阳极电压最高可以承受十几千伏乃至几十千伏的直流高电压，实际上就是PFN的充电电压。此时，管内氢气保持气体形态，不具备导通条件，与此同时，在栅极加上一定的直流负偏压，进一步限制了闸流管的导通条件，因此，这时的氢闸流管处于关断截至状态。从图形上看，关断期栅极上加的是负偏压；闸流管阳极上加的是PFN的充电电压；阳极电流等于零。

（2）转换期（commutation）：转换期其实就是氢闸流管由关断截至状态到点火导通状态的转换过程，所以也叫做点火期。当撤掉栅极负偏压并加上一个触发正脉冲时，随着栅极脉冲电压的上升，栅极电流也逐渐增加，当栅极电压达到点火电位时，栅极电流显著增大，在闸流管内引起“雪崩击穿”效应，从而引起阳极电流迅速上升，而阳极电压迅速下降，这时的栅极电压也随之迅速下降，随后就会转入导通期。

（3）导通期（conduction）：当转换期结束之后，闸流管就进入了比较稳定的放电导通阶段，这一阶段就叫作导通期。导通期的闸流管，阳极电流可以达到千安培级的最大峰值电流；而这时的阳极电压并不等于零，一般要产生100V左右的电压降，其原因是由于大量的正离子聚集在阴极周围起到一定的屏蔽作用所致。这一过程将伴随着储能器件（PFN）的持续放电而得到维持。由于这时的栅极已经失去了控制作用，所以不能主动关断闸流管。只有当PFN放电结束时，随着PFN脉冲电压的迅速下降，加在闸流管阳极的电压也会同步下降，继而导致闸流管的阳极电流迅速降低，这时的闸流管就转入了关闭恢复期。

图2-11-24　三极氢闸流管开关原理

A．曲线表示栅极的触发脉冲电压波形；B．曲线表示阳极电压波形；C．中的实线表示阳极电流波形（IA），虚线表示栅极电流波形（ig）

（4）恢复期（recovery）：导通期结束后，由于氢闸流管阳极电压的降低，管内的等离子体就逐渐失去了电场的作用，正离子和负离子（电子）会相互结合，重新恢复为电中性的氢气分子，这就是所谓的“消电离”时间，这一过程的持续时间大约是7μs；而阳极与栅极之间等离子体的恢复时间要长一些。在正常情况下，闸流管大约需要20μs的恢复期。如果在恢复期让闸流管承受一定的负电压，则有利于缩短氢闸流管的“消电离”时间，即可以缩短闸流管的恢复期，所以，从这个角度上来讲，希望PFN的放电脉冲回路应该有一个“适当的负失配”。恢复之后的闸流管就为下一次的脉冲周期做好了开关准备。可见，恢复期也是闸流管的一个重要阶段。

另外，理论和实践都证明，等离子体的“消电离”时间与气体的扩散系数成正比，气体越轻，消电离时间越短，从这个角度来讲，氢气当然是闸流管的最佳填充气体，所以，氢闸流管是目前最佳的高压脉冲开关器件。

2．四极氢闸流管　四极氢闸流管是为了进一步缩短点火导通时间（转换期）与灭火复原时间（恢复期）而专门设计的高压高频脉冲开关器件。

四极氢闸流管的基本结构原理与开关控制原理，见图2-11-25。

前面已经谈到，四极氢闸流管与三极氢闸流管的内部结构和基本工作原理基本上是一样的，主要区别在于四极氢闸流管设置了2个栅极，而三极氢闸流管只有一个栅极（grid）。由图2-11-25可见，四极氢闸流管的第二栅极（grid　2）占据的是三极氢闸流管中栅极的位置，离阳极很近，所以第二栅极（grid　2）的作用相当于三极氢闸流管的栅极（grid）作用，因而在点火触发之前要加上负偏压；第一栅极（grid　1）位于阴极与第二栅极（grid　2）之间，是一个附加的控制栅极，点火之前处于阴极电位（0电位）。

图2-11-25　四极氢闸流管的基本结构与控制原理

A．是其内部结构原理图（图中未画氢气发生器）；B．是基本控制原理与栅极控制波形原理图

观察图2-11-25中B所示两个栅极的触发脉冲波形可见，当需要控制导通时，四极氢闸流管的第一栅极先触发，第二栅极则延迟触发，延迟时间不小于0．5μs，一般控制在0．5～1μs。与第二栅极相比，第一栅极的脉冲较宽，但脉冲幅度较低。由此可知，第二栅极是主触发栅极，第一栅极则是辅助触发栅极。通过第一栅极的辅助触发作用，可以有效缩短转换期，即可以进一步缩短氢闸流管由截止到导通的转换时间，控制原理说明如下。

在四极氢闸流管的关断期，阳极（Anode）承受的是十几千伏乃至几十千伏的PFN充电电压。此时，在第二栅极上加了一定的直流负偏压，与三极氢闸流管一样，此时的四极氢闸流管保持截至状态，由于第一栅极的屏蔽作用，更增加了截至保险系数，这时的闸流管不导通。当需要控制导通时，就提前给第一栅极加上一个脉冲正电压，此时的第一栅极与阴极之间的空隙就会形成一个脉冲正电场，于是阴极开始发射电子，这些电子会在电场的作用下向第一栅极加速运动，由于“雪崩击穿”效应，会在阴极与第一栅极之间率先形成一个“等离子区”。不难理解，如果此时将第二栅极的负偏压立即转换为更高幅度的直流正脉冲，那么，在第一栅极与第二栅极之间也就形成了一个脉冲正电场，于是，第一栅极与第二栅极之间立即由截至变为导通并因雪崩击穿效应而形成新的“等离子区”；继而第二栅极与阳极之间也立即形成“等离子区”，这样，可使阳-栅间隙全线击穿导通。由于Grid　1的预先脉冲，赢得了宝贵的雪崩击穿时间，所以四极氢闸流管的转换期要比三极氢闸流管短得多，更适合于高压高频开关环境。因此，在现代医用电子直线加速器中，广泛应用的是四极氢闸流管。四极氢闸流管的其他开关过程与三级氢闸流管基本一样，这里不再赘述。