闸流管

闸流管是一种充有气体的三极管或多极管。它们是在管泡内抽去空气以后又充入一定气压的惰性气体、氢气或汞蒸汽而制成的。图1示出了阐流管的符号，加阴影线或加点表示充有气体。由于闸流管有良好的控制性能，并且管压降很小，因此它被广泛地应用在计算技术、自动控制和高压大功率整流设备中。本文将着重讨论阐流管的基本工作原理，并介绍几种具有不同用途的闸流管。

为了说明闸流管的原理，我们先来谈谈热阴极充气二极管。热阴极充气二极管有两个电极——屏极（阳极）和阴极。阴极发射的电子受屏极正电场吸引，向屏极运动。如果屏压足够高，这些电子在运动过程中就能获得很大的动能。它们碰到管内气体分子或原子上时，就能够从这些分子或原子中打出一个或几个电子来，使这些气体分子或原子变成正离子，这就是所谓的“碰撞电离”。被打出来的新电子还能继续电离其他分子或原子。这样，管内就产生了连锁反应式的电离发展过程，使管内电极间一瞬间就形成了许多电子和正离子，于是本来不导电的气体在一瞬间就变成了良好的导体，管内流过电流，发出亮光，这时热阴极充气二极管就点火了。能使充气二极管点火的最低屏压，叫做点火电压。管子点火后， 由于内阻减小，所以管端电压下降到某一称为燃烧电压的固定数值（固定管压降），而管流的大小则决定于外电路中的限流电阻。只有当外加电压降低到燃烧电压以下时，管子才会熄灭，停止导电。

闸流管和充气二极管的区别，仅仅在于它比充气二极管多了一个控制栅极。但是，由于控制栅极的加入，它的点火特性就不像充气二极管那样只决定于屏压，而是决定于屏压和栅压的共同作用了。

设闸流管的屏压已为相当高的正值，在没有栅极的情况下已足以使管子点火。但是，假如栅压很负，则屏极正电场将作用不到阴极附近，阴极发射的电子就不能穿过栅孔而到达屏极，因此管子仍不能点火，屏流为零。逐渐减小栅压的负值，当它小到某一数值时，阴极发射的电子开始能大量地穿过栅孔并且引起充分电离，于是管子点火，电流突然增大。在一定的屏压下，能使管子开始点火的栅压有一个相应的数值，称为临界点火栅压（U\(_{g点}\)）。很明显，屏压高时，相应的Ug点数值（负值）就大一些，屏压低时，U\(_{g点}\)数值就小一些。这种对应关系可用图2的闸流管点火特性曲线来表示。例如，从曲线上可以看到，当屏压为200伏时，临界点火栅压是-2伏，栅压必须高于-2伏才能使管子点火。反过来说，如果栅压为-2伏，那么，屏压必须高于200伏才能使管子点火。由此可见，对应于某一栅压，也有一个临界点火屏压。图2的曲线综合地说明了这两种情况。曲线右上方部分所对应的是能使管子点火的栅压、屏压值；左下方则对应着不能使管子点火的栅压、屏压值。

闸流管点火后，栅压就失去了控制屏流的作用。屏流的大小只决定于电源电压E\(_{a}\)和屏极电路中所接限流电阻的数值，而和栅压没有关系。这种情况可以由图3来说明。在一定的屏压下，当栅压低于Ug点时，管子不点火，屏流很微小，接近于零。一旦栅压达到U\(_{g点}\)时，管子点火，屏流突然增加到Ia。以后栅压无论向正的或负的方向变化，都不能改变屏流的大小，电流一直保持为I\(_{a}\)。和充气二极管的情况一样，只有当外加屏压降低到能维持管子燃烧的管压降以下时，管子才能熄灭，屏流下降到零。由此可见，闸流管栅极的控制作用，和普通电子管连续控制屏流的特性完全不同。它只能控制管子的点火，使管子导电，或者说它只能起一个相当于开关“合闸”的作用。至于“拉闸”使屏流为零，它就无能为力了。但是应当指出，这个开关是很灵敏的。当栅压比Ug点为负但很接近于U\(_{g点}\)时，只要栅压稍微升高一点，就能使屏流发生很大的变化，从零上升到图3中的Ia（这个I\(_{a}\)可达几安培、几十安培，比电子管的屏流要大很多）。

为什么闸流管有这样奇怪的栅控特性呢？因为管子点火后，在电极间就形成大量的正离子，栅极附近的正离子将栅极包围起来，形成了一个正离子套（参看图4）。这个正离子套把栅极负电场完全屏蔽起来（栅极的电力线终止在正离子套上），改变栅极电压并不能改变正离子套外边空间的电场，因此使栅压失去了控制电流的作用。这时闸流管的导电情况就和一个充气二极管一样。应当说明一点，围绕栅极的正离子套中的离子并非保持不动，而是不断地跑到栅极上去，与栅极电路的电子中和，因而产生栅流。为了限制栅流，在栅路中必须接入限流电阻。

闸流管在实际使用时，工作条件不会是完全相同的，如负载电流的改变，环境温度的变化，都会使管内温度发生变化，因而又引起管内气压的变化。气压是直接与点火电压有关的，因此虽然在相同的屏压下，但是由于工作温度不同，就会有不同的点火电压。如图5所示，对应于闸流管给定的工作电压U\(_{a1}\)，栅极点火电压不一定是Ug1，而是U\(_{g1}\)和Ug1+△U\(_{g}\)之间的某一数值，于是点火曲线展开成了“点火带”。这样，栅极电压就不能准确地控制闸流管的点火，这在自动控制设备里是不允许的。因此作为控制用的闸流管，必须设计得使△Ug尽量地小（使“点火带”尽量地窄），同时在使用时也必须严格按照手册中所规定的条件。

当屏压降低到维持闸流管燃烧所需的管压降以下时，管子就会熄灭。但是管子灭火后，栅极并不能立即恢复其控制作用，还需要经过一段消电离时间（一般为几十微秒）。经过这段时间以后，管泡里的正离子才能全部获得电子而呈中性,栅极周围的正离子套才被消除。栅控恢复时间限制了闸流管的频率使用范围，一般闸流管的工作频率为几百赫到几千赫，充氢气的闸流管使用频率可以高些，但目前也很难超过30千赫。

充水银闸流管。充水银闸流管目前被广泛应用在广播电台发信机、高频感应电炉和其他可控的高压大功率整流设备中。整流设备要求管子有大的输出功率和小的功率损耗，因此这样的管子必须具备以下的特点：阴极能发射强大的电流；屏阴极间能耐高的顺向和反向电压；管子点火后屏阴极间的管压降要低。下面以ZG1—6／15（TP1一6／15）型闸流管为例来说明如何满足这些要求（型号的意义: Z——闸流管，G——充水银，1——表示类型序号的数字，6/15——管子的屏流平均值为6安，能承受的最大反向电压为15千伏）。由于管内充入水银，而水银蒸汽的电离电位很低（为10.4伏），因此管子点火后管压降就低，管子本身的损耗小, 这就提高了整流效率。为了能发射大的电流，除阴极的发射面积做得很大以外，在阴极外边还套有一层圆筒形的热屏，以减少阴极热量的辐射损失，从而提高阴极发射效率（在每瓦灯丝加热功率下阴极所能发射的电流），这种阴极称为保热式阴极。为了使屏阴极间能耐高的顺向和反向电压,除在结构上采取适当的措施以外, 在使用时也必须将周围环境的温度严格控制在一定范围之内，因此在使用时都采用了强迫冷却设备。

充惰气闸流管。下面以 ZQ1—0.1／1.3（TΓ1— 0.1／1.3) 型闸流管为例来说明充有惰性气体的闸流管的特点（Q代表充气，其他符号的意义和充水银管的相同）。这种闸流管多用在控制系统中，因此要求它有准确灵敏的控制性能和较高的工作频率。

管内充惰气的原因有二：一，惰性气体的物理化学性能都不活泼，不容易被管泡和电极吸收，保证了管子的寿命。二，和水银蒸汽比较，惰性气体的压强随温度变化不大，这就保证了管子有较窄的点火带，增加了栅控特性的准确性。另外，惰性气体的电离电位也比较低，因此管子在点火后管压降也不高。

前面谈到，消电离时间限制了管子的使用频率。为了缩短消电离时间，这种管子除有屏极、阴极和控制栅极以外，还有一个与阴极同电位的屏蔽栅极。它是一个长方形的盒子，将所有电极都包围起来。由于屏蔽栅极的面积很大，因而在管子熄灭后，正离子能很快地跑到它上面去与电子复合，缩短了消电离时间，提高了管子的使用频率。假如把屏栅与阴极绝缘，单独引出，就变成了双栅闸流管，当在双栅闸流管的屏栅上加不同的电压时，点火特性就跟着移动，扩大了闸流管的控制范围。

充氢气闸流管。在雷达设备中，要求一种高屏极电压（几十千伏）、大电流脉冲（在十分之几到几个微秒内流过几十到几千安）、较小的平均电流（几到几百毫安）、能工作于高频率的电子器件。为了满足这些要求，作成了充氢气闸流管——脉冲闸流管。这种闸流管实际上也是一种控制用的闸流管，如ZQM1—400／3.5型闸流管便是（M是脉冲的意思，400在脉冲闸流管中表示脉冲电流的最大值而不是平均值）。由于管内充入了氢气，氢气分子的质量比水银蒸汽以及惰性气体小得多，因而容易扩散，这就缩短了消电离时间，提高了阐流管的工作频率。并且因为氢气分子的质量小，因而减弱了氢气正离子对氧化物阴极的轰击，从而可提高管子的屏压。另外，为了达到所要求的技术指标，充氢气闸流管在结构上还做了一些特殊安排。例如，为了使点火过程快而稳定，把管子作成具有正栅特性，即栅压为正值时管子才能点火。

冷阴极闸流管。前边谈到的都是热阴极闸流管，另外还有一种冷阴极闸流管，这种闸流管的栅极控制作用和热阴极闸流管是一样的，但是，由于它没有用来加热阴极的灯丝，因而电子发射方式就不同了。

自然界中存在着宇宙射线，它使闸流管内一小部分气体电离，因而产生了初始的电子和正离子。当管子的屏压足够高时，正离子在向阴极移动的过程中将获得足够大的动能，它们撞到阴极上，使阴极发射出二次电子。二次电子进一步使气体电离，产生更多的正离子，从而又从阴极撞出更多的二次电子。这样管内放电现象就能不依靠外界电离源而继续维持下去，形成了“自持放电”。

冷阴极闸流管的点火电压较高，当栅极上不加任何电压时，屏极点火电压需要几百伏，但是在管子导电以后，维持导电的管压降却大大低于这个数值。通常使用时，管子屏极所加电压都低于零栅压时的点火电压数值，只有在栅极上加以适当的正电压脉冲，管子才能点火。由此可见，冷阴极闸流管是在正栅压时开始点火的，所以它是正栅控制的闸流管。Z—2（TX——2）型闸流管是冷阴极闸流管的一例。

冷阴极闸流管由于没有灯丝，和热阴极闸流管比较起来具有很多优点：①节省了灯线电源消耗，这在大量使用电子控制元件的电子计算机和计数器中意义很大；②不需要灯丝预热时间，管子随时可以工作；③管子不工作时没有损耗，因此寿命很长；④结构简单，体积小，成本低。冷阴极闸流管的一个主要缺点是消电管时间长，工作频率不高，这就限制了它的使用范围。目前，它在自动控制、遥测，遥控以及计算设备里应用较多。（唐立森）