閘流管

氫閘流管（hydrogen thyratron）是直線加速器中調製器常用的電子開關元件，用來控制儲能元件向負載釋放能量，是加速器脈衝調製器的關鍵部件，它具有功率大、體積小、效率高、點火穩定、關斷快、重複頻率高等優點。

氫閘流管由陽極、陰極、柵極和管殼組成。陽極和柵極要求具有良好的導電性能、導熱性能、耐高壓、熔點高和抗濺散等特性。陰極採用旁熱式氧化物陰極，其外面是加熱燈絲。氫閘流管的管殼有玻璃、陶瓷和金屬幾種。氫閘流管內還裝有氫氣發生器，它是一個金屬管殼，管壁有孔，裏面有加熱絲，並充滿鈦氫化合物粉末。當加熱時，鈦氫化合物粉末就分解釋放出一定量的氫氣，並從孔隙擴散到閘流管內的空間，當温度冷卻後，氫氣經過孔隙又被吸回去並形成鈦氫化合物。 ^[1] 

氫閘流管的工作過程是一種低氣壓氣體由隔離高電壓狀態轉變為高導電狀態的過程。如果在閘流管的陰陽極間加上額定的工作電壓，在沒有加上觸發脈衝之前，管子是截止的，處於斷開狀態。陰極燈絲和氫發生器的熱絲預熱數分鐘，陰極熱發射的電子儲存在柵陰間，一旦加上觸發脈衝，管子就開始工作，轉為閉合狀態。整個過程可分為三個階段。

第一階段是柵極放電點火階段。當柵極加上觸發脈衝後，在到達氣體電離電壓之前，柵極電流隨着柵極電壓的增加而逐漸增加。當柵極電壓到達氣體電離電壓時，柵陰空間開始發生電離，電離程度隨柵極電壓增大而增加，柵極電流不斷增大。當柵極電流增加至點火電流時，柵極開始點火，柵極電流顯著增大，柵極電壓迅速下降，柵陰空間開始放電，並形成等離子體。

第二階段是放電由柵極向陽極發展階段。隨着柵極電流的繼續增大，柵陰空間的等離子體濃度迅速增加並開始擴散。擴散到柵孔附近的電子在陽極電場的作用下穿過柵孔向陽極運動，並使柵極和陽極之間的氣體電離，陽極迴路出現放電前的電流，並隨柵極電流的增加而增加。當柵極電流達到啓動電流時，陽極電流開始上升。當陽極電流達到點火電流時，放電就由柵極發展到陽極。

第三階段是陽極到陰極的電弧放電階段或叫擊穿階段。柵陽空間放電後，陽極電壓迅速下降，電流急劇增大，閘流管進入擊穿導通狀態。這時管壓降只有幾十至幾百伏。在擊穿階段結束後，閘流管進入穩定的放電階段。只要陽極電壓保持大於導通時的管電壓，閘流管將繼續維持電弧放電，處於閉合狀態。整個過程中柵極電壓、陽極電壓和陽極電流的變化如圖1所示。 ^[1] 

氫閘流管是加速器一種較貴的消耗性元件，為穩定、安全和長期的工作，必須正確的使用和維護。

1、預熱要充分，燈絲電壓要穩定。閘流管必須維持一定的陰極温度和氣壓才能正常工作，一般要求預熱十幾分鍾才能加上陽極電壓。燈絲電壓決定陰極温度和氣壓。如果温度過低，一方面引起陰極發射不足，另一方面引起管內氣壓太低，以至等離子體濃度不夠，導通不良，限制了電流的上升速率，管壓降增大，二次發射嚴重，可能造成濺散和打火，破壞陰極。如果温度太高，一方面使氧化物陰極發生還原作用，縮短壽命，另一方面引起管內氣壓太高，造成恢復時間延長，關斷能力差，甚至產生連續放電，引起調製器跳閘。陰極過熱和濺散，破壞性很大。一般要求燈絲電壓的變動範圍不能超過額定值的5%。

2、閘流管的打火連通現象

閘流管在未被觸發之前，承受額定的工作電壓，不應出現打火連通現象，否則應考慮閘流管的耐壓性能變差、氣壓偏高，應及時檢查。若在放電導通之後出現打火連通現象，可從磁控管或速調管打火、內阻增大造成失配、閘流管氣壓偏高、恢復速度變慢或電路故障等方面考慮。

3、閘流管不能啓動

閘流管的擊穿過程分為三個階段，如果這三個過程不能順利進行，閘流管就不能啓動工作。原因可分為兩種情況：一是柵極不能點火放電，可能是閘流管燈絲不工作或陰極發射性能變壞或觸發電路故障。另一種情況是柵極已經點火放電，但整個管子不能過渡，這可能是由於柵極電流沒能達到陽極點火電流，放電不能從柵極發展到陽極。

4、閘流管的安裝、使用和放置的方式應保持豎直或橫向狀態，不可倒置，倒置後可能使氧化物陰極的粉末進入柵陽空間，使管子不能正常工作，甚至出現打火或損壞現象。對備用管不能存放時間太長，一般半年至一年後使用一次。 ^[1] 

由於電子直線加速器在治療惡性腫瘤中的重要作用，我國大陸地區的醫院安裝大約有上千台各類加速器。這些加速器均要採用線型脈衝調製器來為磁控管或速調管提供脈衝高壓。在脈衝調製器中，其關鍵部件之一-開關器件幾乎都採用氫閘流管。氫閘流管是一種氣體放電開關器件，具有功率大、體積小、點火時間穩定、消電離速度快、管壓降低、正向阻斷電壓高，電流電壓上升速率允許值高、使用方便等優點。閘流管是加速器的主要消耗器件之一，價值較高，也較易損壞。因此，正確使用閘流管不僅可以延長其壽命，而且可以保證加速器穩定工作，減少加速器運行費用，提高加速器的使用率。

1、閘流管預熱時間要充分

閘流管正常工作的必要條件是一定的陰極工作温度和管內維持一定的工作壓力。因此，陰極和氫氣發生器均必須預熱3～5分鐘，才能加上陽極電壓，否則由於陰極温度過低，造成電子發射不足，閘流管陽極和陰極之間壓降過大，強烈的正離子轟擊陰極表面，同時產生濺散並造成管內打火，從而縮短閘流管的壽命。

2、燈絲電壓要穩定，注意防止欠壓工作

閘流管的燈絲電壓決定陰極的温度，温度過高，燈絲氧化物會發生還原作用，燈絲壽命縮短；温度過低，陰極發射能力不足。另一方面，閘流管中的氫氣發生器的熱絲與燈絲是並聯供電的，燈絲電壓不穩引起管內氫氣壓強變化，使點火不穩，有時甚至不能觸發。燈絲欠壓工作，會造成管內氣壓偏低，以致等離子體濃度不夠，限制了陽極電流上升速率，增大管壓降，嚴重時，引起陰極過熱和濺散，陽極呈紅熱，管子損耗加大，其破壞性很大。管內氣壓過高，恢復時間長，關斷能力變差，連續放電，引起調製器過流跳閘。

3、閘流管的工作範圍調整

由於環境條件的差異和閘流管在工作中氣體會不斷被清除，在加速器上調整工作範圍，選取最佳工作點有利於提高閘流管的工作穩定性和延長使用壽命。調整方法是提高或降低氫發生器熱絲電壓（其變動範圍應不超過額定值的5%），每次上調0.2伏直至調製器不出現過流的最高氫發生器熱絲電壓，此點為工作範圍上限，然後下調0.6～1伏為最佳工作點。下限一般不能輕易測試，因為容易破壞閘流管。

4、注意管子的損耗

直接影響管子損耗的因素有：閘流管的脈衝觸發電流、脈衝寬度和陽極電流上升速率。對於已確定的電路，管子損耗近似正比於陽極電壓的平方。管子損耗過大，陽極會因過熱而發紅，降低管子的壽命。調製器內的D-Q電路是箝位仿真線充電電壓，也就是閘流管的陽極電壓，D-Q電路易發生故障，其長時間不工作，不僅易損壞閘流管，也易損壞仿真線。 ^[2]