Принцип действия, устройство и виды газоразрядных приборов

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРАХ

Газоразрядными (ионными) называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах металла. Конструктивно газоразрядные приборы представляют систему электродов, помещенных в баллон, заполненный инертным газом (неоном, криптоном, аргоном), водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне составляет от 10 –1 до 10 3 Па.

Существуют газоразрядные приборы тлеющего разряда с холодным катодом (декатроны, газоразрядные индикаторы), дугового разряда — с накаливаемым катодом (газотроны, тиратроны, таситроны), ртутным катодом (ртутные вентили), искрового разряда (тригатроны), коронного разряда (стабилитроны) и др. Отдeльную группу газоразрядных приборов составляют газоразрядные лампы, газовые лазеры и т. д.

Каким же образом вызывается и для чего служит электрический разряд в газе? Рассмотрим гипотетическую модель газоразрядного прибора (рис. 1), состоящую из 2-х параллельных пластин, расположенных в баллоне, наполненном инертным газом.

К этим пластинам через резистор R a с большим сопротивлением подводится напряжение от источника питания Е И.П.. Одну из пластин, к которой подключен отрицательный полюс источника питания, условно назовем катодом «–», другую — анодом («+»).

Повышая напряжение источника питания Е И.П., будем наблюдать, как изменяется ток i а и напряжение между электродами u а.

Если Е И.П. = 0, то в разрядном промежутке между катодом и анодом существует небольшое число свободных электронов и ионов, возникших в результате внешней ионизации газа световым потоком, космическим излучением и другими воздействиями.

Электроны и положительные ионы совершают беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединяться, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Процессы ионизации и рекомбинации находятся в динамическом равновесии, поэтому число электронов и ионов сохраняется неизменным.

При увеличении напряжения Е И.П. между электродами возникнет электрическое поле, под действием которого положительные ионы начнут перемещаться к катоду, а свободные электроны — к аноду, то есть в разрядном промежутке, а следовательно, и во внешней цепи возникнет незначительный электрический ток. Пока напряжение Е И.П. невелико, этот ток мал и не создает значительного падения напряжения на резисторе R a, поэтому можно считать, что

Зависимость тока от напряжения показана на рис. 2.

При малых значениях u а ток обусловлен носителями заряда, возникшими в результате внешней ионизации, и практически сохраняется неизменным (участок А).

По мере увеличения напряжения Е И.П. возрастает скорость движения электронов и ионов, соответственно увеличивается их кинетическая энергия.

При движении электронов к аноду они сталкиваются с атомами газа.

При небольшой скорости эти столкновения являются упругими, и величина энергии сталкивающихся частиц не изменяется.

При определенной скорости соударения становятся неупругими.

В результате таких столкновений электроны атома могут перейти на более высокие энергетические уровни, то есть происходит возбуждение атома.

Возбужденное состояние атома длится от 10 –7 до 10 –9 с, после чего электрон возвращается на исходный энергетический уровень, испуская квант энергии излучения. При незначительном числе столкновений свечение газа незаметно. При достаточно большой скорости электронов происходит отделение электронов от атомов, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны, двигаясь к аноду, совершают новые ионизации, а ионы перемещаются к катоду и выбивают из него вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также совершают новые ионизации и т. д. Вследствие этого происходит резкое увеличение носителей заряда и повышение силы тока (участок АВ на рис. 2 а).

Процесс образования новых электронов и ионов в результате столкновений с атомами газа называется объемной ионизацией газа и оценивается коэффициентом объемной ионизации а, который показывает, какое количество ионизации совершает один электрон на пути длиной в 1 см. Количество выбиваемых из катода электронов оценивается коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый электрон, проходя от катода до анода путь длиной r к-а, совершает αr к-а ионизации, а количество электронов, попадающих на анод при выходе из катода одного электрона, оказывается равным ехр (αr к-а). Если из катода в единицу времени выходит N0 электронов, созданных внешней ионизацией, то на анод в результате размножения попадает N 0 exp(αr к-а) электронов. Число ионов, образующихся при объемной ионизации, равно N 0 [exp(αr к-а) –l ], а число выбиваемых из катода электронов — σ · N 0 [exp(αrк-а) –l ], где: σ — коэффициент вторичной электронной эмиссии.

Пока количество вторичных электронов, выбиваемых из катода, меньше количества электронов, созданных внешней ионизацией, разряд является несамостоятельным, то есть зависящим от внешней ионизации. При прекращении внешней ионизации разряд прекращается. При некоторой величине Uз, называемой напряжением зажигания, каждый электрон, выбитый из катода, создает на своем пути к аноду столько электронов, сколько необходимо для выбивания нового электрона.

В этом случае разряд становится самостоятельным, то есть он может существовать независимо от внешнего источника ионизации. После наступления самостоятельного разряда (точка В на рис. 2 а) наступает лавинообразное увеличение числа носителей заряда, и ток резко возрастает.

Однако рост тока ограничивается резистором R, на котором по мере роста тока возрастает падение напряжения и, соответственно, снижается напряжение Ua. Величина этого напряжения самопроизвольно устанавливается такой, чтобы в процессе ионизации создавалось требуемое для получения заданного тока количество носителей заряда, то есть разность потенциалов между электродами ионного прибора зависит от состояния ионизированного газа. В связи с этим целесообразно рассмотреть зависимость напряжения от тока (рис. 2 б).

Область ВС на рис. 2 б называется областью темного самостоятельного разряда. Электрическое поле в этой области создается в основном зарядами на электродах, пространственный заряд пренебрежимо мал и распределение потенциала между катодом и анодом близко к линейному. По мере роста тока возрастает объемный заряд, и поле искажается. У катода скапливается большое число ионов, поэтому можно считать, что практически все приложенное напряжение падает в узкой области вблизи катода, называемой областью катодного падения напряжения (рис. 3).

Область разряда с почти неизменным потенциалом носит название положительного столба. Электроны ускоряются в области катодного падения напряжения, поэтому там и происходит основная ионизация. Интенсивность ионизации в этой области больше первоначальной, поэтому напряжение, при котором поддерживается разряд, с ростом тока снижается.

В точке С наступает тлеющий разряд, отличительной особенностью которого является свечение газа, напоминающее свечение тлеющих углей. Этот разряд бывает 3-х видов: поднормальный, нормальный и аномальный.

Поднормальный тлеющий разряд (участок CD на рис. 2 б) характеризуется уменьшением напряжения, при котором поддерживается разряд при увеличении тока, и шнурованием (стягиванием) разряда. Шнурование обусловлено тем, что с ростом тока сужается область катодного падения напряжения.

Она становится столь узкой, что начинают сказываться шероховатости поверхности катода, в результате чего появляются локальные участки, в пределах которых напряженность поля оказывается более высокой. Поэтому на этих участках ионизация возрастает, что приводит, как отмечено ранее, к снижению напряжения, в результате чего на тех участках, где напряженность поля более низкая, разряд прекращается.

Чем больше ток, тем меньше область, охваченная ионизацией.

Процесс «шнурования» разряда, когда разряд не заполняет равномерно все пространство между электродами, а на отдельных участках извивается в виде змейки, происходит до тех пор, пока область катодного падения напряжения не станет столь узкой, что электроны окажутся неспособными создать требуемое количество ионов, необходимое для выбивания новых электронов на смену ушедшим. Поэтому дальнейший рост тока становится возможным лишь при увеличении поверхности катода, охваченной ионизацией. Наступает область нормального тлеющего разряда (участок DE на рис. 2 б). После того как вся поверхность катода окажется охваченной ионизацией, для увеличения тока потребуются дополнительные носители заряда, возникновение которых возможно при увеличении напряжения.

Такой разряд (область EF на рис. 2 б) называется аномальным тлеющим разрядом.

Увеличение напряжения на ионном приборе, работающем в режиме аномального тлеющего разряда, ведет к увеличению интенсивности бомбардировки катода ионами, в результате чего на поверхности катода возникает термоэлектронная эмиссия.

Кроме того, ионы, находясь очень близко к поверхности катода, создают сильное электрическое поле, вызывающее электростатическую эмиссию.

Поэтому число электронов в приборе резко увеличивается, их объемный заряд компенсирует положительный объемный заряд ионов, и напряжение на приборе уменьшается (участок FG на рис. 2 б), наступает дуговой разряд.

Уменьшение напряжения сопровождается «шнурованием» разряда и образованием ярко светящегося катодного пятна. «Шнурование» продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, равной 10–20 В, необходимой для поддержания эмиссии электронов. Дальнейшее увеличение тока (участок GH на рис. 2 б) происходит за счет расширения области, охваченной электронной эмиссией.

ВИДЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ

1. Газотрон (или газотронный вентиль) представляет собой 2-электродный газоразрядный прибор, работающий в режиме несамостоятельного дугового разряда.

Если электровакуумные диоды рассчитаны на работу при сравнительно небольших токах, измеряемых единицами или десятками миллиампер, а применение полупроводниковых диодов, способных работать при больших токах, ограничено пробивным напряжением в несколько киловольт, то газотрон может работать при токах в сотни ампер и обратных напряжениях в десятки киловольт.

Катод газотрона подогревается от постороннего источника и обеспечивает термоэмиссию электронов. Материалом для катода служит тугоплавкий металл (обычно вольфрам), который активируют барием или цезием. Анод изготовляют из металла или графита.

Электроды размещаются в баллоне, заполненном инертным газом или парами ртути. Под действием напряжения, приложенного в проводящем направлении, эмиттированные электроны разгоняются и приобретают энергию, необходимую для ионизации молекул газа. Термоэлектронная эмиссия катода обеспечивает газотрону одностороннюю проводимость: при прямом включении прибора, когда плюс источника напряжения подводят к аноду, а минус — к катоду, эмиттированные электроны устремляются к аноду, и в цепи возникает ток.

При обратной полярности ток отсутствует, так как анод не подогревается и электронов не излучает. Попадая на катод, ионы выбивают вторичные электроны.

Резкое возрастание ионного тока может привести к разрушению оксидного слоя катода. Чтобы не допустить роста тока выше определенного расчетного значения и предохранить катод от разрушения, последовательно с газотроном включают ограничительное сопротивление (иногда его роль может выполнять внутреннее сопротивление источника питания).

Падение напряжения в проводящем газотроне мало зависит от тока и составляет около 10 В. Основная область применения газотронов — выпрямление переменных токов в высоковольтных цепях. Срок службы газотронных вентилей с ртутным наполнением достигает 5000 ч. Относительно малое падение напряжения в проводящем направлении (сотые доли процента от выпрямляемого напряжения) и очень малые обратные токи делают эти приборы весьма экономичными.

В схемах 2-полупериодного выпрямления удобно применять сдвоенные газотроны, у которых в одном баллоне размещается 2 анода и 2 катода.

Существенным недостатком мощных газотронов является большая тепловая инерция, выражающаяся в том, что для разогревания катода до рабочей температуры требуется около 30 мин.

2. Тиратрон является ионным прибором с 3-мя или 4-мя электродами.

Моментом зажигания тиратрона можно управлять.

Различают тиратроны с нагреваемым катодом (несамостоятельным дуговым разрядом) и с холодным катодом (работающие в режиме самостоятельного тлеющего разряда).

В баллоне, заполненном разреженным инертным газом, размещают анод, катод и управляющий электрод. Анод и сетку изготовляют из никеля. Нагревание вольфрамового катода, активированного барием, цезием или их оксидами, производится постоянным или переменным током. В последнем случае применяют катод косвенного накала, обладающий достаточной тепловой инерцией, чтобы исключить колебания плотности пучка эмиттированных электронов.

Тепловой экран в виде закрытого цилиндра с отверстием в торце уменьшает потери теплоты катодом и направляет электроны к аноду через отверстия в управляющем электроде (сетке).

Пусть к аноду тиратрона подведено положительное напряжение, значение которого превышает напряжение зажигания дугового разряда.

На сетку подано отрицательное напряжение, создающее потенциальный барьер, непреодолимый для эмиттировавших из катода электронов. В таком состоянии тиратрон погашен, анодный ток равен нулю. При подаче на сетку управляющего сигнала, компенсирующего отрицательный потенциал, электроны устремляются от катода к аноду, ионизируя по пути молекулы газа.

Вспыхивает дуговой разряд, ток которого практически ограничивается только сопротивлением нагрузки в цепи анода. Возрастание тока от нуля до номинального значения происходит очень быстро, за 10–8 с. Таким образом, с помощью управляющего электрода можно регулировать момент зажигания тиратрона.

Если снова подать на сетку отрицательное напряжение, то это никак не повлияет на ток дугового разряда, так как положительные ионы газа притягиваются к сетке, компенсируя ее отрицательный потенциал. Чтобы погасить тиратрон, надо выключить анодное напряжение.

Для варианта тиратрона с холодным катодом катод в виде полого цилиндра из никеля активирован внутри цезием. Малая работа выхода и большая излучающая поверхность обеспечивают необходимое количество эмиттированных электронов. Анодом служит цилиндрический стержень из молибдена. Управляющий электрод в виде шайбы размещен у торца анода.

В исходном положении (тиратрон погашен, анодный ток равен нулю) на анод подано положительное напряжение, меньшее напряжения зажигания, но превышающее напряжение горения.

Если подать на управляющий электрод положительный импульс напряжения, вспыхивает тлеющий разряд, обеспечивающий протекание анодного тока. Для гашения такого типа тиратрона также надо выключить анодное напряжение.

Чтобы улучшить характеристику зажигания тиратрона и снизить импульс тока управляющего электрода, можно ввести дополнительный (4-й) электрод, к которому подводится часть анодного напряжения. Тиратроны используют как преобразователи тока (выпрямители и инверторы), а также как бесконтактные реле в схемах автоматики, управления, защиты.

3. Стабилитрон представляет собой 2-электродную газонаполненную лампу тлеющего разряда с холодным катодом. Катод в виде полого цилиндра изготовляют из никеля, внутреннюю поверхность катода активируют.

Анод в форме стержня устанавливают по оси катода. К катоду приваривается проволочка, свободный конец которой размещается возле анода, не касаясь его. Эта проволочка инициирует процесс разряда и называется поджигающим электродом.

Напряжение стабилизации такой лампы составляет порядка 150 В. Рабочий участок характеризуют дифференциальным сопротивлением Rс = Uс/Iс, значения которого обычно составляют около 200 Ом.

4. Газосветные сигнальные лампы работают в режиме тлеющего разряда.

В баллоне, заполненном газом (обычно неоном), размещают 2 электрода цилиндрической формы. Внешний полый цилиндр служит катодом, внутренний, расположенный по оси внешнего, — анодом.

При наличии на электродах постоянного напряжения возникает тлеющий разряд, а околокатодное пространство светится красным светом.

Для изменения светового оттенка к неону добавляют другие газы: гелий или аргон.

Сигнальные лампы для работы в цепях переменного тока изготавливают с одинаковыми электродами в виде дисков. Тогда по окончании каждого полупериода напряжения анод и катод как бы меняются местами, и при очень высоких частотах электроны, не успевая пройти межэлектродное расстояние, начинают совершать колебательные движения, ионизуя молекулы газа. Одновременно идет процесс рекомбинации молекул, и весь объем газа между электродами светится.

Газосветные лампы, изготовленные в виде тонких длинных стеклянных трубок (напоминающих ртутные термометры), можно использовать в качестве вольтметров. Принцип их действия основан на том, что чем больше напряжение между анодом и катодом, тем выше столбик светящегося газа.

Нанеся на поверхность трубки градуировочные деления, можно отсчитывать значения напряжения с точностью до 3 %.

Газосветные лампы также широко применяются в качестве цифровых индикаторов, работающих в режиме тлеющего разряда, когда светится тонкий слой газа, примыкающий к катоду. Баллон индикаторной лампы наполняют неоном или смесью инертных газов, имеющей пониженное напряжение зажигания. Анод изготовляют из никелевой проволоки в виде сетки, через которую просматриваются расположенные один под другим 10 катодов из хромовой или титановой проволоки, выполненные в виде цифр от 0 до 9.

Каждый катод имеет свой вывод.

Подавая напряжение на анод и один из катодов, высвечивают нужную цифру. Для индикации многоразрядных чисел несколько (по числу разрядов) цифровых индикаторов располагают в строку.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И МАРКИРОВКА ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ

Конструкция и характеристика газоразрядных приборов постоянно совершенствуются, происходит процесс их миниатюризации, срок службы некоторых ионных приборов достигает 10 000 ч.

Создают и новые типы газоразрядных ламп. Так, сравнительно недавно появились декатроны — многокатодные лампы тлеющего разряда, позволяющие вести счет и отображение импульсов в десятичной системе счисления.

Эти условные обозначения газоразрядных (ионных) приборов (рис. 4) напоминают условные обозначения электровакуумных приборов. Наличие молекул газа в баллоне помечается точкой вблизи катода.

Маркировка ионных приборов включает 3 или 4 элемента. Первый определяет тип прибора: ТХ — тиратрон с холодным катодом; ТГ — тиратрон с горячим катодом; СГ — стабилитрон газоразрядный; ИН — индикаторная газоразрядная лампа; СН — сигнальная газоразрядная лампа. Второй — цифра, определяющая группу прибора того или иного типа. Третий — число, указывающее некоторые параметры прибора. Четвертый — буква, характеризующая конструктивное оформление прибора. Например, маркировка ТП-0,1/0,3 означает: тиратрон с подогревным катодом, заполненный аргоном; максимальное значение тока — 0,1А; максимально допустимое напряжение — 0,3 кВ.