Газоразрядные приборы

Газоразрядные приборы

1. Приборы тлеющего разряда

Индикаторы, стабилитроны, газотроны, тиратроны, декатроны, коммутаторы. Основные характеристики. Приборы дугового разряда с накаленным и холодным катодом. Особенности работы и применения. Использование газового разряда в приборах квантовой электроники.

2. Особенности приборов тлеющего разряда

Простейшие приборы — двухэлектродные.

Приборы постоянного тока (катод имеет более развитую поверхность, чем анод) Приборы переменного тока (катод и анод одинаковы, так как выполняют свои функции попеременно) Приборы с плоскими и цилиндрическими электродами. С металлической и стеклянной оболочкой P~1300…130 000 Па.

Основные характерные признаки всех приборов тлеющего разряда.

— холодный катод (ненакаливаемый). — упрощается конструкция, повышенная долговечность.

— наличие светящегося слоя. Визуальная индикация работы.

— высокая экономичность. Долговечность, малые габариты.

Двухэлектродные приборы — неуправляемые.

Разряд возникает при подаче U питания и горит до сохранения U_min горения.

Управляемые — одна и более сеток. Разряд возникает при подаче управляющего напряжения на сетку при наличии U_min горения на аноде.

3. Классификация

— световые индикаторы;

— стабилитроны;

— двухэлектродные высоковольтные вентили (газотроны);

— тиратроны;

— переключаемые газоразрядные приборы:

световые индикаторы, коммутаторы, декатроны, полиатроны, коммутаторы (устарели), знаковые и синтезирующие индикаторы, функциональные и линейные индикаторы;

— разрядники (предохранители);

— газосветные лампы;

— ПКЭ

4. Световые индикаторы (неоновые лампы)

— обычно наполнены Ne, Ne+Ar (0,5…0,1), и другие в зависимости от нужного свечения.

Форма различна: цилиндр, колба, …

Электроды — плоские, цилиндрические, кольцевые.

По сути СИ являются преобразователями электронной энергии в световую.

Электрические параметры:

U_З, определяющее рабочее напряжение сети U_Р (U_ЗU_Р),

U_{Горения}, I_а,

; (1)

Световые параметры:

сила света I (Кд), ее пространственное распределение,

; (2)

S — излучающая площадь (Кд/м²)

световая отдача; (3)

Щ — телесный угол

(4)

— показывает эктомичность.

Долговечность — длительность работы без выхода основных параметров за пределы допустимых значений.

Газы: Ne — дает наиболее яркое свечение. Давление ~ 2500 — 4000 Па. Чем P тем больше запас газа долговечность, сила тока (ПС), но и U_З и U_Г выбирают компромисс.

Используют нормальный тлеющий разряд на границе перехода в аномальный (горит вся поверхность катода).

Типы: переменного и постоянного тока (электроды разные по размеру и форме, материалу), универсальные.

5. Стабилитроны

Стабилитроны — приборы, применяемые для поддержания на одном уровне выходного напряжения различных устройств.

Принцип работы основан на использовании нормального тлеющего разряда.

Конструкция — цилиндрические концентрически расположенные электроды. Колба — стекло или металл.

Рисунок 1 — Стабилитрон Основные параметры — напряжение стабилизации равно напряжению горения U_Г.

5 групп по U_СШ: 50−60; 70−75; 80−90; 103−113; 140−160.

Для обеспечения этого параметра изменяется: материал катода; состав газа; выбор междуэлектродного промежутка d (обычно d? d_{K — катодного падения}).

В низковольтных стабилитронах используют активированные катоды (до 80 В), для более высоких U — Mo, Ni.

Газ: пентиговская смесь

He+Ar (Выше U)

Ne+Ar (Ниже U)

Ne+Kr

Внутрь прибора вносят поглотитель (танталовый геттер или распыляемый капсульный геттер), который активируют — разогревают или распыляют перед герметизацией.

ВАХ стабилитрона Рисунок 2 — ВАХ стабилитрона

Основные параметры: — U_З, — U_Г, — I_а min, — I_а max, -ДU_{Г (Горения)},

; (5)

— динамическое сопротивление,

; (6)

— Зависимость U_Г от T (ТКН)

— Нестабильность U при I_CT=const (дрейф)

— Долговечность и надежность.

Схемы стабилизации

1. Параметрическая Рисунок 3 — Параметрическая схема стабилизации

U_Г — основной параметр

2. Компенсационная Рисунок 4 — Компенсационная схема стабилизации

VS — опорное напряжение на катоде VT2. Сеточное напряжение VT2 пропорционально U_вых. С ^U_вых> ^U_С(VT2)> ^I_R1> vU _{С (VT1)}> vI₀> vI_Н> vU_вх.

6. Вентили (газотроны) тлеющего разряда

Аналог диода.

+ полупериод

ДU_а — напряжение горения вентиля

— полупериод

Рисунок 5 — Аналог диода

Для повышения эффективности вентиля необходимо, чтобы ДU_а U_обр. Учитывая, что ДU_а ~ 80? 150 В при низких рабочих U вентили не применяются. Область применения связана с использованием следующих преимуществ: малая зависимость режима работы от T, устойчивость против излучений, визуальный контроль рабочего режима.

Основная проблема — обеспечение высокой пробивной прочности прибора в-полупериод и небольшого ДU_а в + период. Это достигается конструкцией прибора.

Рисунок 6 — Вентиль Катод имеет площадь, достаточную для заданного тока в режиме нормального тлеющего разряда. Металлическая крышка (экран) отделяет анодную камеру от катодной.

+ полупериод: условия зажигания в катодной камере легко достигается при данных P₀d на правой ветви кривой Пашена (низкие U_З и U_Г). Разряд зажигается между катодом и экраном, а затем переходит на анод.

— полупериод: условие зажигания достигается при высоких U_а (малый объем камеры, малые P₀d — работа на левой ветви кривой Пашена).

Используют He с P ~ 1500−2000 Па.

7. Тиратроны

Трехэлектродный прибор имеет катод, анод, сетку из никеля (диафрагма с центрированным отверстием, либо щелью).

Рисунок 7 — Тиратрон Сетка позволяет только открыть тиратрон, но прекратить разряд она не может.

Рисунок 8 — Тиратрон В начале между К и, А прикладывается U, которое недостаточно для развития разряда без участия сетки (U_З0 > U_а). Когда подают на сетку U_С, зажигается сеточный разряд, электроны диффундируют через отверстие в анодную область и зажигается основной разряд. U_а снижается до U_Г.

Рисунок 9

Для гашения разряда необходимо v U_а до U_Г.

Сетка после зажигания разряда не может участвовать в управлении анодным током так как плазма экранирует ее от остального объема, окружая электронной (если U_С > 0) или ионной (если U_С 0) оболочкой.

В течение всего разряда, потому, в сеточной цепи будет ток.

В большинстве тиратронов вводится еще один электрод — вспомогательный, для создания вспомогательного разряда (плазменного катода). На него подают E_{вспомогательное} и зажигают вспомогательный разряд. Но его горение недостаточно поджига основного разряда из-за экранирования сеткой анода (малая проницаемость сетки). Только при подаче + импульса на сетку и протекания через нее тока, заряды проникают в анодную часть и зажигают основной разряд (токовое управление). В ряде случаев роль анода подготовительного разряда выполняет нижняя часть сетки.

Рисунок 10

Другой вариант управления — двухсеточный.

Рисунок 11

1 я сетка обеспечивает вспомогательный разряд U_С2 U_С1 и электроны не проходят к аноду. Для включения основного разряда > + на 2-ю сетку — электростатическое управление.

тиратрон лазер стабилитрон

8. Конструкции тиратронов

Рисунок 12 — Тиратрон МТХ — 90

Катод активирован Cs. U_СЗ? 85 В. U_Г ~ 55? 60 В.

Рисунок 13 — Характеристики зажигания Нет горизонтального участка так как тиратрон не является короткопромежуточным прибором.

9. Матричные индикаторы (плазменные панели)

Матричные индикаторы используются для отображения информации.

Рисунок 14

Рисунок 15 — Схема матричного индикатора

10. Приборы дугового разряда

Несамостоятельный разряд — приборы с накаленным катодом.

Двухэлектродные приборы — газотроны.

Газы: инертные, водород, пары ртути, Kr, Xe.

Рисунок 16 — Газотрон Начало развития дуги задают электроны, эмитируемые накаленным катодом.

Признаки дугового разряда:

— j ~ 10? 100 А/см²

— U_К мало? U_i газа (? 20 В) Рисунок 17

Рисунок 18

Используется в качестве вентиля в случаях:

— большие перепады T

— визуальный контроль работы

— радиоактивное излучение Параметры

I_ПР ~ 10³ А, U_ОБР ~ 2•10⁴ В Конструкции газотронов Рисунок 19 — Стеклянная конструкция газотрона Рисунок 20 — Керамическая конструкция газотрона Отличие от газотронов — управляемая сетка Рисунок 21 — Форма сетки

На сетке поддерживается большой отрицательный потенциал, задерживающий электроны с накаленного катода. Для включения разряда +.

Электростатическое управление — потенциал сетки управляет полем, которое становится ускоряющим и позволяет электронам проникнуть к аноду.

Токовое управление — (при малой проницаемости сетки, сильно экранированный анод). При этом U_С > 0 > возникает разряд между сеткой и катодом, ток которого и поджигает основной разряд момент зажигания определяется сеточным током.

ТГИ — 1000/25 — металлокерамический тиратрон.

I_ИМП ~ 1 кА, U ~ 25 кВ

11. Приборы дугового разряда

Самостоятельный разряд.

Ртутные вентили — ртутный катод.

Дуга горит в парах Hg, которыми в процессе испарения заполняется разрядный промежуток.

Самостоятельность разряда: эмиссия электронов возникает под действием сильного электрического поля, создаваемого + ионами, возникающими при ионизации молекул пара у катода.

Катодное пятно перемещается хаотически по поверхности ртути так как ионы отклоняются струями ртутного пара.

Для того, чтобы струи пара и ртутные капли не нарушали работы вентиля под катодом устанавливается защитный экран Э. Для остановки пятна используется хорошо охлаждаемая металлическая лента, выступающая из ртути узким краем.

Рисунок 22 — Ртутный вентиль Для снижения U_З используется вспомогательная дуга.

В ИГНИТРОНАХ вспомогательная дуга создается пропусканием импульсов тока через зажигатель из ВС (карбид бора), погружаемый в ртуть.

Для управления моментом зажигания основной дуги вводится управляющая сетка — аналогична тиратрону (Отрицательный потенциал удерживает вентиль от включения, для включения +). Для понижения управляющего импульса и v U отрицательного смещения на сетке между сеткой и катодом вводят дополнительный электрод — сетку — деионизационный фильтр (для ионизации электронов и протонов и уменьшения количества зарядов, идущих к сетке).

Применение для коммутации больших токов в технологических системах: I ~ 10⁵ А (прокатные станы и т. д.)

Применение газового разряда в квантовой электронике Виды разрядов:

— Несамостоятельный

— Самостоятельный В основном используется «положительный «столб разряда.

— наиболее протяженная часть

— наиболее однороден по длине

— легко регулируется по длине

— малый, _ср? 0

Диффузионный режим горения тлеющего разряда: — при P 0,1 мм. рс _св «R _{(радиус области разряда? радиус разрядной трубки)} частица попадает на стенки после многократных столкновений. Если W_Г W_ВЫБ (упругие соударения) максвелловское распределение по скоростям. За счет электрического поля: T_е» T_i > T_атомов

He — Ne ОКГ Рисунок 23

P ~ 10…100 мВт

= 0,63 мкм (красный); 1,15 мкм (ик); 3,39 мкм (ик) Ионные ОКГ — дуговой разряд^Т ^j >

капилляр (1 — 3 мм) I ~ 1 — 10 — 30 А j ~ 10³ А/см²

Рисунок 24

H ~ 2 — 4 кЭ —^P в несколько раз.

кпд ~ 0,01? 0,1%

CO₂ — лазер (смесь CO₂ + N₂ в соотношениях 1:1, 1:5), ~ 10,6 мкм, P ~ 1 мм. рс, трубка диаметром 25? 100 мм, I_разр? 10 — 10³ мА, U ~ 10кВ

Тлеющий разряд постоянного тока

Прокачка газа P 1 кВт, кпд ~ 10% ? 15%

Используют и другие газы, смеси.

12. Особенности использования несамостоятельных разрядов в технологических лазерах

— Характер процесса возбуждения — резонансный (W_е ~ W_возб) (вероятность возбуждения максимальна при W_е? W_возб) учитывая возможность изменения U в широком диапазоне (от 0 до U_зажиг) можно подстраиваться к оптимальным U соответственно W_возб.

— + свойство: повышенная устойчивость: невозможно развитие ионизации — тепловых неустойчивостей так как скорость ионизации (б) не связана с напряженностью поля легче поднимать удельную мощность.

— Рабочая точка поддерживается без R_{балластного} (R_б = 0) нет потерь энергии.

Используются в молекулярных и эксимерных лазерах повышенной мощности.

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекул. физика М.: Наука, 2009. — 551 с.

2. Трофимова Т. И. Курс физики М.: Высш. школа, 2007. — 432 с.

3. Фирганг Е. В. Руководство к решению задач по курсу общей физики. М.: Высш. школа, 2008.-350с

4. Чертов А. Г. Задачник по физике с примерами решения задач и справочными материалами. Для ВУЗов. Под. ред. А. Г Чертова М.: Высш. школа, 2007.-510 с.

5. Шепель В. В. Грабовский Р.И. Курс физики Учебник для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.:Высш. школа, 2008. — 614 с.

6. Шубин А. С. Курс общей физики М.: Высш. школа, 2008. — 575 с.

7. Беликов Б. С. Решение задач по физике. М.: Высш. школа, 2007. — 256 с.

8. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука, 2008. — 464 с.

9. Геворкян Р. Г. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 2007. — 598 с.

10. Детлаф А. А., Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 2008 — 608 с,