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….130000 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 Umin горения.
Управляемые - одна и более сеток. Разряд возникает при подаче управляющего
напряжения на сетку при наличии Umin 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 (0,00005%…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:З,
определяющее рабочее напряжение сети UР (UЗ<UР),Горения, Iа,
; (1)
Световые параметры:
сила света I(Кд), ее
пространственное распределение,
; (2)
- излучающая площадь
(Кд/м2)
световая отдача;
(3)
Ω - 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
Þ
долговечность, сила тока ( ПС), но и UЗ и UГ Þ 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 UГ.
групп по UСШ: 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 ≈ dK - катодного падения).
В низковольтных стабилитронах
используют активированные катоды (до 80 В), для более высоких U - Mo, Ni.
Газ: пентиговская смесь
He+Ar (Выше U)+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: - UЗ, - UГ, - Iа min, - Iа
max, -ΔUГ(Горения),
; (5)
динамическое
сопротивление,
; (6)
- Зависимость UГ от
T (ТКН)
- Нестабильность U
при ICT=const (дрейф)
- Долговечность и
надежность.
1. Параметрическая
Рисунок 3 - Параметрическая схема
стабилизации
UГ - основной параметр
2. Компенсационная
Рисунок 4 - Компенсационная схема
стабилизации
- опорное напряжение на катоде VT2.
Сеточное напряжение VT2 пропорционально Uвых. С ↑Uвых→
↑UС(VT2)→ ↑IR1→ ↓U
С(VT1)→ ↓I0→ ↓IН→ ↓Uвх.
6. Вентили (газотроны)
тлеющего разряда
Аналог диода.
+ полупериод
ΔUа - напряжение горения
вентиля
- полупериод
Рисунок 5 - Аналог диода
Для повышения эффективности вентиля
необходимо, чтобы ΔUа << Uобр. Учитывая, что ΔUа ~ 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 ΔUа 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 UЗ и UГ). Разряд
зажигается между катодом и экраном, а затем переходит на анод.
- полупериод: условие
зажигания достигается при высоких Uа (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 (UЗ0
> Uа). Когда подают на сетку UС, зажигается сеточный
разряд, электроны диффундируют через отверстие в анодную область и зажигается
основной разряд. Uа снижается до UГ.
Рисунок 9
Для гашения разряда необходимо ↓
Uа до < UГ.
Сетка после зажигания разряда не
может участвовать в управлении анодным током так как плазма экранирует ее от
остального объема, окружая электронной (если UС > 0) или ионной
(если UС < 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 Eвспомогательное 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 UС2 < UС1 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. UСЗ
≤ 85 В. UГ ~ 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
- UК мало ≥
Ui газа (≈ 20 В)
Рисунок 17
Рисунок 18
Используется в качестве вентиля
в случаях:
- большие перепады T
- визуальный контроль
работы
- радиоактивное
излучение
Параметры
IПР ~ 103 А, UОБР
~ 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 UС > 0
→ возникает разряд между сеткой и катодом, ток которого и поджигает
основной разряд Þ момент
зажигания определяется сеточным током.
ТГИ - 1000/25 - металлокерамический
тиратрон.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 UЗ
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 ↓ 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 ,
rср
≈ 0
Диффузионный режим горения тлеющего
разряда: - при P³ 0,1
мм. рс lсв «R (радиус области разряда ≈ радиус разрядной трубки)
Þ частица попадает на
стенки после многократных столкновений. Если WГ < WВЫБ (упругие соударения) Þ максвелловское распределение по скоростям. За счет электрического
поля: Tе» Ti > Tатомов
He - Ne ОКГ
Рисунок 23
~ 10…100 мВт
l = 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
~ 2 - 4 кЭ - ↑P в несколько
раз.
кпд ~ 0,01 ÷ 0,1%2 - лазер
(смесь CO2 + N2 в соотношениях 1:1, 1:5), l ~ 10,6 мкм, P ~ 1 мм. рс, трубка диаметром 25 ÷ 100 мм, Iразр ≈
10 - 103 мА, U ~ 10кВ
Тлеющий разряд
постоянного тока
Прокачка газа P ³ 1 кВт, кпд ~ 10% ÷ 15%
Используют и другие газы, смеси.
12. Особенности
использования несамостоятельных разрядов в технологических лазерах
- Характер процесса
возбуждения - резонансный (Wе ~ Wвозб) (вероятность
возбуждения максимальна при Wе ≈ Wвозб) учитывая
возможность изменения U в широком диапазоне (от 0 до Uзажиг) можно подстраиваться к оптимальным U соответственно Wвозб.
- + свойство: повышенная
устойчивость: невозможно развитие ионизации - тепловых неустойчивостей так как
скорость ионизации (α) не связана с напряженностью поля Þ легче поднимать удельную мощность.
- Рабочая точка
поддерживается без Rбалластного (Rб = 0) Þ нет
потерь энергии.
Используются в молекулярных и
эксимерных лазерах повышенной мощности.
Литература
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.
. Фирганг Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей
физики. М.: Высш. школа, 2008.-350с
. 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.
. Шепель В.В. Грабовский Р.И. Курс физики Учебник для
ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.:Высш. школа, 2008. - 614 с.
. Шубин А.С. Курс общей физики М.: Высш. школа, 2008. - 575
с.
. Беликов Б.С. Решение задач по физике. М.: Высш. школа,
2007. - 256 с.
. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики.
М.: Наука, 2008. - 464 с.
. Детлаф А.А., Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.:
Высш. школа, 2008 - 608 с,