Газоразрядные приборы
Газоразрядными (ионными) приборами (буквенное обозначение — HL) называют приборы, работа которых основана на свойствах электрического разряда в газах. Баллон газоразрядного прибора, в котором помещаются электроды заполнен разряженным инертным газом. Катод в большинстве этих приборов холодный. Если на прибор подается напряжение от внешнего источника, подключенное плюсом к аноду и минусом к катоду, то свободные ионы и электроны, имеющиеся в газе, движутся к электродам — отрицательно заряженные электроны к аноду, а положительно заряженные ионы к катоду, т.е. общий ток состоит из электронной и ионной составляющих. В разрядном промежутке между катодом и анодом при соударениях быстрых электронов с молекулами газа происходит ионизация последних, называемая объемной, которая приводит к увеличению числа свободных заряженных частиц. Кроме того, свободные электроны возникают также в процессе поверхностной ионизации при бомбардировке катода ионами газа. Пространство между катодом и анодом оказывается заполненным примерно равным количеством электронов и положительно заряженных ионов газа — плазмой, в связи с чем такие приборы также называют плазменными. Общий вид вольтамперной характеристики электрического разряда в газах приведен на рис. 2.45.
Рис. 2.45. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газах
Область 1 на этой характеристике соответствует несамостоятельному разряду, происходящему под действием внешних ионизирующих излучений. При этом ток, протекающий через прибор незначителен и в случае отсутствия внешних ионизирующих излучений прекращается. С ростом напряжения, в области 2, количество свободных электронов и ионов и их энергия возрастают настолько, что разряд становится самостоятельным, при котором ток течет и без воздействия внешних ионизаторов. Эта область соответствует начальной стадии самостоятельного разряда — «темному» разряду, который протекает при малом токе и сопровождается слабым свечение газа, возникающем за счет энергии, освобождающейся при рекомбинации электронов и ионов. В области 3 —переходной, ток нарастает, а напряжение, требуемое для его поддержания, уменьшается, в связи с ростом количества ионов, приходящих к аноду. При дальнейшем росте напряжения на приборе, после переходной области 3, в области 4 темный разряд переходит в тлеющий, при котором свечение газа становится интенсивным. В области тлеющего разряда бомбардировка катода ионами газа вызывает возрастание эмиссии из него электронов и тока прибора, но напряжение на нем при этом не меняется. Эта область разряда в газе подобна области электрического пробоя в полупроводниковом диоде. Дальнейший рост тока в переходной области 5 происходит при увеличении напряжения. В переходной области 6 скорость ионов настолько возрастает, что, бомбардируя катод, они разогревают его, появляется дополнительная термоэлектронная эмиссия и напряжение между анодом и катодом падает. В области 7 возникает дуговой разряд, который характеризуется малым падением напряжения на приборе и большим током через него.
При воздействии переменного напряжения в газовой среде может возникать высокочастотный разряд. Обладающие большой инерцией ионы газа не успевают менять направление движения и образуют положительный пространственный заряд, а за счет движения свободных электронов течет ток. Высокочастотный разряд возможен при малых напряжениях между электродами.
В режиме несамостоятельного разряда работают ионизационные камеры, счетчики и детекторы радиоактивных и космических излучений. В этом режиме анодный ток прямо пропорционален интенсивности ионизирующего излучения.
В режиме тлеющего разряда работает большинство плазменных ламп, применяемых в электротехнике и электронике. Они используются как источники света, например, такие, как люминисцентные лампы и элементы световых табло, в качестве отдельных точечных индикаторов постоянных и переменных напряжений и в составе плазменных панелей. Цвет свечения зависит от того, какой газ используется в приборе. Неон светится оранжево-красным цветом, аргон — сиреневым, криптон — голубым, гелий — синим. Но, можно получать разные цвета свечения, используя эффект вторичного излучения (люминисцентного). Для этого на внутреннюю поверхность баллона лампы наносятся слои люминофора обеспечивающие нужный цвет при воздействии на них ультрафиолетового излучения газа-наполнителя.
На рис. 2.46, в качестве примера показаны графические обозначения неоновой лампы и газоразрядного тиратрона, иллюстрирующие их устройство.
Простейший газоразрядный прибор — неоновая лампа состоит из колбы, наполненной разряженным инертным газом (неоном или смесью неона с аргоном) и двух электродов — анода и катода. Темная точка внутри баллона на условном графическом обозначении прибора указывает на наличие в нем газа. Металлические анод и катод могут иметь форму дисков, стержней, колец и т.д. Выпускаются приборы, работающие в широком рабочем диапазоне постоянных и переменных напряжений и токов и имеющие, обычно, светло-оранжевый цвет свечения.
а) б)
Рис. 2.46. Приборы тлеющего разряда: а) неоновая лампа; б) газоразрядный тиратрон
Индикаторный тиратрон тлеющего разряда — это управляемый газоразрядный прибор. Управление его состоянием осуществляется изменением потенциала сеток — электродов, расположенных между анодом и катодом. Первая от катода сетка имеет более высокий положительный потенциал, чем вторая, расположенная ближе к аноду и создает в тиратроне подготовительный режим (темный разряд). При подаче положительного импульса поджига на вторую сетку, расположенную у анода, возникает тлеющий разряд, который сохраняется после окончания импульса поджига. Таким образом, можно управлять поджигом тиратрона с помощью малых по величине импульсов напряжения. Это похоже на работу полупроводникового тринистора.
Высокая электропроводность газовой плазмы в режиме дугового разряда используется для создания ламп большой мощности — газотронов с термоэлектронными катодами, работающих в выпрямительных устройствах и преобразователях постоянных напряжений в переменные при токах в десятки тысяч ампер промышленной частоты (50 Гц). Газоразрядные тиратроны, выполняемые в виде триодов, тетродов и пентодов с термоэлектронным катодом, работающие в режиме дугового разряда применяются в энергетике больших мощностей при токах в десятки тысяч ампер и рабочих напряжениях в десятки и сотни тысяч вольт: в импульсных модуляторах и разрядниках; в ускорителях заряженных частиц в мощных радиолокаторах; в экспериментальных термоядерных реакторах и т.д.
Высокочастотный разряд находит применение в измерительных устройствах, например, в измерителях скорости и направления воздушного потока методом меток по времени прохождения искры между контрольными электродами.