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
; (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.
Схемы стабилизации
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
-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.
.Геворкян Р.Г. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 2007. — 598 с.
.Детлаф А.А., Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 2008 — 608 с,