Учебная работа. Газоразрядные приборы

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,

Учебная работа. Газоразрядные приборы