Ионные приборы (газоразрядные приборы). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионные приборы (газоразрядные приборы) - приборы, наполненные к--л. инертным газом (Не, Ne, Аr, Кr, Хе), парами ртути или водородом, действие к-рых основано на прохождении электрич. тока через газоразрядную плазму, образующуюся в межэлектродном пространстве. Давление газов в И. п. составляет (10^-44100) мм рт. ст. По типу газового разряда, зажигающегося в приборе и определяемого природой электронной эмиссии из катода, родом газа и его плотностью, питанием разряда, различают И. п. несамостоят. дугового разряда, самостоят, дугового, тлеющего, искрового и коронного разрядов. Осн. носителями тока в И. п. являются, как и в вакуумных (электронных) приборах, электроны, т. к. их подвижность значительно больше, чем подвижность ионов. Роль положит, ионов в газовом разряде сводится гл. обр. к компенсации объёмного заряда электронов. Такая компенсация обеспечивает прохождение через И. п. значит, токов, превышающих на неск. порядков токи вакуумных приборов. При этом падение напряжения на И. п. значительно меньше, чем падение напряжения на электронных приборах, а следовательно, кпд И. п. выше, чем электронных. По областям применения И. п. делятся в основном на две группы: приборы преобразоват. техники, с помощью к-рых осуществляется выпрямление перем. тока, инвертирование (преобразование пост, тока в однофазный или многофазный переменный) и преобразование частоты; приборы обработки и визуального отображения информации. И. п. преобразовательной техники при питании от источника перем. напряжения пропускают ток только при прямом напряжении, когда анод положителен по отношению к катоду. При обратном напряжении (когда анод отрицателен по отношению к катоду) они или вовсе не пропускают тока, или пропускают ничтожно малый ток. Это определяет их вентильное свойство. В И. п. преобразовательной техники используются приборы несамостоятельного дугового разряда - тиратроны. Тиратрон (Т) - трёхэлектродный прибор, содержащий накалённый оксиднын катод, металлич. или графитовый анод и расположенную между ними управляющую сетку. Давление наполняющего газа порядка десятых долей мм рт. ст. В прямом направлении Т пропускает токи в неск. А при небольшом (15-20 В) падении напряжения на приборе. Это падение напряжения складывается из катодного падения потенциала, сосредоточенного на участке малой протяжённости около катода, и падения напряжения в столбе разряда (плазме), занимающем всю остальную часть межэлектродного промежутка. Пока анодный ток не превышает тока эмиссии катода, катодное падение потенциала неизменно и примерно равно потенциалу ионизации газа, наполняющего прибор. Практически неизменным остаётся и падение напряжения в столбе разряда, поскольку с ростом тока увеличивается степень ионизации газа в плазме и растет её электропроводность. Т. о., в рабочем интервале токов вольт-амперная характеристика Т горизонтальна. При отрицат. потенциале анода Т обладает вентильным свойством, что и используется в преобразоват. установках. Обычно Т работает в режиме низких давлений наполняющего газа, относящемся к левой ветви кривой Пашена (см. Ношена закон). В этом случае напряжение возникновения самостоятельного разряда (пробоя) U_з тем выше, чем меньше pd (p - давление газа, d - расстояние между электродами). Т. о., режим низких давлений обеспечивает высокую вентильную прочность Т: допустимое обратное напряжение у Т с инертными газами достигает 345 кВ, а у Т с ртутным наполнением - 15425 кВ. Управляющие свойства сетки Т по сравнению с электронными приборами ограничены. При положит, потенциале анода, но отрицат. (8410 В) потенциале сетки она не пропускает электроны в прианодное пространство, препятствует возникновению разряда - Т "заперт". При уменьшении по модулю потенциала сетки электроны, эмитированные катодом, проникают сквозь сетку, ионизуют газ и Т "отпирается". При этом потенциал сетки нейтрализуется окружающим её облаком ионов и она теряет управляющие свойства - анодный ток определяется параметрами анодной цепи и может быть прекращён только снижением анодного напряжения ниже напряжения горения разряда. После гашения разряда концентрация электронов и ионов в плазме постепенно уменьшается в результате рекомбинации ионов и электронов, ионная оболочка сетки рассасывается и через нек-рое время управляющие свойства сетки восстанавливаются. Время восстановления управляющих свойств сетки определяет предельную частоту работы Т~0,5-1 кГц. В табл. 1 приведены параметры нек-рых типов выпрямит. Т.
Табл. 1.- Параметры выпрямительных тиратронов.

Для формирования мощных кратковременных (0,1-1 мкс) импульсов тока амплитудой до кА при напряжениях до 25-35 кВ (напр., в линейных модуляторах) широко используются импульсные водородные Т. Оксидный накаливаемый катод 1 (рис. 1) с большой за счёт рёбер поверхностью обеспечивает в импульсном режиме необходимый ток эмиссии. Многослойная управляющая сетка 4 практически полностью экранирует прикатодное пространство от поля анода 5. Благодаря этому, а также малым зазорам между анодом и сеткой Т заперт даже при небольшом положит, потенциале сетки и выдерживает высокие прямые напряжения. Для зажигания осн. разряда надо на управляющую сетку подать такой положит, потенциал, к-рый

Рис. 1. Схематический разрез импульсного водородного тиратрона: 1 - оксидный катод; 2 - нагреватель катода; 3 - экран катода; 4 - управляющая сетка; 5 - анод; 6 - генератор водорода; 7 - корпус.

обеспечит не только зажигание на неё разряда, но и определ. величину тока, достаточную, чтобы проникающие за сетку электроны и ионы стимулировали зажигание разряда на анод. Т.о., водородный Т является И. п. с токовым управлением моментом возникновения разряда. Наполнение этих Т водородом обеспечивает быстрое развитие разряда и быструю деионизацию газа после гашения разряда, т. е. крутые фронты импульсов тока и высокочастотность приборов. Допустимая частота повторения импульсов достигает 30-50 кГц. Генератор (накопитель) водорода 6 поддерживает неизменной плотность газа в Т, компенсируя его сорбцию электродами и стенками корпуса. Спец. вакуумная керамика корпуса Т не только повышает по сравнению со стеклянными колбами механич. прочность, но и в сочетании с хорошими условиями охлаждения анода обеспечивает существенное уменьшение габаритов прибора. В линейных модуляторах с импульсным Т часто из-за рассогласованности сопротивления нагрузки и волнового сопротивления формирующей линии сразу после прохождения через Т импульса тока возникает напряжение обратной полярности. Вызывая появление обратного тока, оно препятствует восстановлению управляющих свойств сетки Т. Для снятия с Т этих обратных напряжений, а также в качестве вентилей в цепях заряда формирующих линий используются клипперные диоды. Эти неуправляемые высоковольтные ионные вентили конструктивно сходны с водородными Т. Отличие состоит в том, что электрод, выполняющий в Т функции управления моментом зажигания разряда (сетка), здесь имеет потенциал катода и играет роль анодного экрана. Необходимость решения противоречивых задач - обеспечения свободного прохождения прямого тока и вместе с тем высокой вентильной прочности - определила конструкцию экрана в виде одного диска
Табл. 2. -Параметры импульсных тиратронов и клипперного диода.

*) Обратное напряжение.

с отверстиями, благодаря чему его проницаемость больше проницаемости сетки тиратрона. В табл. 2 приведены параметры трёх типов импульсных водородных тиратронов и клипперного диода. Наиб, мощным И. п. преобразоват. техники являются приборы самостоят, дугового разряда - экзитроны и игнитроны. Особенность этих приборов - ртутный катод в виде слоя ртути на дне корпуса. На рис. 2 приведена схема экзитрона (Э). Газовый разряд горит в парах ртути, испаряющейся с катода, конденсирующейся на стенках корпуса и стекающей обратно на катод. Давление насыщенного ртутного пара в рабочем пространстве колеблется от 0,001 до 0,01 мм рт. ст. Оно определяется температурой участков корпуса, на к-рых происходит конденсация. Эта темп-pa поддерживается на определ. уровне путём охлаждения корпуса водой, пропускаемой через его водяную рубашку. Источником электронов, обеспечивающих формирование в межэлектродном пространстве газоразрядной плазмы и перенос тока, является катодное пятно на поверхности ртути, образованное в результате пропускания

Рис. 2. Структурная схема экзитрона: 1 - ртутный катод; 2 - зажига-тель; 3 - отражатель; 4 - анод; 5 - экран анода; 6 - управляющая сетка; 7 - деионизационный фильтр; 8 - анод возбуждения.

Рис. 3. Осевой разрез игнитрона: 1 - ртутный катод; 2 - зажигатель; 3 - ограничитель катодного пятна; 4 - анод; 5 - корпус; 6 - рубашка охлаждения.

импульсов тока через погружённый в ртуть полупроводниковый зажигатель. Обладая неогранич. эмиссионной способностью, катодное пятно может обеспечить любой ток через Э. Вместе с тем оно может существовать только при токах не ниже 5-8 А. Поэтому в Э имеются аноды возбуждения (один или два), поддерживающие существование катодного пятна в обратный полупериод напряжения основного анода и при снижении тока основного разряда ниже мин. тока существования катодного пятна. Моментом зажигания дуги на осн. анод управляют с помощью сетки, закреплённой в окружающем анод экране. Её действие аналогично действию сетки в выпрямит, тиратроне. В условиях низких давлений наполняющего прибор газа рекомбинация электронов и ионов происходит на стенках корпуса и поверхностях электродов, соприкасающихся с плазмой. Поэтому для ускорения деионизации анодно-сетчатого пространства в течение обратного полупериода анодного напряжения и для ограничения диффузии в это пространство зарядов из области постоянно горящей дуги возбуждения под сеткой расположен изолированный от неё деионизационный фильтр, находящийся под плавающим потенциалом. Однако сужение разряда в отверстиях сетки и фильтра является недостатком Э, проявляющимся в проводящую часть периода. Во-первых, повышенная рекомбинация на стенках в местах сужений обусловливает значит, перепады напряжения в этих местах и тем самым увеличение общего падения на Э. Во-вторых, увеличение этих перепадов напряжения с ростом тока приводит к двум явлениям, затрудняющим горение разряда и приводящим, в свою очередь, к росту этих перепадов,- выдуванию газа из сужений плотным потоком электронов и обеднению газа неионизованными атомами (образование т. н. псевдовакуума). При достижении нек-рой критич. плотности тока в сужениях перепады потенциала в них катастрофически нарастают, что приводит к вышеуказанным явлениям, и дуга обрывается. Указанного недостатка в значит, мере лишён игнитрон (И), в к-ром отсутствует непрерывно горящая дуга возбуждения, а управление моментом зажигания разряда на анод производится подачей импульса напряжения на зажигатель (рис. 3). После возникновения дуги между катодом и зажигателем она сразу перебрасывается на анод. Отсутствие управляющей сетки и фильтра обеспечивает возможность прохождения через И импульсов тока в десятки кА. Недостатками И являются значит, мощность поджига и вероятность (порядка 5.10^-6) пропусков зажигания. В И. п. обработки и отображения информации (индикаторах) в основном используется тлеющий разряд в неоне и смесях газов на его основе. Применение тлеющего разряда позволяет создавать приборы с холодным катодом, равномерно светящимися поверхностями желательной конфигурации, токами разряда порядка единиц и десятков мА, временами развития и прекращения разряда в единицы - десятки мкс. Нанесение на поверхности разл. люминофоров, светящихся под действием УФ-излучения плазмы, позволяет получать разл. цвета свечения индикатора. Простейшие газоразрядные индикаторы - неоновые лампы [Л:3] - представляют собой двухэлектродный прибор, в к-ром индикаторным элементом является цилиндрич. или плоский катод, покрывающийся при возникновении разряда плёнкой катодного тлеющего свечения. Обычно они используются как сигнализаторы наличия напряжения в электрич. цепях. Давление газа (50-100 мм рт. ст.) и расстояние между электродами подбираются так, чтобы U_з было наименьшим (минимум кривой Пашена). Знаковые индикаторы предназначены для создания изображений цифр, букв и разл. символов. Они имеют один или два сетчатых анода и набор катодов в форме отображаемых символов [Л:1]. Схема управления в соответствии с кодом символа обеспечивает включение нужного катода; при этом между ним и ближайшим анодом зажигается тлеющий разряд. Подбором анодного резистора обеспечивается режим слабоаномального тлеющего разряда, при к-ром вся поверхность катода покрывается тлеющим свечением. Это свечение в форме символа просматривается через стекло колбы прибора. Линейный газоразрядный индикатор (ЛГИ) - прибор, работа к-рого основана на свойстве нормального тлеющего разряда - пропорциональности площади покрытия катода тлеющим свечением разрядному току. В ЛГИ катод представляет собой молибденовую проволоку, натянутую по оси длинной стеклянной трубки - баллона прибора. Катод окружён коробчатым анодом с прозрачной сеткой, через к-рую наблюдается покрывающее катод свечение. Измерение длины свечения позволяет судить о силе тока через ЛГИ или др. измеряемой величине, преобразуемой соответствующим датчиком в пропорциональный ей ток индикатора. Тиратроны тлеющего разряда (ТТР) - миогоэлектродные приборы, содержащие катод, анод и одну или неск. управляющих сеток. Управление зажиганием разряда на анод с током в неск. мА при запираемом анодном напряжении 200 В обеспечивается с помощью сеток сигналами напряжением 5-15 В при токе управления в единицах мкА. Работа прибора основана на явлении зарядовой связи - снижении U_з в промежутке катод - анод при поступлении в него электронов и ионов из соседнего промежутка, где горит разряд. Схематич. изображение простейшего ТТР типа МТХ-90 приведено на рис. 4. Большое расстояние от штыревого анода 3 до цилиндрич. катода большого диаметра 1 в условиях режима, соответствующего правой ветви кривой Пашена, определяет (в отсутствие разряда между катодом и сеткой) высокое U_з осн. разряда. Малое расстояние сетка 2 - катод позволяет напряжением 70-90 В зажечь между ними подготовит, разряд с током 3 мкА. Последующая подача на сетку через разделит, конденсатор импульса напряжения 10-20 В приводит к увеличению сеточного тока,

Рис. 4. Схематический разрез тиратрона тлеющего разряда: 1 - катод; 2 - сетка; 3 - анод.

усилению зарядовой связи и благодаря этому к развитию осн. разряда на анод. Наиб, современным индикаторным ТТР, сопрягающимся с ТТЛ-микросхемами, является тиратрон ТХ-19А. Подготовит, разряд, постоянно горящий между подкатодом ПК и сетками C₁ или С₂ (рис. 5), играющими роль его анодов, образует плазменный источник электронов - т. н. плазменный катод .При положит, потенциале +5B хотя бы на одной из сеток между плазменным катодом и осн. катодом К, находящимся под

Рис. 5. Схема расположения электродов тиратрона ТХ-19А: ПК - подкатод; С₁ и С₂- управляющие сетки; К - катод; А₁- анод памяти; А₂ - индикаторный анод.

нулевым потенциалом, возникает электрич. поле, препятствующее прохождению электронов в пространство катод - аноды, и разряд на аноде не возникает. При потенциалах обеих сеток, близких к нулю, электроны проникают за катод и разряд зажигается. Сетки, как и в тиратронах с накалённым катодом, теряют управляющие свойства после зажигания разряда, и он горит до снятия напряжения с анодов. Это свойство приборов сохранять состояние индикации после прекращения вызвавшего её сигнала получило название "памяти". При наличии напряжения только на аноде A₁ излучение разряда не просматривается, т. е. световая индикация отсутствует, но информацию "помнит" анод памяти А₁. При подаче напряжения на покрытый люминофором индикаторный анод А₂ плазма заполняет пространство около него и её УФ-излучение возбуждает люминофор - происходит световая индикация информации. Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) обладают наибольшей информативной ёмкостью. Они представляют собой матрицы газоразрядных ячеек, образованных на пересечении взаимно перпендикулярных электродов. Когда к паре таких электродов приложено напряжение, превышающее напряжение зажигания разряда, в ячейке возникает светящийся разряд. Комбинируя адресацию и последовательность приложения напряжений, можно получать разл. изображения. В качестве источника свечения используется катодное тлеющее свечение, собственное свечение столба разряда или возбуждаемое излучением плазмы свечение люминофора. Различают три вида панелей: ГИП пост, тока с внеш. адресацией, ГИП пост, тока с внутр. адресацией (с самосканированпем) и ГИП перем. тока. ГИП пост, тока с внеш. адресацией содержат стеклянные пластины, на нижней из к-рых расположены параллельные горизонтальные (строчные) электроды, а на верхней - вертикальные (столбцовые) полупрозрачные электроды. Газовый зазор между электродами обеспечивается перфорированной диэлектрич. пластиной. Собранная конструкция по периметру герметизируется и наполняется газом. Токоограничивающие резисторы либо выполняются навесными, либо наносятся в пленочном исполнении на стекло самой панели.

Литература по ионным приборам (газоразрядным приборам)

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.