Газоразрядные приборы

Наряду с электронными лампами в радиотехнике применяют приборы, действие которых основано на явлениях, происходящих при прохождении электрического тока через газ. Такие приборы называются газоразрядными, или ионными. Рассмотрим их работу.

После откачки воздуха баллон ионного прибора наполняется газом под небольшим давлением, которое значительно меньше атмосферного. Наиболее часто в качестве такого газа используется водород, пары ртути, инертные газы: неон, аргон.

Первоначально молекулы газа электрически нейтральны. Если между анодом и катодом прибора приложить напряжение, то начнется движение электронов от катода к аноду. Это движение будет сопровождаться столкновением электронов с электрически нейтральными атомами газа. Если их скорость достаточна, то из атомов будут выбиваться один или несколько вторичных электронов. Потеряв электроны, атом газа перестает быть нейтральным. Такой атом называется ионом. Ионы начинают двигаться к катоду, а электроны - к аноду, причем скорость движения электронов гораздо больше, так как масса иона значительно больше массы электрона.

Ионизацией газа называется процесс расщепления газа на положительные ионы и электроны.

Ионизация протекает лавинообразно, так как выбитые из атомов вторичные электроны сами принимают участие в дальнейшем процессе ионизации, а в приборе устанавливается большой электронно-ионный ток.

Одновременно с ионизацией происходит процесс воссоединения иона со свободными электронами, в результате получаются нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Он характерен свечением газа в баллоне прибора, так как воссоединение атомов сопровождается выделением энергии в виде света. Вторым источником энергии свечения газа являетсяпоявление неустойчивых атомов в молекулах газа. Это атомы, в которых при столкновении со свободными малоподвижными электронами собственные электроны переходят с одной энергетической орбиты на другую. Такое состояние атома является неустойчивым, он сам собой возвращается в нормальное состояние. Освобождающаяся при этом энергия также выделяется в виде света.

Таким образом, источниками энергии свечения в ионных приборах являются:

- энергия рекомбинации атомов газа:

- энергия перехода возбужденных атомов в газе в нормальное, устойчивое состояние.

Ртутные пары дают синеватое свечение, аргон - фиолетовое, неон - оранжево-красное.

Процесс интенсивной, или ударной ионизации в газе наступает при определенном напряжении, называемом напряжением зажигания. Это напряжение зависит от вида газа, его давления в баллоне и расстояния между электродами. Для более полного изучения всех процессов, которые могут наблюдаться в ионных приборах, рассмотрим вольтамперную характеристику газового разряда.

Так как сопротивление ионного прибора изменяется в широких пределах, то вольтамперной характеристикой для этого прибора называется зависимость падения напряжения на нем от величины протекаемого тока (рис.2.17).

Участок 0-1: ударная ионизация отсутствует, ток в цепи ничтожно мал, сопротивление прибора велико.

1-2: падение кривой обусловлено началом процесса ударной ионизации, резко увеличивается величина тока в цепи прибора, а сопротивление стремительно падает.

Рис. 2.17. Вольтамперная характеристика газового разряда.

Участок 2-3: ток увеличивается, а падение напряжения практически постоянно. Это явление обусловлено тем, что при сравнительно малых токах в разрядниках используется не вся поверхность катода для создания эмиссии электронов, а лишь ее часть. Этим объясняется то, что при возрастании тока падение напряжения не увеличивается, а лишь увеличивается площадь поверхности катода, с которой происходит эмиссия электронов.

Если ток в цепи достиг такого значения, при котором используется уже вся поверхность катода, то дальнейшее увеличение тока возможно за счет увеличения числа электронов, выбиваемых с единицы площади катода. Для этого необходимо увеличить скорость ионов, бомбардирующих катод, что возможно только при уже большей разности потенциалов между анодом и катодом (участок 3-4).

В различных ионных приборах применяются холодные и нагретые катоды. В приборах первого типа участок 2-3 характеристики является рабочим, а соответствующий этому участку разряд называется тлеющим (рис.2.17). Он характеризуется сравнительно небольшими токами через прибор и независимостью падения напряжения от изменения тока.

Участок 4-5: при увеличении напряжения до определенной величины с катода начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Катод нагревается за счет более интенсивной бомбардировки его поверхности большим количеством ионов, образованных значительно увеличившимся количеством электронов. Это обуславливает резкое уменьшение напряжения между электродами прибора и уменьшение его сопротивления (4-5)

Разряд, сопровождающийся термоэлектронной эмиссией с катода, называется дуговым. Напряжение между электродами при дуговом разряде невелико - около 15 Вольт и практически не меняется до тех пор, пока вся поверхность катода не будет участвовать в термоэлектронной эмиссии.

В ионных приборах с холодным катодом дуговой разряд допустим лишь в течение очень короткого времени, иначе катод может разрушиться.

Наиболее часто встречаются следующие ионные приборы:

1. Газотроны и тиратроны. Применяются для выпрямления переменного тока, а также в различных схемах автоматического управления. В этих приборах используются подогревные катоды, то есть имеет место термоэлектронная эмиссия.

2. Ртутные колбы и газосветные лампы. Неоновые лампы, например, применяются в качестве индикаторов напряжения высокой частоты в контурах приемно-передающих устройств или антенне. Свечение газосветных ламп усиливается по мере повышения напряжения, поэтому ее можно использовать в качестве индикатора настройки контура в резонанс. Условно неоновая лампа изображена на рисунке 2.18.

3. Газонаполненные стабилизаторы напряжения- стабилитроны. Они стабилизируют напряжение на зажимах источника тока, а следовательно, и на нагрузке. Работа стабилитронов основана на явлении тлеющего разряда, то есть используются участки 2-3 их вольтамперных характеристик.

4. Безразрядные электровакуумные приборы – бареторы. Применяются для стабилизации тока накала, состоят из железной проволоки, помещенной внутри стеклянного баллона, наполненного водородом. Включается баретор последовательно с нитью накала. При повышении напряжения накала температура проволоки возрастает, ее сопротивление увеличивается, и величина тока в цепи остается постоянной. Газосветные лампы и стабилитроны относятся к приборам с холодным катодом.