Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

электрический разряд газовый электрон

Введение

Электронная эмиссия, катоды их характеристика

Многоэлектронные лампы их применение

Электронный разряд в газе

Газотрон, тиратрон, электрические схемы их характеристики, схемы и применения

Список использованной литературы

Введение

Газоразрядными, или ионными, называют электронные приборы, в которых используется электрический разряд в газовой среде, сопровождающийся направленным движением электронов и ионов. Величина тока, протекающего через ионный прибор, зависит от многих факторов, а возникновение тока обусловлено столкновением свободных электронов с атомами газа и ионизацией газа. Процесс ионизации газа нарастает лавинообразно, поэтому для ограничения тока последовательно с газоразрядным прибором включают ограничительный резистор.

По способу получения положительных ионов различают разряды: самостоятельный, возникающий под действием электрического поля, и несамостоятельный, для поддержания которого, кроме электрического поля, нужен внешний источник энергии, обеспечивающий начальную ионизацию. По плотности тока в разрядном промежутке различают темный, тлеющий и дуговой разряды.

Электронная эмиссия, катоды их характеристика

Электронная эмиссия - испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое - подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами - ион-электронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана внутренними полями - эмиссия горячих электронов. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например - термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).

Второе условие - создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела испускаемых электронов, для этого, в частности, нужно к эмиттеру подвести электроны, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки - зависимость эмиссии от внешнего поля. В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней есть «пятна» с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие пятен. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).

Катодом называют эмиттер электронов, являющийся электрически отрицательным по отношению к другим электродам прибора. Предназначение катода - создавать исходный поток электронов.

По способу нагрева катоды делятся на холодные(автоэмиссионные, фотоэмиссионные) и термокатоды, Последние, в свою очередь, бывают прямонакальными и подогревными(косвенного накала). При нагреве прямонакального катода ток накала Iн протекает непосредственно по телу катода, питание цепи накала осуществляется, как правило, постоянным током. У подогревных катодов подогреватель изолирован от эмитирующей поверхности и питается переменным током. Прямонакальные катоды обладают малой инерционностью, недостатком является неравномерность эмиссии из-за падения потенциала вдоль катода. Косвенный накал подогревных катодов приводит к большей инерционности, но позволяет использовать различные материалы эмиттера, обладает равномерной эмиссией.

По материалу и структуре активного слоя катоды делятся на:

- металлические(W, Ta, Re, Nb и их сплавы);

- пленочные: основа(керн) катода делается из вольфрама, на нее наносится тонкая(в идеале моноатомная) пленка Cs, Th, Ba (путем конденсации извне, диффузии изнутри );

- толстослойные(полупроводниковые, оксидные): на вольфрамовый или никелевый керн, на который наносится относительно толстый слой смеси оксидов Ba, Sr, Th, Ca. Во время работы катода за счет электролиза и термической диссоциации оксиды частично разлагаются, атомы Ва равномерно распределяются по оксиду, превращая его в полупроводник с работой выхода 1,1-1,2 эВ. Это позволяет снизить рабочую температуру, увеличить эффективность и срок службы.

- сложные, в том числе: синтерированный(слой полупроводника, металлизированный за счет использования в оксидном катоде проволоки, сетки, порошка), импрегнированный или пропитанный(металлическая губка, пропитанная оксидами или карбонатами щелочноземельных металлов), спеченный(прессованные спеченные смеси из порошков оксидов, металлов, тугоплавких солей.

Катоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. Удельной эмиссией, определяемой величиной тока с одного квадратного сантиметра эмиттирующей поверхности катода при нормальной рабочей температуре.

2. Эффективностью, равной величине тока эмиссии катода, приходящейся на одни ватт затраченной на накал мощности:

Н=I_э/P_н

где I_э -- ток эмиссии катода, ма; P_н -- мощность, затраченная в цепи накала, вт.

3. Сроком службы катода, измеряемым в часах и характеризующим время, в течение которого катод сохраняет необходимые эксплуатационные свойства. Для простых катодов считается, что уменьшение диаметра катода на 10% приводит к его гибели. Соответственно оценивается и срок их службы.

Срок службы активированных катодов определяется уменьшением площади покрытия катода активной пленкой (а, следовательно, ухудшением основных параметров лампы) на 20%.

Многоэлектронные лампы их применение

По мере развития радиотехники возрастало число различных типов электронных ламп. Для ряда специальных применений потребовались и специальные характеристики ламп, добиться которых можно было путем введения в лампу дополнительных электродов. Так появились многоэлектродные лампы.

Основным применением многоэлектродных ламп является преобразование частоты в супергетеродинных приемниках. Эти лампы имеют по две управляющие сетки, к которым подводятся два различных по частоте напряжения, под действием которых изменяется анодный ток (в супергетеродинном приемнике на одну управляющую сетку подается входное напряжение высокой частоты, а на другую сигнал местного генератора-- гетеродина). Благодаря этому в анодной цепи таких ламп можно выделить напряжение, частота изменения которого равна разности частот, подведенных к обеим управляющим сеткам лампы (в супергетеродинных приемниках -- напряжение промежуточной частоты). Остальные сетки в многосеточных лампах в зависимости от их назначения включаются по-разному.

К этому типу ламп относится гексод -- шестиэлектродная лампа, имеющая четыре сетки. Гексоды применялись в супергегеродинных приемниках для смешивания разных частот, поэтому их называли смесительными, или смесителями. Для преобразования частоты в супергетеродинном приемнике с гексодом требовались две лампы: смеситель и гетеродин, генерировавший вспомогательную частоту (для этого применялся триод). Желание уменьшить в приемниках количество ламп привело к созданию в одном баллоне смесителя и гетеродина. Такие многоэлектродные лампы получили название преобразовательных, или преобразователей. К их числу относятся:

-- гептод (пентагрид)--семиэлектродная лампа с пятью сетками. Лампа состоит из двух частей: триод- ной, в которую входят катод и первая и вторая сетки (вторая сетка выполняет функцию анода), используемые в гетеродине и тетродной части; в тетродную часть, являющуюся смесителем, входят остальные электроды;

-- октод -- восьмиэлектродная лампа, являющаяся сочетанием триода и пентода. Так же как у пентода, триодная часть лампы используется как гетеродин, а лентодная как смеситель.

Электронный разряд в газе

Электрические разряды в газах (газовые разряды), прохождение электрического тока через газы, сопровождающееся возникновением и поддержанием ионизованного состояния газа под действием электрического поля. Термин «разряд» возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, содержащую газовый промежуток, что происходит, когда напряжение превышает порог пробоя промежутка. Ныне термин употребляют в более широком смысле.

Существует много видов электрических разрядов в газах в зависимости от характера приложенного поля (постоянное, переменное, импульсное, ВЧ, СВЧ электрическое поле), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п.

Разряды в постоянном поле

Рисунок 2 Вольт-амперная характеристика газовых разрядов

Законы прохождения электрического тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; лишь в редких случаях они подчиняются закону Ома. Их электрические свойства описывают вольт-амперной характеристикой. Если в стеклянную трубку, наполненную к.-л. газом, ввести два электрода, подключённые к источнику постоянного напряжения, то даже при небольшом напряжении (V<100 В) сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока, порядка 10-15 А. Ток создаётся «вытягиванием» полем на электроды зарядов, образующихся под действием космических лучей и естественной радиоактивности. Если облучать газ рентгеновским или радиоактивным источником, ток повысится до 10-6 А. При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответствует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внешним источником) - участок AB на рис. Такие разряды и ток, которые существуют только при действии постороннего ионизующего агента или, напряжения, благодаря электронной эмиссии, вызванной накаливанием катода, называются несамостоятельными.

Среди стационарных самостоятельных разрядов в постоянном поле наиболее важные и распространённые - тлеющий и дуговой. Они различаются механизмами катодной эмиссии, обеспечивающей возможность протекания постоянного тока, поскольку основными носителями тока являются электроны. В тлеющем разряде катод холодный. Электроны вырываются из него положительными ионами (и фотонами). В дуговом разряде катод разогревается сильным током и происходит термоэлектронная эмиссия. Искровой пробой газа происходит в результате возникновения и быстрого развития тонких плазменных каналов от одного электрода к другому (стримеров и лидеров); затем получается как бы короткое замыкание цепи высокопроводящим искровым каналом. Одна из форм искрового разряда - молния. В коронном и искровом разрядах катодная эмиссия особой роли не играет.

Разряды в переменных полях

В большинстве разрядов в быстропеременных полях роль электродных процессов несущественна, потому эти разряды можно классифицировать по состоянию плазмы разряда и по частоте электрического поля. По характеру ионизационного состояния газа в разряде можно различить пробой, поддержание электрическим полем неравновесной плазмы, поддержание равновесной плазмы.

По частоте электрического поля, вызывающего газовые разряды, выделяют: низкочастотные и не слишком кратковременные импульсные разряды; высокочастотные разряды с частотами поля 105-108 Гц; сверхвысокочастотные разряды с частотами поля 109-1011 Гц; оптические разряды от далёкого ИК- до УФ-диапазона.

Применения

Газовые разряды применяют в различных газоразрядных приборах (в т. ч. в разрядных источниках света, электронных диодах с газовым наполнением, тиратронах, ртутных выпрямителях, озонаторах), в качестве стабилизаторов напряжения в счётчиках Гейгера, в антенных переключателях, магнитогидродинамических генераторах. Широко используются электродуговая сварка, электродуговые печи для плавки металлов, дуговые коммутаторы. Получили большое распространение генераторы плотной равновесной низкотемпературной плазмы с T?104·К, p?1 атм - плазмотроны (дуговые, индукционные, СВЧ). В них продуванием холодного газа через соответствующий разряд получают плазменную струю. Тлеющий и ёмкостный высокочастотный разряды используют для создания активной среды в лазерах различной мощности - от мВт до многих кВт, в плазмохимии. Эти и др. многочисленные приложения, а также использование результатов исследований электрических разрядов в газах в технике высоких напряжений поставило физику газового разряда в ряд наук, которые служат фундаментом совр. техники.

Газотрон, тиратрон, электрические схемы их характеристики, схемы и применения

Газотроны - это ионные диоды с несамостоятельным дуговым разрядом. Они имеют накаливаемый катод, и разряд в них поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии катода. Основным назначением газотронов является выпрямление переменного тока. Применяются газотроны двух видов:

- ртутные, с парами ртути под давлением не выше 0,1 мм рт. ст.;

- с инертным газом (аргон или ксеноно-криптоновая смесь) при давлении порядка единиц миллиметров ртутного столба.

У большинства газотронов катод оксидный прямого или косвенного накала. В более мощных газотронах он имеет значительную поверхность. Анод в форме диска, полусферы или цилиндра имеет сравнительно небольшие размеры.

Вольт-амперная характеристика газотрона напоминает характеристику стабилитрона, но только внешне, так как приборы сильно отличаются друг от друга. До возникновения разряда в газотроне наблюдается чисто электронный ток (участок ОА), который растет при увеличении так же, как в обычном вакуумном диоде. Но электронам мешают двигаться атомы газа. Поэтому электронный ток очень мал и практического значения не имеет. Если при снятии характеристики не включен достаточно чувствительный прибор для измерения электронного тока, то последний остается незаметным и точка возникновения разряда А располагается на оси напряжения.

Относительное постоянство напряжения на газотроне получается не за счет режима нормального катодного падения, характерного для приборов тлеющего разряда. В газотронах площадь катода не изменяется, но при возрастании тока сопротивление прибора постоянному току R₀ уменьшается, так как растет количество свободных электронов и ионов. Кроме того, увеличивается и приближается к катоду положительный заряд ионов, что равносильно уменьшению расстояния анод-катод.

Рисунок 3 Вольт-амперная характеристика газотрона при нормальном (1) и пониженном (2) напряжении накала

Если ток в газотроне увеличивать свыше максимального значения I_а.макс, то падение напряжения на приборе растет (область правее точки Б на рис. 3). Подобный режим является недопустимым. При таких больших токах сопротивление R₀ снижается не так значительно и падение напряжения U_а= I_а R₀ возрастает. На рис. 3 показана штриховой линией вольт-амперная характеристика для пониженного напряжения накала. Она проходит выше, то есть падение напряжения получается большим. Это объясняется тем, что с понижением накала эмиссия катода уменьшается, в пространстве анод-катод число электронов и ионов становится меньшим, а, следовательно, внутреннее сопротивление R₀ возрастает. Тогда при прежних токах I_а падение напряжения будет большим. Иначе говоря, напряжение перераспределяется между R₀ и R_огр. Поскольку R_огр постоянно, а R₀ возросло, то напряжение на последнем увеличится.

На аноде газотрона рассеивается сравнительно небольшая мощность. Вообще мощность потерь в газотроне P_пот= I_а U_а невелика, так как напряжение U_а меньше, чем в кенотронах, работающих с тем же током. А мощность, выделяемая на аноде P_а, в газотроне еще меньше. Ведь часть энергии движущихся электронов расходуется на возбуждение и ионизацию атомов газа и на более слабые соударения с атомами, не вызывающие их возбуждения. В результате этих процессов газ нагревается и светится. Вследствие того, что P_а мало, анод имеет сравнительно небольшие размеры и его охлаждение не создает затруднений. В кенотронах для охлаждения принимают ряд мер (увеличение поверхности, применение ребер, чернение и т.п.). В газотронах все это нужно в меньшей степени.

Зато работа катода в газотронах оказывается более тяжелой, чем в кенотронах, вследствие бомбардировки катода положительными ионами.

Имея сравнительно большую массу, ионы являются “снарядами тяжелой артиллерии” и разрушают оксидный слой, если их скорость превысит допустимое значение. Например, ионы ртути разрушают оксидный катод при скорости, получаемой под действием анодного напряжения свыше 25 В.

Рисунок 4 Обратный ток в газотронном выпрямителе (а) и схема простейшего выпрямителя с газотроном (б)

Работа газотронов в выпрямителях имеет особенности по сравнению с работой кенотронов. В газотронах наблюдается обратный ток, который отсутствует в кенотронах. Он получается за счет того, что рекомбинация происходит не мгновенно. Когда положительное напряжение на аноде газотрона уменьшается и доходит до нуля, то спадает до нуля и анодный ток (рис. 4). Далее анодное напряжение возрастает в отрицательную сторону, и при этом между электродами еще имеются электроны и ионы, так как для их рекомбинации и полной диэлектризации разрядного промежутка требуется время. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному аноду и, отнимая от него электроны, превращаются в нейтральные атомы. Расход электронов на нейтрализацию ионов пополняется электронами, которые под действием источника напряжения приходят к аноду по проводу анодной цепи (рис. 4), то есть в этом проводе создается ток. А электроны притягиваются из плазмы к положительно заряженному катоду и, попадая на него, создают ток в проводе катода.

В анодной цепи появляется обратный ток i_обр. Его импульс показан на рис. 4а. В начале отрицательного полупериода этот ток отсутствует, так как анодное напряжение равно нулю. Обратный ток исчезает также в момент, когда заканчивается рекомбинация, хотя в этот момент существует довольно сильное поле между электродами. Обратный ток тем больше, чем выше амплитуда обратного напряжения, чем выше частота, так как тогда напряжение нарастает быстрее, и чем медленнее происходит рекомбинация. Большее время рекомбинации соответствует более тяжелым газам, у которых ионы значительно массивнее и менее подвижны. В нормальных условиях обратный ток мал по сравнению с прямым током. Поэтому во многих случаях, в частности при расчетах газотронных выпрямителей его не принимают во внимание. На рис. 4а i_обр показан для наглядности в увеличенном масштабе.

При некоторых условиях обратный ток может сильно возрасти и вызвать явление обратного зажигания. Если i_обр сравнительно большой и обратное напряжение велико, то ионы, ударяя с повышенной скоростью и в большом количестве в анод, выбивают из него электроны. Они полетят ускоренно к катоду, вызывая ионизацию газа. Если ионизация будет иметь перевес над рекомбинацией, то обратный ток будет нарастать, и эмиссия электронов с анода станет увеличиваться. Анод от усиливающейся ионной бомбардировки разогревается и начинает давать термоэлектронную эмиссию. Возникает дуговой разряд при обратной полярности анодного напряжения, который и называют обратным зажиганием. Газотрон теряет свой вентильные свойства, поскольку дуговой разряд проходит в обоих направлениях.

В простейшей однофазной однополупериодной схеме выпрямления обратное зажигание лишь нарушает выпрямляющее действие. В двухполупериодных схемах выпрямления обратное зажигание приводит к короткому замыканию трансформатора питания через малое внутреннее сопротивление двух последовательно соединенных газотронов. Обратное зажигание возникает при повышении выпрямляемого напряжения сверх допустимого значения или при повышении частоты. Для газотронов указывается допустимая амплитуда обратного напряжения при частоте 50 Гц. В ртутных газотронах обратное зажигание облегчается при увеличении паров ртути, например вследствие повышенной температуре окружающей среды, вызывающей усиленное испарение ртути. К обратному зажиганию может привести также попадание капелек ртути на анод, что возможно во время транспортировки. Поэтому при первоначальном включении следует ртутные газотроны прогревать более долго, чтобы ртуть с анода испарилась. Эти газотроны должны эксплуатироваться и транспортироваться в вертикальном положении.

К основным параметрам газотронов относятся:

- напряжение и ток накала;

- допустимый выпрямленный (постоянный) ток;

- допустимое обратное напряжение;

- падение напряжения на газотроне при максимальном токе;

- время прогрева перед включением анодного напряжения;

- срок службы и допустимые пределы температуры окружающей среды.

Маркировка газотронов содержит на первом месте буквы ГР для ртутных приборов или ГГ для газотронов с инертными газами. Затем после тире ставится дробь, числитель которой означает максимальный выпрямленный ток в амперах, а знаменатель - максимально допустимое обратное напряжение в киловольтах.

Например, ГР-0,25/1,5 означает: газотрон ртутный, на выпрямленный ток до 0,25 А и обратное напряжение до 1,5 кВ.

Значительно более широко, чем газотроны, применяются тиратроны.

Тиратроны могут быть как дугового, так и тлеющего разряда и представляют собой ионный прибор, содержащий анод, катод, одну или несколько сеток.

Наиболее часто применяются тиратроны с накаленным катодом, работающие в режиме несамостоятельного дугового разряда. Они используются для выпрямления переменного тока и как реле в автоматике, телеуправлении, импульсной технике, радиолокации и других областях. По многим свойствам тиратроны сходны с газотронами, но сетка позволяет управлять моментом возникновения разряда. Название “тиратрон” происходит от греческого слова “тира” - “дверь”, подчеркивающего возможность “открывания” тиратрона с помощью сетки.

Устройство тиратрона с одной сеткой показано на рис. 5. В зависимости от режима работы различают низковольтные, высоковольтные и импульсные тиратроны. Баллоны низковольтных тиратронов наполняются инертными газами, высоковольтных - ртутными парами, а импульсных - водородом. Роль сеток в тиратронах выполняют обычно никелевые или молибденовые диски с отверстиями разной формы и величины.

Сетка в тиратроне обладает более ограниченным действием, нежели в вакуумных триодах: с помощью сетки можно только отпереть тиратрон, но нельзя изменять (регулировать) анодный ток. После возникновения разряда сетка теряет управляющее действие и тиратрон не отличается по свойствам от газотрона, если не считать некоторого бесполезного тока в цепи сетки. Прекратить разряд в тиратроне можно только понижением анодного напряжения до величины, при которой дуговой разряд не сможет существовать, или разрывом анодной цепи.

Роль сетки в тиратроне заключается в том, что при положительном напряжении анода можно держать тиратрон в запертом состоянии с помощью отрицательного напряжения сетки. При уменьшении этого напряжения или повышении анодного в тиратроне возникает разряд, то есть тиратрон отпирается. Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем при более высоком анодном напряжении возникает разряд. Это объясняется тем, что при отрицательном сеточном напряжении в промежутке сетка-катод существует тормозящее поле, которое создает высокий потенциальный барьер для электронов, эмиттированных катодом. Электроны не смогут преодолевать этот барьер и пролетать свкозь сетку к аноду. Уменьшение отрицательного потенциала сетки или увеличение анодного напряжения понижает потенциальный барьер на участке сетка-катод. Когда электроны начинают его преодолевать, то они движутся через сетку к аноду, набирают скорость, нужную для ионизации, и возникает дуговой разряд.

Зависимость между анодным напряжением возникновения разряда U_з и напряжением на сетке называется пусковой характеристикой или характеристикой зажигания тиратрона.

Изменяя напряжение на сетке, можно менять напряженность электрического поля и управлять моментом начала разряда - “зажиганием” тиратрона. Напряжение на сетке, при котором возникает разряд, зависит также от анодного напряжения.

Особенностью тиратронов является непостоянство пусковой характеристики. Если снимать ее несколько раз, то окажется, что она располагается в пределах некоторой пусковой области.

В тиратронах при достаточно больших анодных напряжениях может возникнуть самостоятельный тлеющий разряд между сеткой и анодом. Поэтому для каждого типа прибора существует предельно допустимое анодное напряжение. Чтобы устранить это вредное явление и повысить предельное напряжение, в тиратрон вводится еще одна, экранирующая сетка. Она позволяет также расширить пределы управления током тиратрона.

Тиратроны используются в схемах электронных реле, позволяющих при малых токах в управляющей цепи включать и выключать сильноточные устройства, а также в схемах выпрямителей переменного тока. В последнем случае, изменяя напряжение на сетке, можно легко управлять величиной выпрямленного тока. Зажигание тиратрона происходит во время положительного полупериода переменного напряжения на аноде, в момент, зависящий от заданного напряжения на сетке. После зажигания напряжение на аноде снижается до значения, определяемого падением напряжения между электродами при дуговом разряде (15...20 В). От момента зажигания и до конца положительного полупериода тиратрон пропускает ток. Длительность импульса анодного тока, а, следовательно, и его среднее значение можно регулировать, изменяя напряжение на сетке и управляя моментом зажигания.

Список использованной литературы

1. Анашкин В.А., Колосов Л.В. Основы микроэлектроники. ч.II. Основы функциональной микроэлектроники. Ставрополь: СВВИУС, 1989, с. 3-24.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Уч. пос. для приборостроит. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1987.

3. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983.

Размещено на Allbest.ru