2072

ход. В области р–п-перехода начинается интенсивная рекомбинация электронов и дырок, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для таких лазеров применяют в основном арсенид галлия. Длина волны излучения составляет 0,8–0,9 мкм, КПД – 50–60 %. Линейные размеры такого лазера могут достигать 1 мм, мощность излучения – 10 мВт, а в импульсном режиме – до

100 Вт.

12.5. Применение лазерного излучения

Области применения лазерного излучения непрерывно расширяются как в научных исследованиях, так и в технике, медицине, биологии, связи, ядерной энергетике.

Возникла новая область физики – нелинейная оптика, в которой изучают взаимодействие лазерного излучения с веществом. За счет высокой напряженности электрического поля в лазерном луче, превышающей напряженность внутриатомных полей, происходят изменения в электронной оболочке атомов и возникает ряд новых явлений, которые можно использовать, например, в ядерной энергетике (управляемый термоядерный синтез).

13. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

Газоразрядными (ГР) называют приборы, действие которых основано на электрическом разряде в газе.

При изготовлении в баллоне прибора создают вакуум, а затем наполняют баллон инертным газом (неоном, аргоном, гелием, криптоном, ксеноном) или парами ртути с давлением в несколько десятков миллиметров ртутного столба. В баллон ГР-прибора помещают электроды (в простейшем случае – катод и анод), выводы от которых подводят к ножкам цоколя прибора.

13.1. Электрический разряд в газе. Самостоятельный, несамостоятельный разряды

Под действием приложенного извне напряжения в ГР приборе (рис. 13.1) возникает электрический ток. Совокупность явлений в газе при прохождении через него электрического тока называют электрическим разрядом. При электрическом разряде в газе происходят следующие процессы: ионизация атомов газа – расщепление нейтральных атомов на свободные электроны и положительные ионы при соударении электрона с атомом; рекомбинация ионов – соединение положительного иона газа и свободного электрона в нейтральный атом.

151

При рекомбинации электрон переходит с более высокого энергетического уровня, соответствующего зоне проводимости, на более низкий, соответствующий валентной зоне. В результате перехода избыток энергии, равный разности этих уровней, излучается в виде квантов света. Кроме того, в ГР приборах возникает возбуждение атомов при соударении электронов с атомом, если энергия электрона недостаточна для ионизации. При возбуждении атома электроны внешней оболочки на короткое время (10 8 с) переходят на более высокий уровень, после чего возвращаются на прежний уровень, излучая кванты света.

Движущийся в газе электрон приобретает в электрическом поле энергию, величина которой определяется разностью потенциалов между электродами прибора. Разность потенциалов, необходимая для возбуждения, называется потенциалом возбуждения атома. Разность потенциалов, необходимая для ионизации, называется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации выше потенциала возбуждения и зависит от рода газа.

Электрический разряд в газе прекращается при выключении напряжения или уменьшении его величины, когда прекращается ионизация атомов газа движущимися электронами. При этом за счет рекомбинации происходит деионизация газа.

При прохождении электрического тока через ГР прибор различают самостоятельный или несамостоятельный разряды.

Самостоятельный разряд происходит за счет непрерывного образования подвижных носителей заряда в результате бомбардировки катода ионами газа.

Несамостоятельный разряд происходит в результате воздействия на газ внешнего ионизатора (космических и солнечных лучей, электромагнитных излучений, радиации, акала катода или его освещения для получения эмиссии).

Эти два вида разрядов в зависимости от интенсивности ионизации могут быть разных типов: темный разряд, тлеющий, дуговой и искровой.

13.2. Вольт-амперная характеристика газотрона

Рассмотрим ВАХ простейшего ГР прибора с двумя одинаковыми электродами – газотрона, который подключен к источнику постоянного напряжения Ua через балластный резистор с сопротивлением Rб .

Пусть в баллоне, имеющем плоский анод и катод, находится разреженный газ, в котором содержится некоторое количество свободных электронов и положительных ионов в результате естественной ионизации (рис. 13.1, а). При включении источника питания возникает электрическое поле, под действием которого ионы движутся к катоду, а электроны – к аноду. Ток через прибор при этом мал. При увеличении напряжения Ua с

153

помощью потенциометра R1 растет напряженность ускоряющего электрического поля

E Uак l ,

где l – расстояние между анодом и катодом; Uак – напряжение между ними.

Как только Uак достигнет величины потенциала ионизации Uи (точка Б на ВАХ, рис. 13.1, б) увеличивается общее число электронов, приходящих на анод (участок БВ). При таком разряде, когда ток Ia еще мал, практически отсутствует рекомбинация в промежутке между анодом и катодом, и потому свечение газа не наблюдается, так как ионы газа не выбивают вторичные электроны с катода. Такой разряд требует естественной ионизации и его называют темным несамостоятельным разрядом (область I,

рис 13.1, б).

Когда напряжение Uак достигнет значения Uвр (точка В на ВАХ), ио-

ны получают достаточную скорость для того, чтобы вызвать электронную эмиссию с катода. Поэтому несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный. Электроны, выбитые с катода, по пути с катода на анод ионизируют атомы газа. При этом поток электронов на анод лавинообразно нарастает, и сопротивление прибора уменьшается (участок ВГ). Однако процессы рекомбинации еще незначительны, свечения нет, и поэтому такой разряд принято называть темным самостоятельным (область II).

С ростом тока Ia напряжение на приборе падает до некоторой величины (участок ГД ВАХ), обеспечивающей поддержание так называемого тлеющего разряда, при котором увеличивается интенсивность процесса рекомбинации и начинается свечение газа. Цвет свечения определяется видом газа. Например, неон дает красно-оранжевое свечение, аргон – синее, гелий – желтое, пары ртути – сине-зеленое.

Участок IV на ВАХ, соответствующий нормальному тлеющему разряду, используют для стабилизации напряжения. Величина напряжения Uак при этом обычно составляет несколько десятков вольт, а в некоторых приборах – несколько сотен вольт.

Дальнейшее увеличение тока, например путем уменьшения Rб или увеличения Ua, приводит к росту Uак , а это, в свою очередь, приводит к росту интенсивности бомбардировки катода и возникновению аномального тлеющего разряда (участок ЕЖ ВАХ). С нагревом катода растет интенсивность свечения, уменьшается сопротивление прибора и тлеющий разряд переходит в дуговой (участок VI ВАХ).

Дуговой разряд (участок VII ВАХ) характеризуется очень большим током (сотни ампер), низким напряжением Uак (10 – 15 В) и ярким свечением. Этот разряд используют в мощных источниках света, в сварке, в вы-

154

прямителях большой мощности. При дуговом разряде имеет место широкий спектр светового излучения, включая ультрафиолетовое.

При включении ГР прибора в цепь источника напряжения Ua без токоограничивающего резистора процесс лавинообразно проходит стадии всех видов разряда, при этом очень быстро развивается дуговой разряд, разрушающий электроды и выводящий прибор из строя, если мощность источника Ua достаточно велика.

13.3.Распределение потенциала между электродами

вгазоразрядном приборе. Катодное падение напряжения

Рассмотрим распределение потенциала электрического поля в пространстве между анодом и катодом ГР прибора в режиме тлеющего разряда.

При отсутствии тлеющего разряда падение напряжения между анодом и катодом Uак линейно снижается к катоду до нуля, если катод заземлен (рис. 13.2, кривая 1). При достаточно малом расстоянии между анодом и катодом lак по сравнению с их диаметрами напряженность электрического поля

E x x Uак lак const,

т.е. электрическое поле в приборе однородно. При возникновении тлеющего разряда газ ионизируется, причем число ионов и электронов практически одинаково. Этот газ называют электронно-ионной плазмой. Плазма обладает сравнительно высокой электрической проводимостью и занимает практически весь объем баллона (область II), так как нейтральные атомы практически отсутствуют. В плазме беспорядочное тепловое движение заряженных частиц преобладает над их направленным движением, но все же электроны движутся к аноду, а ионы – к катоду.

В связи с высокой проводимостью плазмы распределение потенциала между анодом и катодом при тлеющем разряде определяется кривой 2 (рис. 13.2). Потенциал резко нарастает: от нуля практически до величины Uак на малом расстоянии d от катода (область I), где напряженность электрического поля E Uак d велика. В этой области на ионы действует большая ускоряющая сила и при соударении с катодом они вызывают эмиссию электронов. Катодное падение напряжения в области I поддерживает непрерывный ток через прибор. Ток в основном создается электронами, так как ионы из-за большой массы в плазме имеют малую скорость перемещения.

Вылетевшие с катода электроны, получая высокую скорость в катодной области I, вызывают ионизацию нейтральных молекул газа, компенсируя убыль ионов из-за рекомбинации. При возникновении тлеющего раз-

155

ряда вначале свечение наблюдается у катода, затем по мере увеличения тока свечение распространяется на весь объем плазмы.

2

Рис. 13.2. Распределение потенциала ( f x ) между

электродами газоразрядного прибора при отсутствии разряда (1) и при возникновении тлеющего разряда (2)

13.4.Коронный, высокочастотный, искровой разряды

Втехнике высоких напряжений часто возникает так называемый коронный разряд. Коронный разряд используют в высоковольтных стабилитронах для стабилизации напряжения.

Коронный разряд является самостоятельным разрядом и наблюдается при сравнительно больших давлениях, например, в обычной атмосфере в тех случаях, если хотя бы один из электродов имеет очень малый радиус (острие, заостренный край, тонкая проволочка и др.). В этом случае вблизи острия напряженность электрического поля резко увеличивается и возникает коронный разряд. Необходимое напряжение между электродами при этом составляет несколько сотен или тысяч вольт.

Разрядный промежуток при коронном разряде имеет две области: слой около коронирующего электрода и остальную часть, называемую внешней областью. В коронирующем слое происходит возбуждение атомов и их ионизация, а также рекомбинация, вызывающая свечение газа в этой области.

156

Напряжение стабилизации составляет от семидесяти до нескольких сотен вольт, максимально допустимый ток – до нескольких десятков миллиампер.

В стабилизаторах стабилитрон включают последовательно с балластным сопротивлением и параллельно нагрузке, на которой необходимо обеспечить стабилизацию напряжения (рис. 13.4, в).

Рис. 13.4. Стабилитрон тлеющего разряда: а – конструкция; б – условное графическое и позиционное обозначения при одинаковых и разных электродах; в – схема стабилитрона напряжения

13.6. Тиратроны тлеющего разряда (с холодным катодом)

Эти приборы используются в автоматике, импульсных генераторах, в релейных и счетных устройствах и т.п.

Название «тиратрон» происходит от греческого слова thyra (дверь), подчеркивающего возможность «открывания» тиратрона с помощью внешнего сигнала. В тиратроне кроме анода и катода используют третий электрод – сетку. В отличие от электронных ламп тиратрон с помощью сетки можно только полностью открывать, но нельзя управлять величиной тока. На рис. 13.5 показаны условное графическое обозначение тиратрона с тлеющим разрядом и схема его включения.

Расстояние между электродами и давление газа подбирают так, чтобы между сеткой и катодом возникал темный самостоятельный разряд при более низком напряжении, чем напряжение между анодом и катодом. Для открывания тиратрона между сеткой и катодом подают короткий положительный импульс с напряжением в несколько десятков вольт и длительностью в несколько десятков микросекунд. При этом в промежутке «сетка

– катод» возникает тлеющий разряд, который способствует образованию

158

разряда в остальной области. Это приводит к резкому уменьшению сопротивления тиратрона, а через нагрузку начинает протекать ток, т.е. тиратрон открывается.

ки; Rн – резистор нагрузки; ua – напряжение источника питания

Потеря управляющего действия сетки объясняется тем, что после возникновения разряда сетка окружается плазмой, содержащей большое количество электронов и положительных ионов. Поэтому при изменении управляющего напряжения Uc сетка будет лишь притягивать большее или меньшее количество ионов, создающих сеточный ток, не изменяя существенно электрического поля в промежутке «сетка – катод», так как падение напряжения на балластном сопротивлении Rc , обусловленное протеканием сеточного тока ic , оказывается практически равным напряжению Uc .

На рис. 13.6 приведены схема и осциллограмма выходного напряжения генератора пилообразного напряжения на тиратроне.

В момент включения источника Ea происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1. Как только напряжение Uак достигнет величины напряжения включения Uвкл, возникает тлеющий разряд, тиратрон открывается, конденсатор быстро разряжается до некоторого напряжения Uвыкл , при котором тиратрон выключается. Затем процесс повторяется с определенной частотой. Изменяя емкость конденсатора С1 и сопротивление резистора R1, можно изменить частоту колебаний напряжения на выходе генератора.

Кроме тиратрона с холодным катодом в силовой преобразовательной и импульсной технике применяют тиратроны с подогревным катодом, обладающие односторонней проводимостью. На железнодорожном транспорте

159

получили широкое применение так называемые игнитроны. Это ГР приборы, где в качестве катода используется ртуть. Такие приборы также обладают односторонней проводимостью. Применение жидкого катода позволяет получить большие значения выпрямленных токов, достигающие нескольких тысяч ампер.

Рис. 13.6. Схема генератора линейно изменяющегося напряжения (а) на тиратроне и осциллограмма выходного напряжения (б): 1 – кривая выходного напряжения при

uc uc1; 2 – при uc uc2 , uc2 uc1

13.7.Индикаторные приборы

Кчислу индикаторных приборов относят неоновые лампы, используемые для контроля наличия напряжения, а также цифробуквенные индикаторы, которые широко применяются в радиоэлектронной и измерительной технике.

Неоновые лампы представляют собой ГР приборы тлеющего разряда и работают в режиме с ограничением тока. Схема включения неоновой лампы показана на рис. 13.7. Эти приборы могут работать как при постоянном, так и при переменном напряжении. Напряжение возникновения разряда составляет 50 – 200 В, рабочий ток при нормальном свечении – от десятых долей до десятков миллиампер.

Знаковые индикаторы тлеющего разряда конструктивно представляют собой баллон, заполненный неоном, в котором находятся анод и несколько катодов, выполненных в виде знаков из тонкой проволоки и расположенных один за другим (рис. 13.8). Анод в этих приборах выполняется в виде сетки. Цифровые индикаторы имеют по 10 катодов в виде цифр от 0 до 9, расположенных друг за другом.

При подаче напряжения между анодом и одним из катодов вблизи катода возникает тлеющий разряд, освещающий этот катод. Толщина светящейся линии равна 1 – 2 мм. Применяя катоды различной геометрической формы, можно получить различные видимые знаки.

160