Методические рекомендации к лабораторным работам по курсу «Вакуумная электроника» содержат краткое описание физических основ работы электронных ламп, описания электрических схем лабораторных работ, методические указания по их выполнению, задания и контрольные вопросы для подготовки к защите отчетов.

Составитель Н.М. Ткаченко, Харьков, ХНУ им. В.Н Каразина, 2006 г.

Рецензенты: С.П. Мовчан, доц. ХАДИ, В.Б Тютюнник, доц. каф. квантовой радиофизики ХНУ.

Методические рекомендации рассмотрены и утверждены кафедрой полупроводниковой и вакуумной электроники, протокол №4 от 22 января 2006 года.

Содержание

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Работа №8. Изучение тиратрона дугового разряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Работа №9. Изучение газоразрядных ламп с холодным катодом . . . . . 14

Работа №10. Изучение плазмы газового разряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Приложение 1. Параметры ламп, используемых в лабораторных работах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Приложение 2. Система обозначений электронных и ионных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Приложение 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящие методические рекомендации, к лабораторным работам по курсу "Вакуумная электроника" содержат описания лабораторных работ, выполняемых студентами радиофизического факультета в лаборатории вакуумной электроники. В части 1 описаны работы по изучению приемно-усилительных электронных ламп: диодов, триодов, тетродов и пентодов.

Перечень вопросов, изучаемых в лабораторных работах, отнюдь не исчерпывающие соответствует читаемому лекционному курсу. Стремительное развитие в последние два-три десятилетия науки и техники, в том числе электроники, приводит к появлению новых типов электронных и ионных приборов, однако принципы, положенные в основу их работы, остаются неизменными. Новые направления и тенденции в развитии электронных и ионных приборов обусловлены, в основном, успехами в технологии их изготовления, применением новых материалов и расширением функциональных возможностей приборов.

При разработке данного практикума мы пыталась в пределах времени, отведенного программой курса, проиллюстрировать в лабораторных работах наиболее важные, с нашей точки зрения, вопросы соответствующих разделов вакуумной электроники. Описание каждой лабораторной работы содержит ввиду ограниченности объема, только краткие сведения из физики работы электронных приборов, описание электрических схем, методические указания по выполнению работы, задание, контрольные вопросы и список литературы для самостоятельной подготовки к сдаче работ. В первую часть включен раздел "Общие методические указания и техника безопасности в лаборатории", в котором описан лабораторный стенд, порядок подготовки к выполнению работ, требования к отчёту и основные требования техники безопасности.

Работа №8

ИЗУЧЕНИЕ ТИРАТРОНА ДУГОВОГО РАЗРЯДА

В работе изучаются характеристики тиратрона с накаленным катодом и метод фазового управления анодным током тиратрона.

1. Введение

Тиратроном дугового разряда называется газоразрядная лампа, содержащая накаленный катод, анод и один или несколько дополнительных электродов – сеток. Тиратрон по конструкции и характеристикам существенно отличается о вакуумного триода. В тиратронах часто используются плоская система электродов (рис.8.1), состоящая из оксидного катода прямого или косвенного накала с высокой эмиссионной способностью, массивной сетки и анода. Сетка тиратрона имеет одно или несколько отверстий и соединена с цилиндрическим экраном, охватывающим катод и анод. Этим ограничивается разряженный объем и исключается всякая возможность перехода электронов от катода к аноду помимо отверстий в сетке. Тиратроны наполняются парами ртути, инертными газами или водородом при давлении 10^-2-10^-3мм рт.ст.

В отличие от вакуумных триодов, в которых сетка плавно управляет анодным током, в тиратронах существует всего два устойчивых состояния: запертое и открытое или зажжённое. Рассмотрим анодно-сеточную характеристику тиратрона (рис.8.2). При большом отрицательном напряжении на сетке тиратрон заперт, так как сетка не пропускает электроны от катода к аноду. При некотором напряжении на

с

Рис.8.2. Анодно-сеточная характеристика тиратрона

Рис.8.4. Образование ионной оболочки вокруг сетки тиратрона

етке электроны начинают проникать в пространство сетка-анод, в котором существует большое электрическое поле. Ускоряясь в этом поле, электроны получают энергию, достаточную для ионизации атомов газа. Образовавшиеся в результате ионизации атомов газа положительные иона движутся к катоду и сетке, повышая потенциал пространства вблизи катода и сетки. Это приводит к тому, что большее число электронов проникает в пространство сетка-анод, образуется больше положительных ионов и т.д. Процесс развивается лавинообразно и приводит к резкому увеличению тока (участок АВ на рис.8.2). В тиратроне зажигается дуговой разряд и значение установившегося тока тиратрона определяется только свойствами катода, напряжением на аноде и величиной сопротивления внешней цепи. Дальнейшее увеличение или уменьшение напряжения на сетке анодного тока е изменяет (сетка тиратрона после зажигания разряда теряет управляющее действие). В зажжённом тиратроне распределение потенциала резко изменяется.

Рис.8.3. Распределение потенциала в тиратроне

Рис.8.5. Анодная характеристика тиратрона

На рис.8.3 приведено распределение потенциала в тиратроне до зажигания разряда (кривая 1) и после зажигания кривая 2 - в центре отверстия сетки, 3 — в плоскости, проходящей через виток сетки. До зажигания разряда у катода, как и в триоде, образуется минимум потенциала и поток электронов от катода очень мал. После зажигания разряда положительные ионы нейтрализуют действие отрицательного пространственного заряда у катода и устанавливают распределение потенциала, характерное для дугового разряда (кривая 2). Поле на катоде становится ускоряющим, и любой электрон, вышедший из катода, имеет возможность достичь анода. В большей части пространства катод-анод потенциал практически не изменяется. Это область плазмы, в которой концентрации электронов и ионов практически равны.

Положительные ионы из плазмы притягиваются отрицательно заря­женной сеткой и создают вокруг неё динамическую ионную оболочку (рас.8.4.а), которая экранирует разрядное пространство от поля сетки. Толщина этой оболочки обычно значительно меньше размеров отверстия в сетке, поэтому после зажигания разряда сетка перестаёт управлять потоком электронов от катода к аноду (теряет управляющее действие). Погасить тиратрон можно только снизив или полностью сняв напряжение с анода. Восстановление управляющего действия сетки происходит через некоторое время после погасания разряда. Вследствие уменьшения концентрации ионов в плазме толщина ионной оболочки вокруг сетки будет увеличиваться. Когда расширяющаяся ионная оболочка заполнит полностью отверстие в сетке (рис.8.4.б), поле сетки не будет полностью экранироваться ионами и сетка восстановит управляющее действие. Время восстановления управляющего действия сетки зависит от рода газа и его давления, напряжения на сетке и величины ионного тока в цепи сетки. Это время в тиратронах, наполненных инертными газами, составляет 10^-3-10^-4с, в тиратронах с водородным наполне­нием достигает 10^-6с. В связи с этим рабочая частота тиратронов не превышает в лучшем случае 1мГц.