7. Контрольные вопросы

1

Рис.9.7. Схема для снятия характеристик тиратрона с холодным катодом

. Начертите распределение потенциала между плоскими электродами при тлеющем разряде. Что такое катодное падение потенциала и какими факторами оно определяется?

2 .Каков механизм тлеющего разряда? Какова роль отдельных его частей?

3. При каких плотностях тока наблюдается тлеющий разряд?

4. Назовите закономерности нормального и аномального тлеющего разрядов.

5. Как возникает тлеющий разряд в стабилитроне?

6. Что такое потенциал зажигания разряда U_з и от чего зависит его величина?

7. Какой электрод стабилитрона имеет большую поверхность и почему? Расскажите о конструкции стабилитрона и принципе его действия.

8. Какие материалы используются при изготовлении катодов стабилитронов? Из каких условий выбирается величина площади поверхности катода стабилитрона? Какими газами и до какого давления наполняются стабилитроны?

9. Для чего в цепь газоразрядного прибора включается балластное сопротивление и из каких соображений выбирается его величина?

10. Назовите основные параметры стабилитрона.

11. Как определяется коэффициент стабилизации по напряжению?

12. Расскажите о конструкции и принципе работы цифровых и двухэлектродных индикаторов тлеющего разряда,

13. Каким газом и до какого давления наполняются индикаторы тлеющего разряда?

14. Назовите основные параметры индикаторов тлеющего разряда.

15. Расскажите о конструкциях и характеристиках тиратронов тлеющего разряда с токовым управлением и принципе их действия.

16. Расскажите о конструкциях и характеристиках тиратронов тлеющего разряда с электростатическим управлением;-

17. Каким газом и до какого давления наполняются тиратроны с холодным катодом?

18. Назовите основные электрические параметры тиратронов с токовым управлением.

19. Объясните механизм пробоя в тиратроне с холодным катодом при наличии подготовительного разряда.

20. Расскажите о процессе деионизации в тиратронах тлеющего разряда и их частотных свойствах.

21. Расскажите о применении тиратронов тлеющего разряда.

22. Каковы преимущества тиратронов с холодным катодом по сравнению с другими коммутирующими приборами?

8. Литература

1. В.Ф. Власов. Электронные и ионные приборы. М., Связьиздат,

1960, §§19.1-19.4; 21.1-21.2.

2. А.А. Генис и др. Приборы тлеющего разряда. Киев,

Гостехиздат, УССР, 1963.

Работа №10

ИЗУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

В работе изучаются основные характеристики тлеющего разряда и методом одиночного зонда измеряются параметры плазмы в положительном столбе разряда.

1. Введение

Электрические разряды в газах представляют собой обширную область физики, которая с каждым годом находит всё больше важных применений в различных отраслях техники. Кроме того, газовый разряд является одним из основных способов получения плазмы – четвёртого состояния вещества. Плазма - это электрически квазинейтральная область ионизированного газа, в которой хаотическое движение частиц преобладает над направленным. Плазма содержит практически равное большое число свободных электронов и положительных ионов, которые относительно слабо взаимодействуют друг с другом.

Газовый разряд – прохождение электрического тока в газах существенно отличается от тока в проводниках ж полупроводниках. Для возникновения тока в любом веществе необходимо два условия: наличие в среде свободных носителей заряда (электронов или ионов) и наличие, сил, вызывающих их направленное движение.

Газ в нормальном состоянии - диэлектрик, не исключая и пары металлов. Ток в газе может возникнуть в двух случаях:

1. Есть одновременно два условия - фактор, обеспечивающий появление в газе свободных носителей зарядов, и электрическое поле любой напряжённости, сообщающее им направленное движение, причём устранение любого из этих двух условий уничтожает ток проводимости. В этом случае газовый разряд называется несамостоятельным.

2. Есть электрическое поле с напряжённостью большей некоторого критического значения, зависящего от условий в газе и на границах окружавших тел, и достаточной для поддержания тока. В этом случае газовый разряд называется самостоятельным.

Т

Рис.10.1. Зависимость напряжения зажигания разряда от pd

аким образом, самостоятельный разряд возникает, если электрическое поле превысит некоторое критическое значение, называемое полем пробоя. Небольшое число свободных электронов, всегда имеющихся в газе, под действием электрического поля приобретают некоторую энергию, которую они передают атомам газа при столкновениях. Если энергия, приобретаемая электроном от поля за время свободного пробега, превысит энергию ионизации, то при столкновении его с атомом газа последний может быть ионизован, т.е. расцеплен на положительный ион и свободный электрон. Новый электрон включается в движение в направлении силы, действующей со стороны электрического поля, и может также производить ионизацию. При достаточно большой напряжённости электрического поля процесс размножения электронов носит лавинообразный характер. Если в некоторой точке пространства (при Х=0) появился электрон, то в результате ионизации число электронов на расстоянииX будет равным е^αХ, где α – число ионизаций, совершаемых электроном на пути 1 см (коэффициент ионизации).

Рассмотрим электрон, вышедший из катода разрядной трубки. В результате ионизации атомов газа число электронов, достигающих анода, расположенного на расстоянии d от катода, будет равным e^αd. В пространстве катод-анод появятся положительные ионы, число которых будет равно e^αd-1. Положительные ионы движутся к катоду и вызывают в результате вторичной эмиссии выход из катода новых электронов. Обозначив коэффициент вторичной эмиссии через γ, число вновь вышедших из катода электронов. получим равным γ(e^αd-1). Очевидно, что если

Рис.10.2. Вольтамперная характеристика газового разряда

, (10.1)

процесс станет стационарным. В промежутке катод-анод будет поддерживаться проводимость и протекать ток, т.е. разряд станет самостоятельным. Поэтому условие (10.1) носит название условия зажигания самостоятельного разряда. Выполнение этого условия зависит от величины напряжённости электрического поля. Напряжение на разрядной трубке, при котором выполняется условие (10.1), называется напряжением зажигания разряда U₃. Оно зависит от материала катода, рода и давления газа и расстояния между электродами. Зависимость U₃ =f(pd) носит название кривой Пашена и имеет вид, приведенный на рис.10.1. Два разряда, у которых расстояния между электродами обратно пропорциональны давлениям газа (p₁d₁=p₂d₂) имеют одинаковое напряжение зажигания и называются подобными разрядами. Значение напряжения зажигания в минимуме кривой U₃=f(pd) зависит от рода газа и материала катода. Для понижения этой величины катоды активируют щёлочными металлами.

Основная характеристика электрического тока – вольтамперная характеристика, у газового разряда резко отличается от характеристики тока в проводниках и полупроводниках. Закон Ома для газового разряда неприменим, зависимость между током и напряжением неоднозначна и часто выражается падающей характеристикой. Вольтамперная характеристика разрядного промежутка с плоскими холодными электродами при пониженных давлениях газа приведена на рис.10.2

Участок ОА на этой кривой соответствует несамостоятельному разряду, участок АВ - таунсендовскому. В точке В происходит переход к самостоятельному тлеющему разряду. Напряжение при этом падает, так как происходит перераспределение потенциала между анодом и катодом трубки: устанавливается катодное падение потенциала, которое остаётся неизменным, пока весь катод не покрыт свечением, а падение потенциала на положительном столбе с ростом тока уменьшается. Тлеющий разряд характерен тем, что при его возникновении разрядный ток в катодных частях заполняет на всё сечение трубки, и в разряде участвует не вся поверхность катода. Для каждого газа и материала катода существует определённая минимальная плотность тока, при которой может существовать тлеющий разряд, называемая нормальной плотностью тока. С ростом общего разрядного тока плотность тока в катодных частях остаётся неизменной, а увеличение тока происходит за счёт роста сечения разряда и площади катода, участвующей в разряде. Пока не весь катод

покрыт свечением, плотность тока и величина катодного падения потенциала, называемого в этом случае нормальным катодным падением, остаются постоянными. Разряд в этом режиме называется нормальным тлеющим разрядом, ему соответствует участок СД вольтамперной характеристики.

Когда вся площадь катода будет покрыта свечением, разрядный ток может увеличиваться только за счёт увеличения плотности тока. Это приводит к увеличению катодного падения потенциала, которое будет называться аномальным, и общего падения напряжения на трубке. Этот режим называется аномальным тлеющим разрядом, ему соответствует участок ДЕ вольтамперной характеристики.

Р

Рис.10.3. Внешний вид и распределение параметров тлеющего разряда

ост напряжения в режиме аномального тлеющего разряда будет продолжаться до тех пор, пока выделяющаяся на катоде энергия не разогреет его до температуры, при которой начинается термоэлектронная эмиссия. После этого напряжение резко уменьшается, разряд переходит в дуговой. Переход к дуговому разряду может также произойти из-за того, что поле на катоде увеличится до значения, при котором начинается электростатическая (автоэлектронная) эмиссия электронов из металла.