книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

Г Л А В А 20

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ С НАКАЛЕННЫМ КАТОДОМ

§ 20.1. Газотроны

Газотроном называется газоразрядная двухэлектродная лам­ па с накалённым катодом. В технике связи в высоковольтных выпрямителях для радиопередатчиков широко применяются га­ зотроны, наполненные парами ртути, получающимися вследст­ вие испарения в вакууме ртути, помещённой в небольшом ко­ личестве внутри баллона газотрона.

Устройство газотронов показано на рис. 20.1. В газотронах' применяются оксидные катоды, рассчитанные на малое напря-

Рис. 20.1

жение накала (не выше 5 в). Более высокое напряжение на­ кала в ртутных газотронах брать нельзя, так как в этом случае вследствие низкого потенциала ионизации ртути (10,39 в) за-

540

жигалась бы дуга между концами катода1). Для подведения к катоду необходимой мощности при малом напряжении тре­ буется большой ток накала; поэтому катоды газотронов дела­ ются малого сопротивления из толстой проволоки или ленты, свёртываемой обычно в бифилярную спираль. В мощных газо­ тронах применяются оксидные подогревные катоды, состоящие из нескольких никелевых покрытых оксидом дисков, приварен­ ных к центральной трубке, внутри которой помещён спираль­ ный вольфрамовый подогреватель.

Катоды газотронов так называемой «закрытой» конструкции (рис. 20.16) помещаются внутри цилиндрического экрана, бла­ годаря которому: 1) уменьшается излучение тепла и, следова­ тельно, подводимая к катоду мощность; 2) ослабляется бомбар­ дировка катода ионами, так как часть ионов из плазмы будет притягиваться к экрану, соединённому электрически с катодом; 3) устраняется попадание электронов с катода на стенки бал­ лона, которое иногда приводит к пробиванию баллона, и 4) уве­ личивается способность газотрона выдерживать без пробоя вы­ сокие отрицательные напряжения на аноде. В связи с этим за­ крытую конструкцию, которую раньше имели только мощные газотроны, теперь часто применяют и в маломощных газотронах.

Аноды в газотронах открытой конструкции (рис. 20.1а) де­ лаются из никеля в виде плоского диска; в газотронах закрытой конструкции аноды изготовляются из никеля или графита в виде полусферы или закрытого сверху цилиндра, прикрываю­ щего катод.

Если, установив нормальный накал катода газотрона, посте­ пенно увеличивать анодное напряжение, то при малых Ua (до 10 12 в) в цепи анода будет протекать очень малый ток (по­

рядка 10 -4 а), образуемый электронами, которые доходят до анода в небольшом количестве. Вызвать при этих столкновениях ионизацию электроны не могут, так как скорости их недоста­ точны. При повышении напряжения анода электронный ток медленно увеличивается, пока при некотором значении (нор­ мально оно лежит в пределах от 10 до 12 в) не возникнет силь­ ная ионизация, сопровождающаяся свечением ртутных паров и резким увеличением тока (рис. 20.2). При снятии подобной ха­ рактеристики зажигания в анодную цепь необходимо включать ограничительное сопротивление гвоб = 1000 2000 ом, чтобы резким увеличением тока при зажигании дуги в газотроне не испортить чувствительный прибор, включаемый для измерения малых токов этой характеристики.

') Так как для активировки катода устанавливается напряжение накала на 50% больше нормального, то при питании цепи накала переменным током мгновенная разность потенциалов между концами катода будет равна ймакс~

=■ 1,5 У 2 UH=2,[ UH, где I'н— эффективное .значение нормального напряже­ ния накала.

541

Для снятия рабочей характеристики газотрона (т. е. харак­ теристики в области больших значений тока, при которых газо­ трон используется в рабочих схемах) надо уменьшить ограни­ чительное сопротивление до 8 -М 0 ом и заменить прибор в анодной цепи на более грубый в зависимости от типа исследуе-

Рис. 20.3

мого газотрона. Увеличивая опять анодное напряжение до на­ пряжения зажигания U3, зажигают газотрон и, изменяя путём повышения подводимого к схеме напряжения Еа анодный ток 1а, измеряют падение напряжения в газотроне между катодом и анодом Ua для разных значений анодного тока. Примерный вид характеристик, снятых при нормальном накале катода, по­ казан на рис. 20.3. Из характеристик видно, что после зажигания газотрона падение напряжения в нём сразу несколько умень­ шается. Это связано с тем. что при прохождении через газотрон большего, чем в предзарядный период, электронного тока более частыми являются столкновения электронов с атомами газа. Поэтому наряду с процессами ионизации, требующими от стал­ кивающихся с атомами газа электронов энергии W ^ e U UOH, всё большую роль начинают играть процессы ступенчатой иони­ зации, для которой от сталкивающихся с атомами электронов требуется меньшая энергия: W>eUeo36 (см. § 19.2). В связи с этим при возникновении большого тока в анодной цепи про­ исходит перераспределение напряжения между газотроном и ограничительным сопротивлением. Величина изменения напря­ жения Uа на участке АВ, называемом порогом зажигания, за­ висит, помимо рода газа, его давления и тока эмиссии катода, также от примесей посторонних газов, снижающих средний ионизационный потенциал, и от появления заряда на стенках, которое приводит к затруднению зажигания и, следовательно, к увеличению U3 .

За порогом зажигания идёт пологий участок характеристи­ ки, показывающий, что напряжение горения газотрона Ua мало

542

зависит от величины тока, проходящего через газотрон (кривая 1 на рис. 20.3). Это напряжение в ртутных газотронах нормаль­ но равно 9 + 12 в. Величина тока 1а, проходящего через газо­ трон в рабочем режиме, определяется внешним сопротивлени­

быть тем сильнее, чем больше плотность паров ртути и больше

Падение напряжения в плазме наполненного парами ртути газотрона обычно равняется от 0,2 до 0,5 в/см и зависит от дав­ ления паров и от расстояния до стенок колбы. Влияние этого расстояния обусловлено тем, что на стенки колбы при возник­ новении разряда попадают электроны, которые затем притяги­ вают к себе положительные ионы из плазмы. В силу этого около стенки образуется слой положительных ионов, из которого ионы поступают на стенку и рекомбинируют там с электронами, а на их место из плазмы приходят новые ионы и электроны. Взамен уходящего в виде «стеночного» тока заряженных частиц в плаз­ ме должны быть созданы новые ионы и электроны, на что долж­ на затрачиваться некоторая энергия; падение напряжения в плазме поэтому увеличивается.

токе.

Описанными явлениями в плазме и у анода обусловливается небольшое повышение анодного напряжения с увеличением тока в пологой части рабочей характеристики газотрона.

Очень часто характеристика газотрона имеет вид, показан­ ный на рис. 20.3 кривой 2: с увеличением анодного тока напря­ жение на газотроне после порога зажигания сильно уменьшает­ ся, делаясь значительно меньше потенциала ионизации паров ртути (10,39 в), а иногда даже меньше потенциала возбужде­ ния (4,7 в). Такой вид разряда называется низковольтной ду­ гой; если напряжение на газотроне меньше потенциала иони­ зации, но выше потенциала возбуждения, режим является нор­ мальной низковольтной дугой; если рабочее напряжение ока­ зывается меньше потенциала возбуждения, то низковольтная дуга называется аномальной.

Возможность существования низковольтной дуги объясняет­ ся, во-первых, ступенчатой ионизацией ртутных паров; во-вто-

543

рых, возбуждением релаксационных колебаний тока и напря­ жения в анодной цепи газотрона. Колебания эти возбуждаются следующим образом. При анодном напряжении, достаточном для ионизации паров ртути, анодный ток увеличивается и вме­ сте с тем увеличивается создаваемое этим током падение на­ пряжения в ограничительном сопротивлении. Увеличение напря­ жения на сопротивлении вызывает такое уменьшение напряже­ ния на аноде, что ионизация прекращается; вследствие этого анодный ток уменьшается, напряжение на аноде опять возрас­ тает до прежней величины и процесс повторяется снова. Часто­ та колебаний зависит от параметров анодной цепи, от накала катода и от плотности паров ртути (которая сама зависит от температуры газотрона) и может получиться как в области низ­ ких, так и высоких частот. В таком колебательном режиме на­ пряжение анода непрерывно изменяется, вольтметр же постоян­ ного тока, которым измеряется разность потенциалов между анодом и катодом, будет показывать лишь среднее значение этой разности потенциалов, которое может быть значительно меньше UU0H.

Вследствие большой массы ионы двигаются 'относительно медленно и поэтому главная часть рабочего тока в газотроне

ионов в разряде состоит в компенсации отрицательного прост­ ранственного заряда электронов.

При установившемся режиме, когда число электронов, на­ ходящихся в плазме, остаётся постоянным (динамическое рав­ новесие), из всех электронов, эмитируемых катодом, в плазму будет переходить столько электронов, сколько их из плазмы уходит на анод. Избыточные электроны образуют около катода электронную оболочку, под действием которой более медлен­ ные электроны возвращаются обратно к катоду. Отрицательная электронная оболочка притягивает к себе из плазмы положи­ тельные ионы и отталкивает из близлежащего участка плазмы электроны, вследствие чего на границе плазмы образуется слой (оболочка) из положительных ионов. Разность потенциалов между электронной оболочкой катода и ионным слоем плазмы является катодным падением. При увеличении тока в газотро­

ионная оболочка придвигается ближе к катоду до тех пор, пока анодный ток не сделается равным току эмиссии катода (точка С на характеристике рис. 20.3). Дальнейшее увеличение анодного тока возможно за счёт увеличения эмиссии из катода при бом­ бардировке его ионами, а это требует увеличения напряжения между электродами газотрона, вследствие чего характеристика, начиная с точки С, поднимается кверху.

544

§ 20.2. Рабочий реж и м и параметры газотронов

Пока ток дуги газотрона не превышает тока термоэлектрон­ ной эмиссии катода, напряжение между анодом и катодом из­ меняется относительно немного и сохраняет свою небольшую величину (пологая часть кривой 1 на рис. 20.3). Когда ток в анодной цепи газотрона делается больше тока термоэлектрон­ ной эмиссии катода, падение напряжения в газотроне возрас­ тает и характеристика Ua = f (/„) поднимается кверху (уча­ сток СД на кривой 1 рис. 20.3). Но при повышенном напряже­ нии горения Ьа увеличивается катодное падение, что вызывает усиленную бомбардировку катода положительными ионами; эта бомбардировка, кроме увеличения эмиссии электронов, вызы­ вает также интенсивное распыление активного слоя катода, вследствие чего эмиссионные свойства катода ухудшаются и срок службы газотрона значительно сокращается. Поэтому ра­ бочие режимы газотрона должны выбираться только в преде­ лах пологой части его характеристики при малом анодном на­ пряжении; точка С (рис. 20.3), с которой начинается возраста­ ние падения напряжения в газотроне, определяет наибольшее значение тока, которое может быть допущено в данном газо­ троне.

Этот наибольший допустимый ток 1 а М акс> равный нормаль­ ному току эмиссии катода, является важным, параметром газо­ трона; при работе газотрона в выпрямителе, когда через газо­ трон проходит выпрямленный пульсирующий ток, наибольшее мгновенное значение этого тока (амплитуда импульсов) не должно превосходить величины 1 а м а К с -

Средний выпрямленный ток, который можно получить от га­ зотрона, конечно, меньше 1а макс\ в одноанодных газотронах от­ ношение 1аср к 1амакс равно примерно 1 : 3. При нагрузке газо­ трона непрерывным постоянным током наибольший допустимый ток равен 1а ср ; при прерывистой нагрузке постоянным током наибольший ток может достигать значения 1амакс при условии, что среднее значение тока за определённый промежуток време­ ни, называемый временем усреднения, не превосходило бы вели­ чины 1аср. Время усреднения, равное длительности импульса тока и следующей за ним паузы, для газотронов обычно допус­ кается не свыше 20 сек. Это означает, что при указанном выше

отношении - агр = — наибольшая длительность импульса по-

стоянного тока может быть допущена только 6 -*■ 7 сек.

Падение напряжения в газотроне в сильной степени зависит от количества или плотности паров ртути. При очень малой плотности ртутных паров в пространстве между катодом и ано­ дом ионизацию, достаточную для создания газоразрядной плаз­ мы, можно получить только за счёт повышения скоростей элек-

тронов, вылезающих из катода, увеличением катодного паде­ ния, для чего необходимо увеличивать напряжение Ua .

Плотность ртутных паров в газотроне зависит от давления их и температуры по известному из курса физики уравнению

ме включать высокое напряжение в анодной цепи только после того, как температура газотрона, в частности катодной горлови­ ны его, будет достаточно высокой. Для этого включают сначала

Имеются специальные типы маломощных газотронов, у ко­ торых время прогрева катода составляет всего 5—6 сек. В этих приборах допускается, правда, в облегчённом режиме, одновре­ менное включение накала и анодного напряжения. Конструкция одного из таких газотронов. (типа ГР1-0,25/1,5) показана на рис. 20.5. Этот двуханодный газотрон с ртутным наполнением предназначен для работы в схемах двухполупериодного выпрям­ ления, он имеет величину выпрямленного тока 250 ма и наи­ большее обратное напряжение анода около 1,5 кв. Оксидный катод изготовлен в виде V-образных прямонакальных нитей,

5.16

соединённых последовательно, По внешнему виду, габаритам и параметрам данный газотрон близок к кенотрону типа 5ЦЗС.

В очень холодном помещении или на. открытом воздухе при низкой температуре, где не удаётся обеспечить температуру ка­ тодной горловины выше 15°. ртутные газотроны использовать

го значения U

При работе газотрона в выпрямителе весьма важным свой­ ством его является способность выдержать без пробоя высо кое обратное напряжение. При переходе от положительного полупериода к отрицательному, когда дуга в газотроне гаснет, электроны и ионы в разрядном пространстве исчезают не сра­ зу. Часть их диффундирует к стенкам баллона, где они ней­ трализуются, другая часть дви­ жется к электродам, образуя обратный ток в газотроне. Ве­ личина этого обратного тока обычно мала, но если отрица­ тельный потенциал анода ве­ лик, то ионы, с большой силой

ударяясь об анод, могут вызвать эмиссию электронов с его т> верхности. В этом случае возникает обратное зажигание дуги, приводящее к потере газотроном его вентильного действия. Ве­ личина максимального обратного напряжения Uo6p, которое га­ зотрон может выдержать без зажигания обратной дуги, являет-' ся важным параметром газотрона.

Напряжение обратного зажигания сильно зависит от плот­ ности паров ртути в газотроне: чем выше плотность паров около анода, тем большее количество ионов бомбардирует анод и тем

.меньше величина U0sp-

Во время работы газотрона имеющаяся в нём жидкая ртуть за счёт тепла, излучаемого катодом и анодом, может сильно ■нагреться, что вызовет чрезмерное повышение давления и плот­ ности паров и будет способствовать обратному зажиганию дугги. Во избежание этого нижнюю часть газотрона делают в виде удлинённого цилиндра, чтобы отдалить жидкую ртуть, помещаю­ щуюся на дне этого горла, от нагретых электродов и тем сни­ зить её температуру; для той же цели служит экран, предохра­ няющий нижнюю часть от теплового воздействия катода и ано­ да. Благодаря малому давлению паров и высокой температуре пространства разряда плотность паров около анода получает­ ся малой. Температура катодной горловины при работе газо­ трона не должна превышать 50 60°С, это обеспечивает давле­

ние паров ртути в газотроне порядка 10-2 иж рт. ст. Наимень­ шая же температура катодной горловины, как было выяснено выше,:должна быть не ниже 15°, при этой температуре давление

барием, для чего между катодом и анодом помещают неболь­ шой экран; 2) размеры анода должны быть рассчитаны так, чтобы его температура при полной нагрузке была не выше 500 -т- 600°С; слишком высокая температура опасна вследствие возникновения термоэлектронной эмиссии с поверхности анода. При включении в схему новых, ещё не бывших в работе газо­ тронов необходимо в течение 1—2 час прогреть их, включив только накал без анодного напряжения, чтобы удалить с анода следы ртути, которая могла попасть на анод при транспорти­ ровке газотронов.

Так как наполненные парами ртути газотроны с одним раз­ рядным промежутком выдерживают обратное напряжение толь­ ко до 20 кв, то для выпрямителей на 100 200 кв (например, для рентгеновских установок) изготовляются многосекционные газотроны, в которых разрядное пространство разделено при помощи специальных кольцевых электродов на отдельные сек­ ции (при ПО кв на четыре секции, при 220 кв на восемь). Для получения устойчивого распределения напряжения между от­ дельными секциями эти электроды присоединяются к соответст­ вующим точкам потенциометра высокого напряжения или ёмко­ стного делителя напряжения.

Некоторые типы газотронов наполняют инертными газами. В качестве наполнителя берут преимущественно ксенон и крип­ тон или их смесь, так как эти газы меньше других поглощаются

548

электродами и стенками прибора и имеют большие значения пробивного напряжения. Но всё же и при таком наполнении имеет место некоторое уменьшение давления газа в приборе во время эксплуатации. Поэтому давление в газотронах, наполняе­ мых инертными газами, приходится брать «с запасом» (близко

к 10-1 мм рт. ст.), вследствие чего они имеют меньшую величи­ ну допустимого обратного напряжения, чем соответствующие ртутные газотроны, где давление паров ртути, как указывалось

Достоинствами газотронов, наполненных инертными газами, по сравнению с ртутными газотронами являются: 1) меньшая зависимость работы от окружающей температуры (они могут работать и при морозе, и при жаре 40 Н- 50°); 2) малое время прогрева перед работой (30 —г—60 сек), которое требуется толь­ ко для разогрева катода. Эти качества обусловлены применени­ ем в этих приборах газа, а не пара.

Газотроны находят применение в выпрямительных схемах. В табл. 20.1 приведены данные некоторых газотронов, изготов­ ляемых нашими заводами.§

§ 20.3. Тиратроны

Тиратроном называется газоразрядная лампа с накалённым катодом, в которой, кроме катода и анода, имеются один или несколько дополнительных электродов-сеток. Тиратроны напол­ няют парами ртути или каким-либо инертным газом. Конструк­ ция тиратрона с ртутным наполнением показана на рис. 20.7. Катод и анод тиратрона изготовляются из таких же материалов и имеют такую же конструкцию, как в газотронах соответств'ую-

549