Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Во многих приборах используется промежуточная область раз­ ряда, которая часто называется положительным столбом. Поло­

жительный столб характеризуетсЯ небольшим положительным

падением потенциала. Прикатодная область называется областью прикатодного падения потенциала. В анодных областях разряда падение потенциала может быть как положительным, так и отри­

цательным, а в катодных - как правило, положительным.

15.З. Приборы тлеющего разряда. Плазменные панели

Тлеющий разряд используется в газоразрядных стабилизато­ рах напряжения (стабилитронах), в электропреобразовательных приборах - тиратронах, в приборах отображения информации

(плазменных панелях, индикаторах), в газовых лазерах, в пере­ ключающих приборах (декатронах) и т. д.

Физические процессы в тлеющем разряде. Тлеющий разряд возникает в разрядном промежутке с холодным (неподогретым)

катодом и характеризуется большим катодным падением по­

тенциала, небольшой плотностью тока, наличием специфиче­ ски выраженных катодных областей (см. рис. 15.2).

В непосредственной близости от катода электроны еще не на­ брали энергии, требующейся для возбуждения газа. Эта часть

разряда не имеет свечения. Как только электроны начнут обла­ дать энергией, достаточной для прямого или ступенчатого воз­

буждения частиц газа, возникает свечение, обусловленное девоз­ буждением атомов и молекул газа. Эта область разряда называет­ ся катодной светящейся пленкой (область 1, см. рис. 15.2, а). Так

как энергия электронов по мере их продвижения к аноду возрас­

тает, то вероятность возбуждения атома падает из-за уменьшения

эффективного сечения взаимодействия при больших энергиях

электронов, что приводит к уменьшению яркости свечения в этой

области по сравнению с предыдущей (пространство между областя­

ми 1 и 2 на рис. 15.2, а). Однако здесь происходит интенсивное воз­

буждение большого числа различных атомных уровней и иониза­ ция атомов. Число электронов лавины быстро возрастает.

Область тлеющего разряда, непосредственно примыкающая к

катодному падению, называется областью отрицательного или

тлеющего свечения (область 2 на рис. 15.2, а). В этой области еще

имеется значительная доля электронов, сохранивiпих направ­

ленную скорость, приобретенную на катодном падении.

и ионизируют их. В результате ток разряда резко увеличивает­

ся и аномальная форма тлеющего разряда переходит в дуговую

(см. п. 15.4).

Многие черты чисто плазменных процессов, без учета при­

электродных явлений, характерных для тлеющего и дугового

разрядов в постоянном электрическом поле, свойственны и раз­ рядам в быстропеременных полях, в которых наличие электро­

дов в разрядном промежутке, что имеет место в разряде на по­

стоянном токе, вообще не является обязательным. Поэтому раз­

ряды часто классифицируют исключая признаки, связанные с

электродными и приэлектродными эффектами. К таким при­

знакам относятся: характер состояния ионизированного газа

при действии внешнего поля и частотный диапазон поля. По

первому признаку основные черты разряда в переменных полях

совпадают с разрядом на постоянном токе. По признаку часто­

ты f разряды разделяются на следующие типы:

1) постоянные, низкочастотные и не слишком кратковремен­

ные импульсные электрические поля, при которых свобод­

ные электроны за характерные времена изменения разря­

да успевают достичь электродов (f ~ 102... 105 Гц);

2) высокочастотные (ВЧ) поля (радиочастотный разряд f

~ 105... 108 Гц), в которых явления наиболее сложны и

многообразны; 3) сверхвысокочастотные (СВЧ) поля, для разрядов которых ха­

рактерна малость амплитуды пространственных колебаний

электрона по сравнению с размерами разрядного объема. В СВЧ-разрядах электроны и ионы при их движении под дей­

ствием поля не достигают стенок, ограничивающих разряд.

Эмиссионные процессы не играют роли, электронная лавина ло­

кализована.ВЧ-разряд занимает промежуточное состояние меж­

ду разрядом на постоянном токе и СВЧ-разр.Ядом.

По способу возбуждения разряды в переменных полях разделя­ ются на индУкцнонные и емкостные. В инду1щионных разрядах для зажигания используются индукционные катушки (соленоиды),

изолированные от разрядного промежутка и формирующие пере­

менное электромагнитное поле в разрядном промежутке.

В емкостных разрядах применяются внешние электроды, изо­

лированные диэлектриком от рабочего плазменного объема.

Стабилитроны. Это двухэлектродные газоразрядные приборы, предназначенные для стабилизации напряжения. Катод стаби-

межутке катод-анод. Измене­

Рис. 15.4

нием тока Ic (напряжения Ис) на

сетке можно управлять анодным напряжением зажигания Иаз ти­

ратрона (рис. 15.4). Зависимости Иаз = f(Ic) или Иаз = f(Uc) назы-

ваются пусковыми характеристиками тиратрона.

Отрицательные сеточные токи Ic на рис. 15.4 соответствуют подаче положительного напряжения Ис на сетку. В результате

при определенных значениях Ис в пространстве между катодом

и сеткой зажигается разряд, который при достаточных анодных

напряжениях Иа охватывает и область между анодом и сеткой

(левая часть характеристики с иаз = const).

В окрестности, близкой к Ic""' О (растущая часть пусковой ха­

рактеристики), напряжения на сетке Ис недостаточно для зажи­ гания вспомогательного разряда, и поэтому требуются большие

анодные напряжения, чтобы проникающее в пространство сет­

ка-катод электрическое поле смогло зажечь разряд. Следова­ тельно, в этой области анодное напряжение зажигания Иаз рас­

тет. Правая подающая часть характеристики связана с зажига­

нием разряда сначала между анодом и сеткой и перекидыванием его в область катод-сетка.

Характерной особенностью тиратронов любого типа являет­

ся то, что после зажигания основного разряда сетка теряет свои

управляющие свойства, т. е. изменение потенциала на сетке не

влияет на разрядный (анодный) ТОК Ia и напряжение иа. Это объясняется тем, что поле сетки экранируется заряженными

частицами плазмы разряда на расстоянии порядка дебаевской длины (см. приложение 2 и гл. 2). После выключения анодного

напряжения происходит деионизация плазмы в разрядном про­

межутке за время 10... 100 мкс, и управляющее действие сетки

восстанавливается.

В четырехэлектродном тиратроне (тетроде) на первую сетку по­

дается положительное напряжение 50... 100 В, обеспечивающее

газ, вызывая появление тлеющего

разряда. Из пусковых характеристик Иаз = f(Uc 2) (рис. 15.5) вид­

но, что зажиганием разряда можно управлять за счет изменения

тока Ic1 первой сетки и напряжения Ис2 на второй.

Анодные характеристики тиратронов Иа = f(Iа> представляют

собой обычную характеристику нормального тлеющего разряда

(см. рис. 15.3).

К основным параметрам тиратронов относятся: напряжения

на электродах относительно катода при возникновении разр.яда,

максимальное значение анодного тока I а• время восстановления

(время деионизации), характерные пусковые токи и напряже­ ния; долговечность, диапазон рабочих температур, механ,ическа.я

прочность. Тиратроны тлеющего разряда имеют относительно не­

большие размеры, высокую стабильность, долговечность, широ­ кий диапазон рабочих температур (-60...+100 °С).

Декатроны. Декатроны - многоэлектродные приборы тлеюще­

го разряда, используемые иногда в качестве счетчиков, цифровых

индикаторов в десятичной системе, делителей частоты и пр.

Промышленностью выпускаются одноимпульсные декатроны,

управляемые одиночными импульсами; коммутирующие декатро­

ны, у которых каждый катод имеет отдельный вывод, что дает

возможность распределить поступающие импульсы по десяти ка­

налам; многоанодныедекатроны - полиатроны для управления зна­

ковыми индикаторами. Полиатроны можно также использовать в качестве счетных приборов.

Газоразрядные (плазменные) панели. Газоразрядные (плаз­

менные) панели (ГРП)- многоэлектродные приборы, исполь­

зующие оптическое излучение тлеющего разряда. ГРП приме­ няются в качестве приборов отображения информации (различ-

1:rого типа индикаторы, дисплеи, многоцветные экраны, в том

.;чnсле и для воспроизведения изображений).

Широкое внедрение персональных компьютеров и телевиде­

ния практически во все сферы человеческой деятельности стиму-

• ·.Пировало, помимо улучшения параметров ЭЛТ, развитие альтер- ' вативных технологических способов отображения информации, к

':.которым относ.яте.я плоскопанельные дисплеи на основе газово­

>·го разр.яда - плазменные панели (ПП) и на основе жидких

~f1 кристаллов (ЖК). ·

~:· По сравнению с ЭЛТ газоразрядные ПП обладают возможно­

['' стью использовать большие размеры экрана при меньшей толщи-

не прибора, лучшие эксплуатационные и эргономические харак­

!~' 'Геристики и в перспективе не меньшую по сравнению с ЭЛТ ин­

,.. формационную емкость при отображении информации. Большая

~

t яркость и контрастность, отсутствие искажении и дрожания изо-

1~1бражени.я, отсутствие магнитных полей и, следовательно, проб­

~. лем сведения электронных лучей, их фокусировки, а также стой­

:; кость ГРП к внешним электромагнитным полям и т. д. делают их

i,,более перспективными по сравнению с ЭЛТ.

~ · с самосканированием. Однако общим конструктивным признаком

· для большинства матричных ГРП .является наличие двух орто­

гональных систем электродов (катодных и анодных), нанесен­

ных или уложенных на стеклянные плоские или гофрированные

пластины, отделенные друг от друга диэлектрической пласти­

ной с матричной системой отверстий, оси которых проходят че­ рез точку пересечения осей электродов (рис. 15.6). Полосковые

·электроды, как правило, прозрачны, чтобы не препятствовать выходу видимого свечения разряда. Пространство между элект­ родами заполняется либо чистыми инертными газами, либо смесью газов при давлении несколько сотен Па. Свечение отдель­

ных частей тлеющего разряда, как указывалось ранее, в основ­ ном обусловлено переходами возбужденных атомов с верхних

энергетических уровней на более низкие. Состав смеси газов под­ бирается таким образом, чтобы увеличить интенсивность процес­ сов ионизации, возбуждения и рекомбинации. Например, при до­

бавлении к неону атомов ксенона велика вероятность реакции

Ne* +Хе~ Хе*+ е + Ne, т. е. в этом случае образование заряжен-

430

Стеклянные

пластины

~=:=ri~~\

Катодные

электроды

\

Анодные

электроды

а)

1

Верхнее стекло

д)

г)

Рис. 15.6