Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
П. Ю. ВОЛОЩЕНКО Ю. П. ВОЛОЩЕНКО
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
ЭЛЕКТРОННОЙ ЦЕПИ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета
2021
1
Оглавление
УДК 621.3.01:537.86(075.8)
ББК 31.21я73 В686
Печатается по решению кафедры радиотехнической электроники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета
(протокол № 3 от 21 апреля 2021 г.)
Рецензенты:
заместитель генерального директора по качеству ОАО «ТНИИС» (г. Таганрог), кандидат технических наук,
старший научный сотрудник А. Ф. Гришков
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных измерительных технологий и систем Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ И. И. Турулин
Волощенко, П. Ю.
В686 Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи : учебное пособие / П. Ю. Волощенко, Ю. П. Волощенко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 118 с.
ISBN 978-5-9275-3957-4
В учебном пособии излагаются вопросы моделирования электрических процессов в газонаполненных элементах, формирующих электронную цепь.
Приведены графические изображения и аналитические соотношения, необходимые для оценки критериев ионизации и возбуждения элементарных частиц, пояснения механизма взаимодействия электронов и ионов, атомов и квантов электромагнитной энергии различных диапазонов частот. Изложен принцип работы и рассмотрены вольт-амперные характеристики ламп и трубок с разным типом разряда, зависящим от электропроводимости веществ, размеров и материала электродов, температуры окружающей среды и т.п. Описана специфика конструирования ионизационной камеры и дымового датчика, счетчика Гейгера-Мюллера и источников света при низком и высоком давлении газа или пара металлов.
Подобное издание обеспечивает реализацию образовательных программ подготовки бакалавров и магистров направлений 11.03.03, 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств, 11.03.04, 11.04.04 – Электроника и наноэлектроника и 13.03.02, 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника.
УДК 621.3.01:537.86(075.8) ББК 31.21я73
ISBN 978-5-9275-3957-4
©Южный федеральный университет, 2021
©Волощенко П. Ю., Волощенко Ю. П., 2021
©Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2021
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. |
5 |
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ …………………….. |
7 |
1.1. Свойства элементарных частиц …………………………… |
7 |
1.2. Процессы взаимодействия элементарных частиц ………... |
12 |
1.2.1. Моделирование упругих соударений элементарных ча- |
|
стиц …………………………………………………………………… |
13 |
1.2.2. Модель неупругих соударений элементарных частиц .. |
15 |
1.2.3. Вероятностная модель взаимодействия двух частиц |
17 |
1.3. Статистические явления в разрядах ………………………. |
19 |
1.3.1. Моделирование движения элементарных частиц ……. |
19 |
1.3.2. Моделирование процесса ионизации газа ………………. |
27 |
1.4. Классификация электрических разрядов в газах …………. |
32 |
1.4.1. Модель тихого (темного) разряда ………………………. |
32 |
1.4.2. Элементарные процессы в тлеющем разряде …………. |
38 |
1.4.3. Элементарные процессы в дуговом разряде …………… |
44 |
1.4.4. Анализ условий нестабильности газового разряда …… |
46 |
1.5.Моделирование колебательного движения дискретного электрона и иона ………………………………………………... 49
1.6.Феноменологическое моделирование газоразрядной плаз-
мы при воздействии сверхвысокочастотного сигнала ……….. |
52 |
1.7. Феноменологическая модель среды при учете соударений |
|
электронов с нейтральными плазмы …………………………... |
55 |
2. ПАРАМЕТРЫ И КОНСТРУКЦИИ ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ |
|
ЭЛЕМЕНТОВ …………………………………………………….. |
60 |
2.1. Общие закономерности электрических процессов в газо- |
|
разрядных приборах ……………………………………………. |
60 |
2.2. Классификация газоразрядных приборов ………………… |
61 |
2.3. Моделирование газовой среды в газонаполненных эле- |
|
ментах …………………………………………………………… |
62 |
2.4. Электровакуумные приборы с холодным катодом ………. |
66 |
2.4.1. Моделирование процессов в приборах тихого разряда |
66 |
3
Оглавление
2.4.2. Ионизационная камера …………………………………….. |
67 |
2.4.3. Ионизационный дымовой извещатель XP95 …………… |
70 |
2.4.4. Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера – Мюл- |
|
лера ……………………………………………………………………… |
72 |
2.5. Газонаполненные элементы тлеющего разряда ………….. |
76 |
2.6. Источники света дугового разряда ………………………... |
78 |
2.6.1.Натриевые лампы …………………………………………... 81
2.6.2.Разряд в смеси паров ртути с инертным газом и лю-
минесцентные лампы ……………………………………………… |
83 |
2.6.3. Ртутные лампы высокого давления …………………….. |
88 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ …………………………………… |
91 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………… |
114 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………….. |
115 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Еще в середине XX века газонаполненные элементы самого различного исполнения и назначения получили широкое применение в промышленности и военной технике, здравоохранении и быту. Такие электровакуумные приборы использовались в электротехнике, как преобразователи тока и напряжения в высоковольтных электрических цепях, бесконтактные реле в схемах автоматики, устройства регулировки и защиты для проведения измерений, например, уровня радиации. Кроме того, значительную нишу среди современных источников светового и ультрафиолетового излучения занимает другой тип газоразрядных приборов – люминесцентные и кварцевые лампы, обеспечивающие освещение и дезинфекцию помещений в медицинских учреждениях. Вышеупомянутые области использования газонаполненных элементов обуславливают необходимость включения сведений об электрическом разряде в газах и парах металлов в программы подготовки специалистов по электротехническим и электронным инженерным направлениям и специальностям.
В учебном пособии излагаются вопросы моделирования электрических процессов в газонаполненных элементах, которые совместно с пассивными электро- и радиокомпонентами формируют управляемые электронные цепи. В первом разделе учебного пособия рассматриваются условия возникновения и существования стационарного газового разряда, на основе статистического изучения свойств электронно-ионной плазмы и процессов их взаимодействия с атомами и молекулами, влияния фотонов на явления в электрических разрядах. Приведенная информация, в частности, позволяет при электротехнических работах по размещению ламп в домах и на улице оптимизировать их тепловые режимы с целью минимизации энергопотребления. Во втором разделе пособия описаны конструкции и характеристики некоторых газонаполненных элементов, таких как электровакуумные приборы с холодным и подогреваемым катодом, источники света тлеющего и дугового разряда. Приведены графики и аналитические соотношения, необходимые для оценки критериев ионизации и возбуждения электронов в атомах, пояснения механизма движения отрицательных, положительных и нейтральных элементарных частиц в электрическом поле. Изложен принцип
5
Введение
включения в электронную цепь ламп и трубок с разным типом разряда, зависящим от электропроводимости и состава веществ, размеров и материала электродов, температуры и давления окружающей среды и т.п.
Учебное издание ориентировано на студентов, обучающихся по образовательным программам направлений подготовки бакалавров и магистров 11.03.03, 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств, 11.03.04, 11.04.04 – Электроника и наноэлектроника и 13.03.02, 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника.
6
1.1.Свойства элементарных частиц
1.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ
1.1.Свойства элементарных частиц
Вфизике под элементарными частицами принято понимать такие объекты, которые никакими воздействиями (характер и интенсивность которых ничем не ограничиваются), не могут быть разделены на более мелкие составляющие. Вместе с тем допускается возможность превращения одних частиц в другие. В химии считается, что элементарные частицы неделимы без потери ими индивидуальных свойств любыми химическими способами, перечень которых по своей природе ограничен следующим фактором. При каждом акте явления преобразования строения молекул выделяется или поглощается энергия в несколько электрон-вольт (самое большое 20÷25 эВ). Поэтому атомы и молекулы, в рамках классической химии, представляют собой элементарные частички, а для физики – нет.
Входе электронных и ионных процессов энергии, передаваемые элементарным частичкам, близки к энергиям химических превращений, а когда и больше их. Однако этот уровень воздействий недостаточен для получения микрочастиц с точки зрения физики, таких как ядра атомов, позитроны, нейтроны, мезоны и т.д. Поэтому в технической электронике и наноэлектронике будем иметь в виду элементарные частицы в химическом смысле (атомы, молекулы) с добавлением к ним положительных и отрицательных ионов, электронов и фотонов [1–23].
Рассмотрим базовые свойства упомянутых выше элементарных частиц. Параметры (заряд и масса, классический радиус и т.д.) электронов были уже рассмотрены подробно ранее [1, 2]. О фотонах достаточно помнить лишь, что их масса покоя равна нулю, энергия определяется через ча-
стоту известным выражением W = h , а скорость распространения в пучке есть скорость света c [3]. Наиболее важно, таким образом, изучить свойства нормальных и возбужденных атомов и молекул, а также получающихся из них ионов [4–17].
Атомы всех веществ, как известно, состоят из положительно заряженного тяжелого ядра и некоторого количества электронов, образующих около ядра электронные оболочки [5–17]. Большая часть электронов,
7
1. Электрический разряд в газах
расположенных сравнительно близко к ядру, прочно связана с ним. Поэтому при электрическом разряде в газе характер их движения в атомах не нарушается. Внешние электроны атома слабо связаны с ним, и изменение их движений и энергии определяет легко замечаемую перемену химических или оптических свойств атомов.
Поэтому будем интересоваться главным образом поведением одного наружного электрона, слабее всех связанного с атомом. Выделяемый электрон может в атоме иметь разные состояния движения с отличающими энергиями. Следовательно, атом может находиться в состояниях с различными, соответствующими им энергиями, которые можно приписывать рассматриваемому электрону. Устойчивость этих состояний определяется квантовыми законами и возможно не при всяких значениях энергии. Ранее было показано, что устойчивые состояния атома отвечают лишь ряду строго определенных уровней энергии (рис. 1), а все прочие ситуации, соответствующие промежуточным вариантам между этими значениями энергии, неустойчивые.
W
W∞
W3
W2
W1
W0
Рис. 1. Графическое изображение энергетической модели атома
Атом, имеющий наименьшую возможную внутреннюю энергию, может оставаться в этом состоянии неограниченно долго, но если ему искусственно сообщить извне дополнительную энергию достаточной величины (возбудить его), то он может перейти в какое-либо другое устойчивое состояние (W1,W2,…Wn). Однако в этих возбужденных состояниях атом уже не способен находиться сколь угодно долго. Обычно после истечения
8
1.1. Свойства элементарных частиц
времени порядка 10–9 с (что в атомных масштабах представляет собой довольно большой промежуток времени), он возвращается в состояние с наименьшей возможной энергией (W0), которое и называется поэтому нормальным состоянием атома.
При переходе атома из возбужденного в нормальное состояние он вынужден отдать избыточную энергию (Wn–W0), испускаемую обычно в виде фотона (кванта света), с частотой, определяемой из разности
(h ) |
n0 |
= W |
−W |
|
|
|
n |
0 |
. |
(1) |
|
|
|
|
|
Не всегда возбужденный атом может возвратиться в нормальное состояние без внешних побудительных причин. Известно, что квантовые правила запрещают переходы атомов из одних состояний в другие, если в этом случае должно произойти значительное изменение в характере движения электронов атома. Не будем подробно рассматривать причины таких запретов в переходах, а учтем лишь, что они существуют. Возбужденные состояния, переход из которых в состояния с меньшей потенциальной энергией запрещен, называются метастабильными состояниями. Однако метастабильные состояния атомов не могут сохраняться неограниченно долго, и под влиянием внешних причин (соударений с другими частицами или стенками приборов) либо по истечению достаточно длительного времени (10–3÷1 с) возвращаются в нормальное состояние. Эти метастабильные состояния вследствие большой длительности их существования, и, следовательно, высокой концентрации среди возбужденных атомов играют большую роль в разряде.
Атом, лишенный одного из своих электронов, имея избыточный положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, называется положительным ионом. В противоположность этому, атом (или молекула), присоединивший электрон и имеющий отрицательный заряд, рассматривается как отрицательный ион. Избыточный электрон обычно захватывают атомы и молекулы, внешняя электронная оболочка которых не заполнена до устойчивой конфигурации, соответствующей инертным газам. Такими элементарными частицами являются атомы галоидов, кислород, молекулы водяного пара и т.п., которые носят название электроотрицательных молекул или атомов.
9
1. Электрический разряд в газах
Положительные и отрицательные ионы могут быть дальше возбуждены за счет изменения в состоянии движения оставшихся в ней электронов, а также могут быть дополнительно ионизированы за счет отрыва одного или большего числа оставшихся электронов. Так образуются многозарядные ионы (как правило – только положительные) и возбужденные ионы. Однако их число и роль в электрических разрядах очень малы, так что практически во всех случаях ими можно пренебречь. По этой причине в дальнейшем будем учитывать только однозарядные ионы и при этом невозбужденные.
На рис. 2 приведено графическое изображение энергетической модели возбуждения и ионизации атома.
|
|
W |
|
|
|
|
Ионизированное состояние |
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
1 |
|
|
W |
0 |
|
e·U |
и |
|
|
|
e·U |
|
|
|
e·U |
в3 |
|
|
|
в2 |
|
|
|
|
e·U |
|
|
|
|
в1 |
|
|
|
|
Нормальное состояние |
|
|
Рис. 2. Графическое изображение энергетической модели возбуждения и ионизации атома
Каждое из возбужденных или ионизированных состояний атома характеризуется известным запасом энергии, которой принято отсчитывать от энергии нормального состояния атома или от значения энергии, соответствующего полностью оторванному электрону (ионизированному состоянию) (см. рис. 2). Запас потенциальной энергии атома в возбужденном состоянии обозначается обычно как произведение заряда электрона е на некоторую эквивалентную величину разности потенциалов Uв (для ионизации соответственно отмечается буквами Uи), измеряемую в вольтах.
10