Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие

2.2. Классификация газоразрядных приборов

элементами электронной цепи, имеющими вакуумную среду движения элементарных частиц.

Важным условием работы двух-, трех- и многоэлектродных конструкций является отсутствие взаимодействия газа-наполнителя с материалами ламп и трубок. Адсорбция газа на арматуре или химические реакции с ней вызывают колебания давления и параметров приборов. По этой причине широко применяются инертные газы, кислород, водород и пары ртути. Наполнение необходимым газом проводится после откачки прибора. Например, пары ртути вводятся в стеклянных ампулах, армированных металлом. Нагрев электрическим током размягчает и рвет ампулу от давления изнутри. После разрушения тонкостенной колбы ампулы пар заполняет объем герметизирующего баллона прибора.

2.2. Классификация газоразрядных приборов

Классификационными признаками газоразрядных приборов являются следующие параметры.

1.Давление газовой среды: приборы низкого давления 0,13 ÷ 13 Па (10–3 ÷ 10–1 мм рт.ст.), среднего 13 ÷ 13330 Па (10–1 ÷ 100 мм рт.ст.) и высо-

кого 13330 Па ÷ 10 МПа (100 мм рт.ст. ÷ 100 атм.).

2.Вид разряда: различают приборы самостоятельного и несамостоятельного разряда. В первом виде энергия, необходимая для эмиссии электронов из катода, черпается в самом разряде, т.е. электроны выбиваются ионной бомбардировкой. Во втором виде ионизатором, т.е. источником электронов, является термоэлектронный катод.

3.Характер разряда: тлеющий, дуговой, коронный и другие.

4.Тип катода: используются холодные катоды из твердого металла

счистой и активированной поверхностью; накаливаемые оксидные или торированные катоды; жидкие ртутные катоды.

Кроме этих групп существуют еще группы приборов, не соответствующие основным классификационным признакам и не указанные в перечне. Среди них:

−газоразрядные источники света, работающие при давлении 0,13 ÷ 13 Па (10–3÷ 10–1 мм рт. ст.) и наполненные аргоном и парами ртути;

61

2.Параметры и конструкции газонаполненных элементов

−ртутные лампы сверхвысокого давления 2 ÷ 10 МПа (20 ÷ 100 атм), излучающие яркий белый свет;

−люминесцентные лампы, применяющиеся для освещения жилых и производственных помещений, заполняемые аргоном и ртутью при давлении 533 Па (4 мм рт. ст.);

−неоновые сигнальные лампы тлеющего разряда;

−гелиевые и неоновые газонаполненные фотоэлементы, работающие в режиме несамостоятельного разряда;

−газовые лазеры.

На рис. 24. приведена обобщенная вольт-амперная характеристика газового разряда, и обозначены участки: I – тихий несамостоятельный разряд; II – коронный; III – тихий самостоятельный и переход в тлеющий; IV – нормальный тлеющий; V – аномальный тлеющий; VI, VII – дуговой разряд.

Ua

Рис 24. Обобщенная вольт-амперная характеристика газового разряда

На I, II, III участках работают счетчики частиц высоких энергий, стабилитроны коронного разряда, газонаполненные фотоэлементы; на IV – приборы тлеющего разряда, в том числе тиратроны тлеющего разряда, стабилитроны; на V – цифровые и другие индикаторы тлеющего разряда; на VI, VII – ртутные вентили (игнитроны и экзитроны).

2.3. Моделирование газовой среды

вгазонаполненных элементах

Вразреженном газе электроны имеют большую длину свободного пути, позволяющую накапливать энергию для ионизации. Длина свобод-

ного пробега связана с давлением пара Р0 соотношением

62

2.3. Моделирование газовой среды в газонаполненных элементах

где 0 – приведенная константа, зависящая от рода газа и равная свободному пробегу частицы при давлении P0 = 133 Па (1 мм рт.ст.) при 0 °С.

Заполняются газоразрядные приборы гелием, неоном, аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью, а также парами ртути или водородом. Инертные газы практически не образуют отрицательных ионов.

Плотность газа или пара d определяется массой M в единице объема

Здесь буквой V обозначается объем баллона. Зависимость давления от температуры определяется уравнением Клапейрона

где R – универсальная газовая постоянная; – молекулярный вес газа; Р – давление в барах (1б = 1 дин/см); T – температура газа внутри баллона в K. После приведения формул (88), (89), используемых в модели газовой среды к наглядному виду, имеем:

где R – газовая постоянная, отнесенная к 1 г газа. Таким образом, плотность газа или пара в межэлектродном объеме прямо пропорциональна давлению P и обратно пропорциональна температуре T. Вариации внутренней и внешней температур T мало влияют на плотность газа-наполни- теля и значительно влияют на давление и плотность паров ртути (при изменении температуры на 20 С давление паров ртути возрастает в 4 раза).

Характер взаимодействия элементарных частиц при любом виде разряда определяется распределением потенциала и напряженности электрического поля вдоль межэлектродного промежутка, концентрацией носителей зарядов e и i, температурой электронов Te измеряемой в K, характеризующей энергию или скорость электронов. Значения этих параметров и распределение их в разряде определяется давлением, родом газа (пара), конструкцией прибора и т.д.

63

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

На рис. 25 представлен график функции величины Te (в K) от давления при разряде в различных газах и ртути. Падение Tе с увеличением давления обусловлено уменьшением длины свободного пробега носителей заряда. При данном значении P0·R (R – радиус трубки или лампы) температура электронного газа принимает такое значение, при котором энергия электронов достаточна для ионизации атомов газа и восполнения убыли зарядов на деионизацию на стенках прибора (в противном случае разряд не существует).

Рис. 25. Зависимость температуры электронов Te (в K) от давления при разряде в различных газах и ртути

Зависимость продольной напряженности Ez электрического поля в различных газах и парах ртути от давления P0 при диаметре трубки D = 2·R = 2 см приведена на рис. 26. Начальное возрастание напряженности, необходимой для существования разряда при увеличении давления, вызвано возрастающим влиянием потерь энергии электронами на возбуждение. Участок снижения величины Еz объясняется влиянием ступенчатой ионизации, снижающей потенциал ионизации. Возрастание кривых при давлении выше 130 Па (1 мм рт. ст.) вызвано увеличением доли энергии, теряемой электронами при упругих соударениях с атомами газа вследствие уменьшения длины свободного пробега .

Зависимость напряжения возникновения самостоятельного разряда от произведения P0·d (d – расстояние между электродами) экспериментально установлена Пашеном. Кривая Пашена для воздуха представлена на

64

2.3. Моделирование газовой среды в газонаполненных элементах

рис. 27. Видно, что ее можно разбить на два характерных участка. Левая ветвь графика (см. рис. 27) определяет возникновение разряда при малом давлении, высоком вакууме и малых расстояниях между электродами. Правая ветвь кривой (см. рис. 27) возникает при больших расстояниях между электродами.

Рис. 26. Зависимость продольной напряженности Ez электрического поля в различных газах и парах ртути от давления P

Рис. 27. Зависимость напряжения возникновения самостоятельного разряда от произведения давления газа и расстояния

между электродами Pod, мм рт. ст.·мм

На левой ветви функционируют газонаполненные элементы с малым давлением газа или паров: ртутные газотроны, игнитроны, ртутные венти-

65

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

ли и все приборы высокого напряжения. На правой ветви работают приборы среднего и высокого давления.

2.4.Электровакуумные приборы с холодным катодом

2.4.1.Моделирование процессов в приборах тихого разряда

В газоразрядных приборах применяются самостоятельный и несамостоятельный тихий разряды [18–21]. Несамостоятельный разряд существует только при наличии дополнительного ионизатора. Для поддержания самостоятельного разряда достаточна лишь разность потенциалов между анодом и катодом. Критерием возникновения и поддержания самостоя-

где буквы , d, обозначают соответственно коэффициент объемной ионизации, оценивающий её вероятность, расстояние между электродами и коэффициент ионно-электронной эмиссии катода.

Параметр показывает количество актов ионизации, совершаемых одним электроном на 1 см пути вдоль силовых линий электрического поля и зависит от напряжения на электродах. Например, при величине Ua = 10÷15 В коэффициент составляет сотые доли. При ударе ионов о металл электронов выходит мало ( << 1), в то время как коэффициент вто- рично-электронной эмиссии свободных микрочастиц достигает 20 (в частности, для кислородно-цезиевых фотокатодов) .

Если правая часть неравенства (91) больше единицы, т.е. элек- тронно-ионная лавина выбивает из катода один или более электронов, то разряд поддерживается, и он является самостоятельным. Кода записанное соотношение (91) меньше единицы, то разряд гаснет или не зажигается. Тихий, или темный, разряд не сопровождается акустическими или оптическими явлениями, характерен большим сопротивлением, малой плотностью тока – порядка 10–9 ÷ 10–6 А/см2. При увеличении напряженности поля тихий разряд переходит в тлеющий. Распределение потенциалов для разрядов, отмеченных выше четырех типов (рис. 28), зависит от концентрации носителей тока. Для разряда 1 при малом числе носителей зарядов распределение потенциала не отличается от линейной функции, ток тихого

66

2.4. Электровакуумные приборы с холодным катодом

разряда пропорционален количеству актов ионизации (см. рис. 28). В случае других разрядов пропорциональность падения потенциала наблюдается только на катодной области.

Рис. 28. Распределение потенциалов в межэлектродном промежутке

2.4.2. Ионизационная камера

Ионизационная камера – это газонаполненный элемент с холодным катодом и несамостоятельным тихим разрядом, предназначенный для измерения интенсивности ионизирующих излучений, создаваемых рентгеновскими и -лучами, - и -лучами.

Схема устройства и внешней вид ионизационной камеры приведены на рис. 29, 30 [25]. Конструкция рассматриваемого газонаполненного элемента состоит из двух изолированных друг от друга электродов (см. рис. 29). Камера наполняется инертными газами или воздухом при значениях

67

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

давления среды, близких к атмосферным показателям. Высокое давление способствует протеканию объемной деионизации при гашении разряда.

А К

–

Рис. 29. Схема конструкции ионизационной камеры

Ионизационная камера, которая изображена на рис. 30, используется для контроля радиационной обстановки на объектах, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных материалов. Она измеряет мощность фотонного излучения, поглощенного в воздухе, и соединена с электрометром кабелем.

Рис. 30. Внешней вид ионизационной камеры

Работа камеры основана на ионизации газа радиоактивными частицами, вызывающей электрическую проводимость среды в камере и появление тока в нагрузочном сопротивлении электрометра (N). Выходной ток крайне мал (10–12 ÷ 10–13 А). Поэтому необходим внешний усилитель

68

2.4. Электровакуумные приборы с холодным катодом

постоянного тока. Разряд развивается и гаснет вслед за каждой частицей с высокой энергией, проникающей через оболочку камеры. Ток пропорционален числу актов ионизации при постоянном анодном напряжении.

Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры зависит от давления P рабочего газа. При увеличении его значений от P1 до P2 растёт количество актов ионизации и связанный с ними ток (график сдвигается вправо на рис. 31). Смещение вверх происходит из-за возрастания потерь электрической энергии на деионизацию и падения напряжения по этой причине (см. рис. 31).

I

Рис. 31. Вольтамперная характеристика ионизационной камеры для различных значений давления рабочего газа

На рис. 32 приведена полная вольтамперная характеристика разряда счетчика. Здесь Uн – напряжение насыщения; Uп – пороговое напряжение, при котором электрон приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации; Uоп – верхняя граница пропорциональной области импульса; Uг – нижняя граница области Гейгера; Uнепр – верхняя граница области Гейгера и нижняя граница области непрерывного разряда. Кривые на рис. 31 соответствуют: 1 – импульсам от α-частиц, 2 – импульсам от β-частиц. Буква А отмечает область ионизационной камеры, Б – пропорциональная область, В – область ограниченной пропорциональности, Г – область Гейгера, Д – область непрерывных разрядов. Рабочее напряжение прибора выбирается на плоском участке А полной вольтамперной характеристики разряда (см. рис. 32). Этот режим отвечает стадии несамостоятельного разряда, когда из-за малой энергии электронов еще отсутствует процесс газового усиления. На участке подъема вольтамперной характеристики в области А не все

69

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

первичные ионы и электроны достигают электродов при малых напряжённостях электрического поля, так как часть из них рекомбинирует в объеме.

Рис. 32. Режимы работы и полная вольт-амперная характеристика ионизационной камеры.

Чем выше интенсивность ионизации среды радиоактивными частицами, тем больше выходной ток газоразрядного прибора. Поэтому для-частиц плоский участок вольт-амперной характеристики (пунктирная кривая) расположен выше, чем при ионизации -частицами.

Область Б соответствует режиму линейного нарастания потока носителей заряда, приходящих к электродам в 1 секунду. Здесь эффективность ионизационного умножения носителей (коэффициент газового усиления M) зависит только от скорости первичных электронов, участвующих

вактах ударной ионизации.

Вобласти В к ударной ионизации добавляются еще процессы взаимодействия фотонов и ионов с атомами газа, что увеличивает общий ток на электродах измерительной камеры.

2.4.3. Ионизационный дымовой извещатель XP95

Внешний вид и упрощенное изображение дымового извещателя XP95, изготавливаемого компанией «Аполло», показаны на рис. 33–34 [26]. Детализированное графическое изображение дымового извещателя приведено на рис. 35. Здесь 1 – опора белого цвета; 2 – контрольная камера; 3 – камера

70