Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие

2.4. Электровакуумные приборы с холодным катодом

слежения; 4 – проводящий корпус; 5 – сигнальный электрод; 6 – сигнальный электрод, подключенный к ИС; 7 – держатель фольги.

Графические изображения (рис. 33–35) ионизационного датчика противопожарной системы совместно поясняют условия эксплуатации, принцип работы и электрические процессы в нем.

Металлические узлы извещателя помещены в единый литой негорючий кожух из белого поликарбоната с ветроустойчивыми отверстиями для впуска дыма (см. рис. 33).

Рис. 33. Внешний вид дымового извещателя XP95

Рис. 34. Упрощенная схема конструкции дымового извещателя XP95

Его проводящий корпус (см. рис. 35) состоит из двух частей: внутренней поверочной и внешней ионизационной камер. Отверстия в стенках этих конструкций закрыты сетками с размерами ячеек, позволяющих защититься от проникновения насекомых.

Держатель источника радиации и внешняя дымовая камера являются положительным и отрицательным электродами соответственно. Радиоактивный элемент, выполненный на основе америция-241, расположен во внутренней поверочной камере. Он облучает воздух в обеих камерах для образования положительных и отрицательных ионов (см. рис. 34). При подаче напряжения на электроды, формируется электрическое поле, эквипотенциальные линии которого изображены на рис. 35. Ионы притягиваются

71

2.Параметры и конструкции газонаполненных элементов

кэлектродам противоположной полярности, некоторые сталкиваются друг с другом и рекомбинируют. В результате в камерах извещателя протекает небольшой ток. Напомним, что в атмосферном воздухе отрицательные ионы по своей численности не только преобладают над электронами, но и являются единственными элементарными зарядами [7].

Рис. 35. Детализированное изображение внутреннего устройства дымового извещателя XP95

Между поверочной и дымовой камерой расположен сигнальный электрод, преобразующий разницу тока камер в напряжение. Когда частицы дыма попадают в камеры, ионы адсорбируются на них, и ток через камеру уменьшается. Этот эффект значительнее в измерительной камере, чем в поверочной области. Подобный дисбаланс приводит к тому, что потенциал чувствительного электрода становится более положительным. Напряжение на сигнальном электроде обрабатывается специализированной микросхемой, осуществляющей по проводам и (или) без них передачу данных по запросу противопожарной системы

2.4.4.Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера – Мюллера

Кпропорциональным счетчикам относят газонаполненные элементы, работающие в области Б ВАХ (см. рис. 32). Если газоразрядный прибор функционирует в области В ВАХ, то его считают счетчиком с ограниченной пропорциональностью.

У пропорционального счетчика амплитуда выходного импульса тока

пропорциональна произведению числа первичных электронов, созданных радиоактивной частицей, на коэффициент газового усиления М. Зависимость количества электронов от энергии частиц известна, и с помощью пропорционального счетчика можно измерять плотность потока излучения

72

2.4.Электровакуумные приборы с холодным катодом

иопределять энергетический спектр частиц. Недостаток пропорциональных счетчиков – относительно малая разрешающая способность, определяемая по наименьшему количеству входящих в счетчик частиц, которые он способен регистрировать.

Большей разрешающей способностью обладают счетчики на базе Г

иД участков характеристики (см. рис. 32), т.е. в области самостоятельного разряда в газе, когда малое количество первичных электронов вызывает лавинообразное размножение носителей и зажигает тлеющий разряд. Счетчики самостоятельного разряда называются счетчиками Гейгера ‒ Мюллера. Требованиями к их работе являются:

−создание первичными электронами, возникающими от каждой частицы, кратковременного самостоятельного разряда, дающего на выходе импульс тока;

−быстрое исчезновение (гашение) разряда и деионизация остаточных зарядов, а также ионизирующих атом газа световых квантов с тем, чтобы к приходу в счетчик следующей радиоактивной частицы могло бы восстановиться исходное состояние газовой среды.

Гашение достигается включением большого сопротивления в цепи анода или обеспечением условий самостоятельного гашения разряда в объеме прибора. В самогасящихся счетчиках быстро исчезают остаточные заряды и фотоны за счет введения в дополнение к основному газу примесей в виде галоидов или метилового спирта. Тяжелые молекулы этих примесей поглощают фотоны и способствуют воссоединению ионов и электронов.

Конструктивная схема цилиндрического самогасящегося счётчика Гейгера – Мюллера приведена на рис. 36, где 1 – тонкое стекло, 2 – катод, 3 – анод [5]. Катод такого газонаполненного элемента выполнен либо в виде цилиндра, или в виде пленки металла, осаждённой на внутреннюю поверхность стеклянной трубки. Анод изготовлен в виде вольфрамовой нити. Наполнение трубки – смесь инертных газов при давлении 13330 Пa (100 мм рт. ст.). Цилиндрический счетчик реагируют на ионизацию, происходящую в любой точке внутри наружного цилиндра. Поэтому они имеют большой чувствительный объём. Внешний вид серийного цилиндрического счетчика СБМ-20 для регистрации жесткого β- и γ-излучения и краткое техническое описание его параметров, приведены на рис. 37, 38 [27].

73

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

2

1

3

Рис. 36. Конструктивная схема цилиндрического самогасящегося счётчика Гейгера – Мюллера

Рис. 37. Внешний вид цилиндрического счетчика СБМ-20 для регистрации жесткого β- и γ-излучения

Рис. 38. Краткое техническое описание параметров цилиндрического счетчика СБМ-20

Чувствительный объём торцевого счетчика (рис. 39) гораздо меньше, так как он ограничивается небольшой областью вблизи бусинки 5.

74

2.4. Электровакуумные приборы с холодным катодом

1

2

3

4

5

6

Рис. 39. Графическое изображение внутреннего устройства торцевого счётчика

Гамма-излучение освобождает электроны из оболочек атомов материала стенок и катода. Эти электроны ионизируют газ. Бета частица (быстрые электроны или позитроны) сами производят ионизацию газа в счетчике. Для сохранения энергии -частиц в счетчике делается окно из тонкого слоя слюды. Так как частота вхождения в счетчик радиоактивных частиц или квантов и импульсов тока от них во много раз превышают предельно достигаемую частоту счета, то между усилителем импульсов и индикатором вводится пересчетное электронное устройство.

Основная характеристика счетчика (счетная) приведена на рис. 40.

Рис. 40. Счетная характеристика счетчика Гейгера – Мюллера

75

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

На участке малого подъема (плато) напряжение питания слабо влияет на скорость счета, а на начальном участке зажигание самостоятельного разряда зависит от числа первичных электронов, создаваемых радиоактивной частицей, а также путей, проходимых ими в ускоряющем постоянном электрическом поле между электродами.

Параметром газонаполненного элемента считается протяженность плато ( U = 50 ÷ 500 В).

2.5. Газонаполненные элементы тлеющего разряда

Нормальный тлеющий разряд существует при токах от 10–4 до 10–1 А/см2 и падении напряжения в разряде от нескольких десятков до сотен вольт. Напряженность электрического поля в прикатодном пространстве постоянна, что дает возможность создавать приборы для стабилизации напряжения. При постоянстве напряжения поле и плотность тока не меняются, т.е. ток пропорционален поверхности катода.

Структура нормального тлеющего разряда и эпюры распределения потенциалов и напряженности электрического поля, объемного заряда (г) и яркости свечения (д) его областей, представлены на рис. 41 [4, 16, 17].

В первой области электроны набирают энергию, во второй – происходит возбуждение атомов, в третьей – электроны снова разгоняются и приобретают энергию, достаточную для ионизации. Считается, что ширина области, обозначенная как Хк, равна средней длине свободного пробега электронов e. На этом же пути ионы разгоняются при движении в сторону катода. В четвертой области происходит генерация ионов, обеспечивающих поддержание самостоятельного разряда.

Здесь:

1 – темная область;

2– область первого катодного свечения;

3– вторая темная область;

4– область второго катодного свечения, или тлеющего свечения;

5– фарадеево – темное пространство;

6– область плазмы;

7– прианодная область.

76

2.5. Газонаполненные элементы тлеющего разряда

Рис. 41. Структура (а) нормального тлеющего разряда и эпюры распределения потенциалов (б) и напряженности (в) поля, объемного заряда (г) и яркости свечения (д) его областей

77

2.Параметры и конструкции газонаполненных элементов

Вкатодной части разряда катодное падение напряжения Uк обеспечивает ускорение ионов, приходящих из четвертой области разряда к катоду и бомбардирующих катод, а также электронов, уходящих от катода и ионизирующих атомы газа.

Рабочим режимом катодной части разряда является режим нормального катодного падения напряжения, когда напряженность электрического поля и плотность тока – фиксированные величины.

Выполняется правило, согласно которому для данной пары «материал катода – газ» катодное падение потенциалов и плотность тока не зависят от силы тока, т.е.

где jк – плотность тока катода – постоянная величина при постоянном анодном напряжении. Для изменений тока изменяют площадь катода Sк, оставляя постоянным Uк. Такой режим работы реализуется в стабилитроне.

На кривой = f(x) из области максимума концентрации ионов большая часть их под действием поля дрейфует к катоду, участвуя вместе с фотонами и метастабильными атомами в процессе ионно-электронной эмиссии. Меньшая их доля диффундирует благодаря наличию градиента концентрации по направлению к аноду. Более подробно механизм и модель электрических процессов при тлеющем разряде, варианты двух- и трехэлектродных конструкций газонаполненных элементов, рассмотрены в [4].

2.6. Источники света дугового разряда

С излучением света газовым разрядом связаны следующие элементарные процессы:

1)возбуждающие столкновения электронов с не возбужденными

атомами;

2)возбуждающие столкновения между быстрыми электронами, что наблюдается при высоких температурах газа;

3)столкновение электронов с возбужденными и метастабильными атомами, в результате которых атом переходит на более высокий возбужденный уровень (второй этап ступенчатой ионизации);

4)поглощение излучения и связанное с этим возбуждение атомов;

78

2.6.Источники света дугового разряда

5)столкновение второго рода, в которых принимают участие возбужденные и метастабильные атомы;

6)рекомбинация электронов и ионов.

Перечисленные процессы подразделяются на первичные, к которым относятся первые два, и вторичные – остальные. Во вторичных процессах участвуют ионизированные, возбужденные или метастабильные атомы, появившиеся в результате первичных процессов.

В разряде низкого давления температура газа невысокая и возбуждения при столкновении атомов практически отсутствуют. Все вторичные процессы, происходящие при столкновениях между атомами, выведенными из нормального состояния, убывают с ростом давления. При этом вероятность поглощения излучения самого разряда также снижается. В основном излучение идет из положительного столба, если расстояние между электродами достаточно велико. При максвелловском распределении электронов по скоростям и обычных для плазмы температурах 104÷3.104 K только небольшая часть быстрых электронов обладает энергией, достаточной для возбуждения атомов нижнего резонансного уровня. Ступенчатая ионизация проявляется слабо, особенно в случае отсутствия метастабильных уровней при низких давлениях.

При возбуждающих столкновениях атомы переходят на один из резонансных уровней и после пребывания на нем в течение 10–7 ÷ 10–8 с возвращаются в нормальное состояние, излучая резонансные уровни. Излучение нерезонансных уровней, соответствующих переходам между высшими уровнями возбуждения, будут относительно слабым.

Как первичные, так и вторичные процессы зависят от давления, с его ростом электронная температура падает и уменьшается относитель-ное число возбужденных атомов, но так как концентрация растет, то количество столкновений увеличивается и увеличивается роль вторичных процессов. При больших давлениях резонансное излучение ослабевает, так как уменьшается доля возбуждающих столкновений. При этом за счет резонансных линий излучения усиливаются линии нерезонансного излучения. При малых давлениях всякое излучение, в том числе и резонансное, слабое, так как мало общее число столкновений.

Перечисленные процессы приводят к изменению баланса энергии в разряде, как показывают диаграммы Клярфельда для разрядов высокого и

79

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

низкого давлений в парах ртути (рис. 42). На диаграммах длина отрезка вертикальной линии, находящегося в какой-либо области графиков (см. рис. 42), дает относительное значение соответствующего вида энергии. Масштаб выбран так, что

где рез – энергия, расходуемая на излучение резонансных линий; нерез – энергия, затрачиваемая на излучение нерезонансных линий; υ – энергия, расходуемая на нагрев газа; – энергия, затрачиваемая на нагрев стенок.

p, мм рт.ст.

б

Рис. 42. Диаграммы Клярфельда для разрядов высокого и низкого давлений в парах ртути [5, 19]

80