Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Вакуумная и плазменная электроника. Лабораторный практикум
.pdf
В конце находится участок дугового разряда. Для него характерны низкое напряжение и большие токи. Реальные устройства отображения функционируют в области нормального и аномального
тлеющих разрядов. Кроме знания статических условий разряда для
понимания устройства отображения очень важно представлять процессы образования, затухания и механизмы излучения разряда.
Возбуждение газовой ячейки сопровождается воздействием на
поверхности электродов присутствующих в ней атомов и ионов
различных элементов, электронов, метастабильных атомов и фотонов. Плотность и механизм взаимодействия указанных частиц
также зависят от поверхности катода, материала стенок, геометрии ячейки, диффузии и радиации. Реальная вольт-амперная характеристика ячейки хотя и напоминает показанную на рис. 6.1,
но все же во многом определяется геометрией ячейки, давлением
газа, материалом катода и составом газовой смеси. Очень важно в
деталях представлять влияние носителей зарядов (электронов и
ионов), их возникновение и исчезновение, а также взаимодействие
с атомами нейтрального газа. Существует несколько типов вероятных взаимодействий. К ним относятся упругие и неупругие
столкновения, возникновение метастабильных частиц, ударная и
радиационная ионизация, радиоактивный распад и рекомбинация.
Метастабильные частицы – это атомы, возбужденные до уровня
энергии, не приводящей к быстрому радиоактивному распаду. Эти
частицы играют весьма важную роль в работе газоразрядных приборов. Потеря ими энергии происходит только во время столкновений, поэтому они имеют относительно большое время существования.
Без учета рекомбинации количество носителей заряда убывает
при их диффузии из активного объема и взаимодействии со стенками
ячейки. Столкновение положительных ионов с поверхностью катода
может привести к их нейтрализации и распылению материала катода.
Рассмотрение столкновений, приводящих к возбуждению молекулярных соединений или к молекулярной диссоциации, здесь опущено. В качестве наполнителей большинства индикаторных устройств
используются смеси, состоящие только из благородных одноатомных
газов. Наличие же примеси молекулярного газа значительно изменяет характеристики разряда.
62
1.1. Механизм электрического разряда и
эффект Пеннинга
Различные
процессы, описанные выше, либо увеличивают, либо
уменьшают число носителей тока, а также изменяют их энергетическое состояние. Целесообразно более детально рассмотреть влияние
этих процессов на протекание зарядов в ячейке. В нормальных условиях до возникновения разряда в газе находится несколько свободных
электронов. Свободные (первичные) электроны появляются в результате предыдущего разряда или при фотоэлектронной эмиссии с катода
под воздействием окружающего света. Иногда их появление вызвано
радиоактивной ионизацией или попаданием космических лучей.
Так как в основном свободные электроны способствуют зажиганию разряда в приборах, для образования некоторого количества
свободных электронов в ячейке либо поддерживается устойчивый
незатухающий вспомогательный разряд, либо вводится некоторая
порция радиоактивного газа.
В чистых инертных газах бόльшая часть энергии, приобретаемая
электронами в электрическом поле, уходит на возбуждение нейтральных атомов и не способствует ионизации газа. Возбужденные
таким
образом атомы являются метастабильными частицами.
Если энергия, требуемая для образования метастабильных частиц
в данном газе, превосходит энергию ионизации дополнительного газа, возникает смесь Пеннинга (например, к смеси Пеннинга можно
отнести смеси неон–аргон и неон–ксенон). В таком составе метастабильные частицы основного газа (неона) соударяются с примесным
газом (ксеноном или аргоном) и ионизируют его:
*
Ne
+ Xe → Xe+ + e– + Ne.
Нужный эффект при напряжении разряда достигается в том случае,
если примесный газ составляет лишь небольшую часть (0,05–1 %) газовой смеси Пеннинга. Используя эффективное значение первого
коэффициента Таунсенда η, результаты этой реакции можно учесть в
предыдущих выражениях. Так как для ионизации примесного газа
требуется меньшая энергия свободных электронов, чем для непосредственной ионизации неона, метастабильные частицы повышают
эффективность образования пар электрон–ион. И в действительности
значительно бόльшая часть столкновений электрон–атом в этом случае приводит к ионизации. Увеличение процентного содержания
примесного газа сверх определенного уровня вызывает уменьше-
63
ние η. Падение η объясняется потерей электроном при соударениях
большей части энергии, уходящей на возбуждение примесного газа.
Можно отметить, что энергия возбуждения меньше энергии ионизации.
Величина усиления определяется вероятностью передачи при
столкновении энергии, равной энергии ионизации примесного газа,
от метастабильной частицы основного газа. Если в смеси Пеннинга
правильно подобраны энергетические уровни основных метастабильных частиц и примесного газа, эта вероятность увеличивается. В
табл. 6.1 приведены энергетические уровни ионизации и главные
энергетические уровни метастабильных частиц некоторых часто используемых газов. В табл. 6.2 приведены некоторые газовые смеси,
обладающие эффектом Пеннинга.
Таблица 6.1
Энергия ионизации и энергетические уровни метастабильных частиц
некоторых газов, наиболее часто используемых в газоразрядных
индикаторных устройствах
Газ
Гелий 24,6
Неон 21,6
Аргон 15,8
Криптон 14
Ксенон 12,1
Ртуть 10,4
Первые энергетические уровни
ионизации, эВ
Газовые смеси Пеннинга
Основной газ Рекомендуемые примеси
He Ar, Kr, Xe, H2, Hg
Ne Ar, Kr, Xe, H2, Hg
Ar Hg
H
2
Энергетические метаста-
бильные уровни, эВ
19,8
20,7
16,6
16,7
11,5
11,7
9,9
10,5
8,3
9,4
4,7
5,4
Таблица 6.2
Hg
64
Участки газового разряда и электрическое
поле ячейки
рис 6.2 показаны конструкции типичной газовой ячейки и уча-
На
стки газового разряда (положительный столб, отрицательное свечение, темные электродные пространства, темное фарадеево пространство). Кроме того, представлены зависимости интенсивности излучения и градиента потенциала от координаты. Внутри положительного
столба существует небольшой пространственный заряд, потенциал
которого почти не изменяется. Ионы и электроны образуют нейтральную плазму. Очень важно знать характер убывания количества
ионов за счет диффузии к стенкам ячейки, так как правильное сочетание ее со скоростью ионизации определяет малое изменение потенциала положительного столба. Энергия частиц, находящихся в
темном фарадеевом пространстве, вызывает слабое излучение.
Рис. 6.2. Схема газовой ячейки, градиент напряжения
и интенсивность излучения между катодом и анодом
65
Достигшие этого участка электроны потеряли большую часть своей энергии при неупругих столкновениях с атомами газа, находящимися на участке отрицательного свечения. Обычно катодное свечение повторяет форму катода и расположено вблизи него. Малое падение потенциала на единицу длины положительного столба позволяет значительно изменять его размеры. По мере сближения анода и
катода положительный столб уменьшается в размерах, на отрицательном свечении сближение почти не сказывается. Таким образом,
размеры плоских индикаторных панелей выбираются из условия
уменьшения и в некоторых случаях устранения положительного
столба. В большинстве существующих индикаторных устройств излучение положительного столба меньше отрицательного свечения.
При образовании положительного столба электроны притягиваются к аноду, а положительные ионы отталкиваются, что приводит к
появлению у анода отрицательного пространственного заряда и, следовательно, потенциала на этом участке. Анодное падение потенциала приблизительно равно напряжению ионизации газа. Если анод
расположен в темном фарадеевом пространстве, ток обусловливается
наличием избыточных электронов. Правильно выбирая расстояние
между электродами, можно избавиться от положительного столба и
анодного падения потенциала.
1.2. Интервал памяти и подготовка ячейки
Напряжение
V
. Тогда интервал памяти определяется из выражения:
S
Если V
пробоя VB обычно превышает напряжение горения
VV −
интервал
< V < VB, то ответ на вопрос, какое состояние (включения
S
памяти
=
SB
.
(6.1)
V
S
или выключения) является устойчивым, зависит от характера приложенного напряжения. Для наглядности интервал памяти типичной
ячейки можно представить в виде функции межэлектродного расстояния d. С помощью табличных значений постоянных величин
можно определить напряжения пробоя ячейки, наполненной смесью
Пеннинга (неон–ксенон), до достижения давления 175 мм рт. ст.
Плоские параллельные электроды ячейки, выполненные из железа,
имеют напряжение пробоя
V
66
= 195+700d. (6.2)
B
Напряжение горения V
равно сумме падений напряжений на каж-
S
дом участке разрядного промежутка:
V
где V
– падение напряжения на катодном участке; VF – падение на-
C
пряжения на фарадеевом темном пространстве; V
пряжения на положительном столбе; V
= VC + VF + VP + VA,
S
P
– падение напряжения на
a
– падение на-
(6.3)
анодном участке.
Падение напряжения на катодном участке можно выразить в виде
V
где К
– постоянная; dN – длина катодного участка, см; p – давление,
с
= KCpdN,
C
(6.4)
мм рт. ст.
Ввиду того, что на участке нормального тлеющего разряда вели-
чина рd
почти постоянная, то V
N
тоже постоянно и не зависит от
C
давления и межэлектродного расстояния. Катодное падение напряжения увеличиваеться пропорционально рабочей характеристике материала катода и убывает вместе с напряжением ионизации газа. Если d
= 0,004 см, то VC = 150 В.
N
Падение напряжения на фарадеевом темном пространстве также
является постоянной величиной. Оно равно первому резонансному
потенциалу (наименьший уровень возбуждения по отношению к потенциалу земли) примесного газа, т.е. 8,4 эВ для ксенона. Падение
напряжения на положительном столбе определяется следующим образом:
V
где E
– вектор продольной напряженности электрического поля
P
= EPl, (6.5)
P
столба; l – длина столба.
В рассмотренном примере подстановкой d вместо l рабочее выражение сознательно упрощено, значение E
обычно принимается рав-
P
ным 175 В/см. Как отмечено ранее, анодное падение потенциала равно напряжению ионизации примесного газа и в данном случае составляет 12,1 эВ. В итоге получается
V
= 171 + 17,5d. (6.6)
S
Подставив уравнения (6.2) и (6.6) в уравнение (6.1) и упростив,
получим:
67
интервал памяти =
⎛
⎡
⎜
⎜
⎝
996,0
-1 39,1
⎢
()
+ d
⎣
⎞
⎤
⎟
(6.7)
⎥
⎟
1,01
⎦
⎠
При d > 0,05 см с увеличением межэлектродного промежутка рас-
чет и интервал. Когда d = 0,1 см, он равен 0,54.
Подготовленной считается та ячейка, в которой в выключенном
состоянии находится значительное число носителей заряда. Ячейка
может быть подготовлена с помощью метастабильных частиц, носители же образуются во время реакции Пеннинга. Подготовка с помощью метастабильных частиц интересна еще и потому, что, применяя ограничивающую апертуру, можно сделать управляемой диффузию от включенной до соседней выключенной ячейки. Наличие носителей заряда снижает напряжение пробоя подготовленной ячейки
по сравнению с ячейкой, содержащей лишь первичные электроны.
Существование интервала памяти используется при создании
приборов, в которых постоянно поддерживается разряд только в одной из множества параллельно включенных ячеек. Напряжение
включенной ячейки V
меньше напряжения выключенных ячеек.
S
Этим они полностью застрахованы от случайного пробоя. Подготавливая разряд, можно селективно включить одну из ячеек, имеющих
общее ограничивающее сопротивление. Адресованная и подготовленная ячейка имеет пониженное напряжение пробоя, т.е. меньший
интервал памяти и небольшое время включения. При приложении
напряжения, превышающего V
, в подготовленной ячейке происхо-
B
дит разряд, напряжение падает до напряжения горения, а другие
ячейки не загораются. Именно этот механизм используется в самосканирующихся приборах для адресации индикаторных ячеек.
1.3. Временнáя задержка при ионизации
и деионизации
приложении к какой-нибудь ячейке напряжения, равного или
При
превышающего V
, возникает ток, и только после некоторой задерж-
B
ки образуется самостоятельный разряд. Время задержки состоит из
статистического времени отставания и формируемой задержки
рис. 6.3). Более того, даже при напряжении, меньшем V
(
, возбуж-
B
дающаяся перед этим ячейка может снова включиться, что объясняется большим временем затухания ионизации и большой концентрацией метастабильных частиц.
68
Рис. 6.3. Статистическая и образующаяся задержки ионизации
газоразрядной ячейки, зависящие от шагового напряжения
Статистическая задержка. Статистическое время задержки t
(
см. рис. 6.3) – это время между моментом приложения напряжения и
началом протекания тока. Оно находится из выражения
t
=
S
, (6.8)
PN
0
1
где P – вероятность того, что данный свободный электрон вызовет
пробой; N
– число свободных электронов, образующихся в газо-
0
вом промежутке в секунду.
Вероятность P возрастает с увеличением приложенного напряжения.
После включения ячейки первичные электроны образуются двумя
путями. Начальная ионизация внутри панели обеспечивается подготовкой разряда соседней ячейки. Этим практически устраняются статистические запаздывания, уменьшается нестабильность напряжения
пробоя. Кроме того, устраняется необходимость сильного перенапряжения. Если ячейка находится у кромки панели, осуществить ионизацию соседней ячейки невозможно. Достаточная начальная иони-
69
S
зация ячеек этого участка обеспечивается наличием у них небольшого поддерживающего горения разряда.
Формируемая задержка. Формируемая задержка равна времени
нарастания тока от первоначального значения до величины тока пробоя. Для заданного начального значения тока его увеличение начинается лишь с того момента, когда относительно медленные ионы, создаваемые током, возвращаются и бомбардируют катод. При бомбардировке катода создается дополнительное количество электронов.
Повторение этого процесса вызывает увеличение тока. Приближенное выражение возрастания тока записывается в виде
i(t) = i(0) + (ε + 1)i(t–t
где i(t) – величина тока в момент t, i(0) – начальное значение тока; t
), (6.9)
i
–
i
время существования иона; ε – коэффициент, зависящий от η, γ и
приложенного напряжения; t
– время, за которое ток достигнет
F
величины пика горения, оно зависит от коэффициентов Таунсенда и приложенного напряжения.
Более детальное исследование формирующейся задержки проведено в работе. Полное время запаздывания реального прибора с подготовкой разряда обычно не превышает 10 мкс.
Время деионизации. По мере убывания тока населенность ионов,
электронов и метастабильных частиц уменьшается. Этому способствует их диффузия в ячейке и рекомбинации на стенках и в газе. Если
к выключенной ячейке приложить напряжение, меньшее напряжения
горения, заряженные частицы быстро перемещаются к электродам и
нейтрализуются. Удаление частиц и рекомбинация происходят за
считанные микросекунды, что и определяет время деионизации.
Механизм эмиссии
Наиболее
важным свойством индикаторной ячейки, используемой
для отображения информации, является ее способность излучать
свет. Согласно рис. 6.2 только два участка (участок отрицательного
тлеющего разряда и положительный столб) испускают свет. Видимое
излучение вызвано переходами пар возбужденных атомов, энергетические уровни которых находятся чуть ниже уровня ионизации
эВ. Кроме того, существуют очень интенсивное инфракрасное и
21,6
ультрафиолетовое излучения. (УФ-излучение играет большую роль в
цветных индикаторных панелях, использующих люминофоры.) Ввиду различного распределения энергии электронов на участках положительного столба и отрицательного тлеющего разряда интенсив-
70
ность различных спектральных линий на них различна. Так, в неоне,
например, катодное свечение имеет оранжевый цвет, а столб–
красное. Как ранее отмечалось, размеры ячейки выбираются из условия преимущественного использования в качестве светового источника отрицательного свечения.
Излучение участка отрицательного свечения вызвано большим
количеством неупругих столкновений, которые, в свою очередь,
приводят к энергетическим переходам атомов и, следовательно, способствуют излучению световой энергии. Как видно из рис. 6.2, участок свечения находится на таком удалении от поверхности катода,
при котором образуется достаточное количество электронов, способных к неупругим энергетическим соударениям. Участок свечения
определяется расстоянием, на котором электрон теряет энергию,
приобретенную под воздействием катодного падения потенциала.
Имеющийся положительный столб обычно не повторяет форму
электрода. Его форма определяется геометрией ячейки, а длина и радиус меняются в широких пределах. При некоторых размерах столба
его полное излучение может быть весьма значительным.
1.4. Яркость и эффективность газоразрядной
матричной панели
Результирующая
интенсивность излучения участка отрицательно-
го свечения пропорциональна числу неупругих столкновений и, следовательно, току ячейки. Для данной ячейки с увеличением давления
повышается как максимальный ток, так и максимально достижимая
яркость. Добавление небольшого количества примесных газов с
меньшим напряжением ионизации, чем у основного газа (например,
смеси Пеннинга), значительно уменьшает выходное излучение. Так,
например, добавление 0,2 % ксенона к чистому неону понижает
яркость при фиксированном значении тока почти на 37 %.
Указанное явление объясняется меньшей энергией ионизации
ксенона, излучающего в видимом спектре больше, чем неон. Поэтому ионизация ксенона и уменьшение числа быстрых электронов,
стимулирующих излучение неона, происходят очень интенсивно.
Однако в реальных устройствах отображения в смеси Пеннинга используется газ с меньшей энергией ионизации, что позволяет пренебречь потерей яркости.
Минимальная яркость включенной ячейки ограничивается колебаниями релаксации. При очень малых значениях тока емкость ячеечных электродов и вспомогательных цепей, в том числе и большого
ограничивающего сопротивления, включенного последовательно, а
71
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]