1. Устройство и принцип действия тиратрона

На газовом разряде основано действие таких приборов как газотроны и тиратроны. Тиратрон состоит из катода в виде нити, сетки и анода. Баллон наполнен газом. При прохождении тока через катод, он нагревается и начинает испускать электроны, которые движутся к аноду. Скорость движения электронов определяется соотношением напряжений на сетке U_с и аноде U_а. На сетку подается отрицательный потенциал, и сетка отталкивает электроны. На анод подается положительный потенциал, и он притягивает электроны.

При малых напряжениях на аноде сетка отталкивает электроны и ток через тиратрон равен нулю. С увеличением напряжения на аноде притяжение к нему начинает перекрывать действие сетки, и электроны получают достаточную энергию и могут вызвать ионизацию газа. В баллоне появляется достаточное количество свободных зарядов, образуется газоразрядная плазма и появляется ток. Напряжение, при котором возникает ток, называется напряжением зажигания U_з. Дальнейший рост напряжения на аноде приводит к росту тока. Положительные ионы, возникшие в результате ионизации, притягиваются к сетке и нейтрализуют ее действие. После зажигания тиратрона, сетка не влияет на его работу.

При уменьшении напряжения на аноде, энергия электронов уменьшается, и начинает преобладать процесс рекомбинации, и разряд прекращается при U_а≤U_з.

Тиратрон используется как выключатель, управляемый напряжением. При разных отрицательных напряжениях на сетке, тиратрон включается при разных напряжениях на аноде. Зависимость U_{а з}=f(U_с) позволяет определить при каких напряжениях включается тиратрон. Зависимость величины анодного напряжения, при котором зажигается тиратрон, от величины сеточного напряжения называется статистической пусковой характеристикой тиратрона (рис. 3). С увеличением сеточного напряжения необходим рост и анодного напряжения для зажигания тиратрона (для появления тока), поэтому характеристика имеет падающий характер. Пусковая характеристика считается основной характеристикой тиратрона.

Рис. 3

Каждому значению напряжения на сетке соответствует некоторое определенное значение анодного напряжения, при котором возникает газовый разряд (возникает ток). В данной работе исследуется газовый разряд в тиратроне, имеющем отрицательную пусковую характеристику, которая может быть записана виде:

где С – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции лампы; D – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции лампы, рода газа и его давления.

Тиратроны применяются в различных автоматических устройствах для включения и выключения различных агрегатов, для регулирования скорости электромоторов, контроля над температурой и т.п. Тиратроны применяются в генераторах пилообразных импульсов (генераторы развертки), в стробоскопах, в выпрямителях переменного тока.

2. Порядок выполнения работы

Приборы и принадлежности: тиратрон ТГ-0,1 Т/0,3, источник анодного напряжения 0 – 250 В, источник сеточного напряжения 0 – 25 В, амперметр постоянного тока до 100 µА.

Для снятия вольт-амперной и пусковой характеристики тиратрона используют схему, приведенную на рис.4.

Рис. 4

1. Включить установку тумблером «сеть» и дать ей прогреться в течение 3-4 мин.

2. Вращая ручку регулятора напряжения, подать на сетку тиратрона напряжение .

3. Медленно вращая по часовой стрелке ручку регулятора анодного напряжения U_a, следить за показаниями микроамперметра, регистрирующего ток через тиратрон. Записать значения (U_a)₃ в момент зажигания тиратрона (стрелка микроамперметра скачком выходит из нулевого положения). Повторить измерения 3 раза. Повторить п.3 для . Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

(Ua)3	Uc = -5 В	Uc = -10 В	Uc = -15 В	Uc = -20 В	Uc = -25 В
1
2
3
Ср.

4. Выставить напряжение сетки U_c = -5 В, повышая анодное напряжение, установить момент зажигания тиратрона (появление анодного тока); после зажигания тиратрона, снять зависимость I_a от U_a, записывая показания приборов каждый раз при увеличении U_a на 10 В.

5. Повторить пункт 4 для других значений сеточного напряжения: U_c =-10 В, -15 В, -20 В, -25В. После проведения всех измерений установку выключить. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Uc = -5 В		Uc = -10 В		Uc = -15 В		Uc = -20 В		Uc = -25 В
Ua	Ia (µА)	Ua	Ia (µА)	Ua	Ia	Ua	Ia	Ua	Ia

6. По полученным данным построить на миллиметровой бумаге семейство анодных характеристик I_a=f(U_a) и пусковую характеристику тиратрона – зависимость (U_a)₃ зажигания тиратрона от отрицательного напряжения U_c то есть (U_a)₃ = f(U_c).

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

2. Нарисуйте и поясните общую вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда. Охарактеризуйте несамостоятельный газовый разряд. Каковы условия, необходимые для его существования?

3. Охарактеризуйте самостоятельный разряд и его виды (подробно).

4. Что такое плазма (газоразрядная плазма)? Приведите основные свойства плазмы.

5. Устройство и принцип действия тиратрона.

6. Поясните полученные экспериментальные зависимости.

Задача №1

Объем V газа, заключенного между электродами иониза­ционной камеры, равен 0,5л. Газ ионизируется рентгеновским из­лучением. Сила тока насыщения Сколько пар ионов образуется в 1с в 1см³ газа? Заряд каждого иона равен элементар­ному заряду.

Задача №2

Найти силу тока насыщения между пластинами конденса­тора, если под действием ионизатора в каждом кубическом санти­метре пространства между пластинами конденсатора ежесекундно образуется пар ионов, каждый из которых несет один элемен­тарный заряд. Расстояние d между пластинами конденсатора равно 1см, площадь S пластины равна 100см².

Задача №3

В ионизационной камере, расстояние d между плоскими электродами которой равно 5см, проходит ток насыщения плот­ностью Определить число n пар ионов, образующихся в каждом кубическом сантиметре пространства камеры в 1с.

Задача №4

Какой наименьшей скоростью должен обла­дать электрон для того, чтобы ионизовать атом водорода? Потенциал ионизации атома водорода равен U=13,5 В.

Задача №5

При какой температуре Т атомы ртути имеют кинетическую энергию поступательного движения, доста­точную для ионизации? Потенциал ионизации атома ртути U=10,4 В.

Задача №6

Потенциал ионизации атома гелия U=24,5 В. Найти работу ионизации А.

Задача №7

Потенциал ионизации атома водорода U=13,6 В. Определите температуру, при которой атомы водорода имеют среднюю кинетическую энергию поступательного движения, достаточную для ионизации.

Задача №8

Электромагнитная волна с частотой w распро­страняется в разреженной плазме. Концентрация сво­бодных электронов в плазме равна п_о. Определите зави­симость диэлектрической проницаемости ε плазмы от частоты w. Взаимодействием волны с ионами плазмы пренебречь.

Задача №9

При освещении сосуда с газом рентгеновскими лучами в единице объема в единицу времени ионизуется ­число молекул В результате рекомбинации в сосуде установилось равновесие, причем в единице объема газа находится число ионов каждого знака Найти коэффициент рекомбинации γ.

Задача №10

Посередине между электродами ионизационной камеры пролетела α-частица, двигаясь параллельно электродам, и образо­вала на своем пути цепочку ионов. Спустя какое время после проле­та α- частицы ионы дойдут до электродов, если расстояние d между электродами равно 4см, разность потенциалов U=5кВ и подвиж­ность ионов обоих знаков в среднем b=2 см²/(В·с).

Задача №11

Азот ионизируется рентгеновским излучением. Опреде­лить проводимость G азота, если в каждом кубическом сантиметре газа находится в условиях равновесия n₀=10⁷ пар ионов. Подвиж­ность положительных ионов b₊=1,27 см²/(В·с) и отрицательных b_-=1,81 см²/(В·с).

Задача №12

Воздух между плоскими электродами ионизационной ка­меры ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока I теку­щего через камеру, равна 1,2мкА. Площадь S каждого электрода равна 300см², расстояние между ними d=2см разность потенциа­лов U=100 В. Найти концентрацию n пар ионов между пластина­ми, если ток далек от насыщения. Подвижность положительных ионов b₊=1,4 см²/(В·с) и отрицательных b_-=1,9 см²/(В·с) Заряд каждого иона равен элементарному заряду.

9