Газоразрядные (плазменные) приборы

В электронных вакуумных лампах перенос электрического тока осуществляется электронами. В плазменных лампах (внутри колб которых находится инертный газ) в процессе работы происходит ионизация молекул газа, и возникают положительно заряженные ионы, в результате чего промежуток пространства между катодом и анодом оказывается заполнен плазмой: примерно равным числом электронов и положительно заряженных ионов газа.

В общем случае прохождение электрического тока через любой газ практически всегда сопровождается процессом ионизации — образованием положительных и отрицательных ионов, возникающих при столкновении электронов, движущихся к аноду, с молекулами газа. Ионизация — пороговый процесс: для образования иона энергия движущегося электрона должна быть выше энергии связи валентных электронов с атомным ядром. Если электрон обладает меньшей энергией, то ионизации не происходит. Однако при этом атом возбуждается и полученная энергия переводит один из его валентных электронов на более высокий энергетический уровень, с которого он через некоторое время возвращается в нормальное состояние, излучая избыток энергии в виде электромагнитного кванта. Этот квант может быть затем поглощен ближайшим атомом, что приводит к его возбуждению, после этого квант повторно излучается и может быть захвачен новым атомом и т. д. Таким образом, избыток энергии задерживается в объеме газа на некоторое время, что увеличивает вероятность ионизации. Процесс ионизации неизбежно сопровождается деионизацией (рекомбинацией): положительные ионы захватывают «медленные» электроны, в результате чего появляются возбужденные атомы, излучающие избыток энергии в виде фотонов инфракрасного, ультрафиолетового или видимого света. В процессе ионизации также принимают участие ионы: двигаясь к катоду, они соударяются с атомами газа и, если скорость достаточно велика, производят ионизацию. Достигая катода, ионы вызывают появление вторичных электронов, после этого рекомбинируют с частью эмитированных с поверхности катода электронов и становятся нейтральными.

Наличие в газе тяжелых и малоподвижных положительных ионов приводит к компенсации отрицательного объемного заряда, создаваемого электронным потоком, идущим от катода к аноду, — образуется в целом электрически нейтральная, но достаточно хорошо проводящая электрический ток плазма. В результате этого состояние объема газа между катодом и анодом в какой-то мере напоминает состояние в металлическом проводнике, в котором имеются способные перемещаться электроны проводимости и неподвижные ионизированные атомы металла. При этом падение напряжения на участке катод—анод лампы (а следовательно, и внутреннее сопротивление) становится очень малым.

В принципе плазменные лампы могут работать как с нагретым, так и с холодным катодом, надо только каким-либо образом первоначально пропустить импульс тока между катодом и анодом, после чего ток через прибор самостоятельно поддерживается за счет автоэлектронной эмиссии и вторичной эмиссии электронов, выбиваемых с поверхности отрицательно заряженного катода ударяющимися о него положительными ионами. В режиме холодного катода работает большая часть плазменных ламп. В тех случаях, когда внутреннее сопротивление должно быть минимальным, применяют термоэлектронный катод.

Плазменные лампы управляются электрическими, магнитными, тепловыми или радиационными полями, с помощью которых можно управлять моментом включения и выключения, можно изменять величину рабочего тока или пространственное положение электрического разряда.

При работе в плазменной лампе возникает свечение: рекомбинирующие с электронами ионы отдают излишек энергии в виде света. Поэтому плазменные лампы используются в качестве источников света.

В режиме несамостоятельного газового разряда, при анодных токах в единицы-десятки микроампер, работают ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и детекторы радиоактивных и космических излучений. При работе в этом режиме анодный ток прямо пропорционален интенсивности ионизирующего излучения.

В режиме самостоятельного (тлеющего) разряда, при анодных токах в единицы-десятки миллиампер, работает большинство плазменных ламп, применяемых в электронике. Эго объясняется тем, что: 1) лампы тлеющего разряда легко управляются (моментом включения); 2) в них используется холодный катод; 3) потери электрической энергии на внутреннем сопротивлении малы; 4) при прохождении тока наблюдается яркое свечение, позволяющее находить неисправные лампы, а также применять их в качестве различных индикаторов; 5) лампы тлеющего разряда дешевы, имеют простое устройство и практически неограниченный срок службы.

Важнейшие приборы тлеющего разряда — стабилитроны и индикаторные лампы. Работа стабилитронов основана на свойстве тлеющего разряда поддерживать неизменным напряжение горения при больших изменениях анодного тока.

Яркое свечение тлеющего разряда привело к широкому использованию диодов в качестве цветных световых индикаторов и указателей. Если баллон светового индикатора заполнен неоном, то свечение будет оранжево-красным; аргон дает сиреневое свечение, криптон — голубое, гелий — синее.

Если к аноду плазменной лампы приложено достаточно высокое напряжение, то в лампе может возникнуть дуговой разряд: практически все молекулы газа оказываются ионизированными и внутреннее сопротивление становится очень малым. Высокая электропроводность плазмы в режиме дугового разряда позволяет создавать дуговые выпрямительные лампы большой мощности, используемые для выпрямления токов в десятки тысяч ампер промышленной частоты и преобразования постоянных напряжений в переменные. Кроме того, яркое свечение плазмы дугового разряда используется в мощных источниках света практически любого спектрального состава.

Выпрямительные диоды дугового разряда — газотроны — имеют термоэлектронные катоды, вследствие этого их включение (зажигание дуги) происходит при низком анодном напряжении.

Важнейшие управляемые приборы дугового разряда — тиратроны. Тиратроны выполняются в виде триодов (термоэлектронный катод, управляющая сетка, анод), тетродов и пентодов. Термоэлектронный катод тиратрона может быть прямого подогрева и косвенного.

Когда катод нагрет, а на анод подано положительное напряжение, в тиратроне может возникнуть дуга лишь в том случае, если на управляющей сетке нет запирающего отрицательного напряжения. Для включения тиратрона на управляющую сетку подается положительный импульс запуска, при этом отрицательное напряжение на управляющей сетке уменьшается, электроны устремляются к аноду, ионизируя по пути молекулы газа, после этого сетка практически теряет свое управляющее действие и с ее помощью невозможно ни погасить тиратрон, ни сколько-нибудь существенно изменить значение анодного тока. Отрицательно заряженную сетку «обволакивают» положительные ионы газа и полностью нейтрализуют ее поле. Для выключения тиратрона необходимо или разорвать цепь источника анодного питания, или значительно уменьшить анодный ток, или подать на анод отрицательный импульс напряжения. При этом плазма рекомбинирует, сетка восстанавливает свои управляющие свойства и запирает тиратрон. Тиратроны в настоящее время используют в энергетике больших мощностей, при токах в десятки тысяч ампер и очень высоких рабочих напряжениях в десятки—сотни тысяч вольт, импульсных модуляторах и разрядниках, в ускорителях заряженных частиц, мощных радиолокаторах, экспериментальных термоядерных реакторах и т. д.

Контрольные вопросы

• 1. Предложите конструкцию газоразрядного прибора, управляемого электромагнитным полем; потоком частиц высоких энергий.
• 2. Почему в режиме тлеющего разряда падение напряжения между катодом и анодом практически нс зависит от величины тока?
• 3. Как может быть устроен тиратрон с холодным катодом?