Напряжение, необходимое для инициирования и поддержания разряда, зависит от давления и состава заполняющего газа, а также геометрии трубки. Хотя оболочка обычно стеклянная, в силовых лампах часто используется керамика , а в военных лампах часто используется эмалированный металл. Встречаются устройства как с горячим , так и с холодным катодом .
Используемые газы
Водород
Водород используется в трубках, используемых для очень быстрого переключения, например, в некоторых тиратронах , декатронах и критронах , где требуются очень крутые края. Время накопления и восстановления водорода намного короче, чем в других газах. [1] Водородные тиратроны обычно имеют горячий катод. Водород (и дейтерий) можно хранить в трубке в виде гидрида металла , нагреваемого вспомогательной нитью накала; Водород за счет нагрева такого накопителя можно использовать для пополнения очищенного газа и даже для регулировки давления, необходимого для работы тиратрона при заданном напряжении. [2]
Дейтерий
Дейтерий используется в ультрафиолетовых лампах для ультрафиолетовой спектроскопии , в трубках нейтронных генераторов и в специальных трубках (например, кроссатроне ). Он имеет более высокое напряжение пробоя, чем водород. В лампах с быстрым переключением он используется вместо водорода, где требуется работа при высоком напряжении. [3] Для сравнения: водородный тиратрон CX1140 имеет номинальное анодное напряжение 25 кВ, а дейтериевый и в остальном идентичный тиратрон CX1159 — 33 кВ. Кроме того, при одном и том же напряжении давление дейтерия может быть выше, чем давление водорода, что обеспечивает более высокие скорости нарастания тока, прежде чем это вызовет чрезмерное анодное рассеяние. Достижимы значительно более высокие пиковые мощности. Однако время его восстановления примерно на 40% медленнее, чем у водорода. [2]
Благородные газы часто используются в трубках для многих целей: от освещения до переключения. В переключающих трубках используются чистые благородные газы. Тиратроны, наполненные благородным газом, имеют лучшие электрические параметры, чем тиратроны на основе ртути. [3] Электроды повреждаются высокоскоростными ионами. Нейтральные атомы газа замедляют ионы за счет столкновений и уменьшают энергию, передаваемую электродам при ударе ионов. Газы с высокой молекулярной массой, например ксенон, защищают электроды лучше, чем более легкие газы, например неон. [4]
Гелий используется в гелий-неоновых лазерах и в некоторых тиратронах, рассчитанных на большие токи и высокие напряжения. Гелий обеспечивает примерно такое же короткое время деионизации, как и водород, но выдерживает более низкое напряжение, поэтому его используют гораздо реже. [5]
Неон имеет низкое напряжение зажигания и часто используется в низковольтных лампах. Разряд в неоне излучает относительно яркий красный свет; Таким образом, неоновые переключающие трубки также действуют как индикаторы, светящиеся красным при включении. Это используется в декатронных трубках, которые действуют как счетчики и дисплеи. Его красный свет используется в неоновых вывесках . Используется в люминесцентных лампах большой мощности и небольшой длины, например, в лампах промышленного освещения. Имеет более высокое падение напряжения по сравнению с аргоном и криптоном. Его низкая атомная масса обеспечивает лишь небольшую защиту электродов от ускоренных ионов; Для продления срока службы анода можно использовать дополнительные экранирующие проволоки или пластины. В люминесцентных лампах он используется в сочетании с ртутью. [4]
Аргон был первым газом, использованным в люминесцентных лампах, и до сих пор часто используется из-за его низкой стоимости, высокой эффективности и очень низкого напряжения зажигания. В люминесцентных лампах он используется в сочетании с ртутью. [4] Он также использовался в ранних выпрямительных лампах ; Первые тиратроны были созданы на основе таких трубок, наполненных аргоном.
Криптон можно использовать в люминесцентных лампах вместо аргона; в этом применении это снижает общие потери энергии на электродах примерно с 15% до 7%. Однако падение напряжения на длину лампы ниже, чем при использовании аргона, что можно компенсировать меньшим диаметром трубки. Лампы с криптоновым наполнением также требуют более высокого пускового напряжения; этого можно облегчить, используя, например, 25–75% смесь аргона и криптона. В люминесцентных лампах он используется в сочетании с ртутью. [4]
Ксенон в чистом виде имеет высокое напряжение пробоя, что делает его полезным в переключающих лампах с более высоким напряжением. Ксенон также используется в качестве компонента газовых смесей, когда требуется производство ультрафиолетового излучения, например, в плазменных дисплеях , обычно для возбуждения люминофора . Создаваемая длина волны длиннее, чем при использовании аргона и криптона, и лучше проникает в люминофоры. Для снижения напряжения ионизации применяют неон-ксенон или гелий-ксенон; выше 350 Торр (47 кПа ) гелий имеет более низкое напряжение пробоя, чем неон, и наоборот. При концентрациях ксенона 1% и менее в таких смесях становится существенным эффект Пеннинга , поскольку большая часть ионизации ксенона происходит при столкновении с возбужденными атомами другого благородного газа; при содержании ксенона более нескольких процентов разряд ионизирует ксенон напрямую, поскольку большая часть энергии электронов расходуется на прямую ионизацию ксенона. [6]
Радон , несмотря на то, что он является благородным газом, опасно радиоактивен , а его наиболее стабильный изотоп имеет период полураспада менее четырех дней. [7] Следовательно, он обычно не используется в электронных устройствах.
Пары ртути используются в устройствах с высоким током, например, в светильниках, ртутно-дуговых клапанах , зажигателях . Ртуть используется из-за ее высокого давления паров и низкого потенциала ионизации. Ртуть в смеси с инертным газом используется там, где потери энергии в трубке должны быть низкими и срок службы трубки должен быть большим. В смесях ртути с инертными газами первоначально разряд осуществляется преимущественно инертным газом; высвободившееся тепло затем используется для испарения достаточного количества ртути для достижения желаемого давления пара. В низковольтных (сотни вольт) выпрямителях используются насыщенные пары ртути в сочетании с небольшим количеством инертного газа, что обеспечивает холодный запуск ламп. В высоковольтных (киловольтах и выше) выпрямителях используются чистые пары ртути при низком давлении, что требует поддержания максимальной температуры трубки. Жидкая ртуть служит резервуаром ртути, восполняя пары, израсходованные при разряде. Можно использовать ненасыщенные пары ртути, но, поскольку их нельзя пополнять, срок службы таких трубок ниже. [1] Сильная зависимость давления паров ртути от температуры ртути ограничивает условия эксплуатации ртутных трубок. В ртутных лампах низкого давления существует оптимальное давление ртути, обеспечивающее максимальную эффективность. Фотоны, испускаемые ионизированными атомами ртути, могут поглощаться близлежащими неионизированными атомами и либо переизлучаться, либо атом безызлучательно девозбуждается, поэтому слишком высокое давление ртути приводит к потерям света. Слишком низкое давление ртути приводит к тому, что атомов становится слишком мало, чтобы ионизироваться и излучать фотоны. Оптимальная температура для ртутных ламп низкого давления составляет около 42 °С, когда давление насыщенных паров ртути (присутствующей в виде капли около 1 мг жидкой ртути в трубке, как резервуара, компенсирующего потери при очистке) достигает этого оптимума. В лампах, предназначенных для работы при более высоких температурах окружающей среды и в более широком диапазоне температур, ртуть присутствует в форме амальгамы, например , с висмутом и индием ; давление паров над амальгамой ниже, чем над жидкой ртутью. [8] Ртуть используется в люминесцентных лампах как источник видимого и ультрафиолетового света для возбуждения люминофора ; в этом случае его обычно используют вместе с аргоном, а в некоторых случаях с криптоном или неоном. Ионы ртути медленно деионизируются, ограничивая скорость переключения ртутных тиратронов. Ионная бомбардировка ионами ртути даже относительно низких энергий также постепенно разрушает катоды с оксидным покрытием. [2]
Воздух можно использовать в некоторых нетребовательных приложениях.
Азот при относительно высоком давлении, как правило, используется в ограничителях перенапряжения из-за его короткого времени нарастания, что обеспечивает быстрое реагирование трубок на скачки напряжения. [1]
Галогены и пары спирта поглощают ультрафиолетовое излучение и обладают высоким сродством к электрону. При добавлении к инертным газам они гасят разряд; это используется, например, в трубках Гейгера-Мюллера . [1]
Изоляционные газы
В особых случаях (например, высоковольтные выключатели) необходимы газы с хорошими диэлектрическими свойствами и очень высоким напряжением пробоя. Предпочтение отдается высокоэлектроотрицательным элементам, например галогенам , поскольку они быстро рекомбинируют с ионами, присутствующими в разрядном канале . Одним из наиболее популярных вариантов является гексафторид серы , используемый в специальных высоковольтных приложениях. Другими распространенными вариантами являются сухой азот под давлением и галогенуглероды .
Физика и технология газовых трубок
Вольт-амперные характеристики электрического разряда в неоне при давлении 1 Торр (130 Па) с двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 50 см. A: случайные импульсы космического излучения B: ток насыщения C: лавинный разряд Таунсенда D: самоподдерживающийся разряд Таунсенда E: нестабильная область: коронный разряд F: субнормальный тлеющий разряд G: нормальный тлеющий разряд H: аномальный тлеющий разряд I: нестабильный область: переход тлеющей дуги J: электрическая дуга K: электрическая дуга Область AD называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но ток ниже 10 микроампер и значительного количества излучения не образуется. Область DG имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Область FH представляет собой область тлеющего разряда; плазма излучает слабое свечение, занимающее почти весь объем трубки; большая часть света излучается возбужденными нейтральными атомами. Область IK — область дугового разряда; плазма концентрируется в узком канале вдоль центра трубки; образуется большое количество радиации.
Фундаментальным механизмом является разряд Таунсенда, который представляет собой устойчивое увеличение потока электронов за счет ионного удара при достижении критического значения напряженности электрического поля для плотности газа. По мере увеличения электрического поля возникают различные фазы разряда, как показано на прилагаемом графике. Используемый газ существенно влияет на параметры трубки. Напряжение пробоя зависит от состава газа и расстояния между электродами; зависимости описываются законом Пашена .
Давление газа
Давление газа может находиться в диапазоне от 0,001 до 1000 Торр (0,13–130 000 Па); чаще всего используется давление от 1 до 10 Торр. [1] Давление газа влияет на следующие факторы: [1]
срок службы трубки (трубки более низкого давления, как правило, имеют более короткий срок службы из-за использования газа)
катодное распыление , уменьшенное при более высоких давлениях
Выше определенного значения, чем выше давление газа, тем выше напряжение зажигания. Осветительным трубкам высокого давления может потребоваться импульс в несколько киловольт для зажигания в холодном состоянии, когда давление газа низкое. После прогрева, когда летучее соединение, используемое для светоизлучения, испаряется и давление возрастает, для повторного зажигания разряда требуется либо значительно более высокое напряжение, либо снижение внутреннего давления за счет охлаждения лампы. [8] Например, многие натриевые лампы не могут быть повторно зажжены сразу после выключения; они должны остыть, прежде чем их можно будет снова зажечь.
Газ имеет тенденцию расходоваться во время работы трубки в результате нескольких явлений, которые в совокупности называются очисткой . Атомы или молекулы газа адсорбируются на поверхностях электродов. В трубках высокого напряжения ускоренные ионы могут проникать в материалы электродов. Новые поверхности, образованные путем напыления электродов и нанесенные, например, на внутренние поверхности трубки, также легко адсорбируют газы. Неинертные газы также могут вступать в химическую реакцию с компонентами трубки. Водород может диффундировать через некоторые металлы. [1]
Для удаления газа в вакуумных трубках используются геттеры . Для пополнения запаса газа в газонаполненные трубки применяются пополнители . Чаще всего в пополнителях используется водород; в трубке присутствует нить, изготовленная из поглощающего водород металла (например, циркония или титана), и путем регулирования ее температуры регулируется соотношение поглощенного и десорбированного водорода, что приводит к контролю давления водорода в трубке. Металлическая нить действует как хранилище водорода. Этот подход используется, например, в водородных тиратронах или нейтронных трубках. Использование насыщенных паров ртути позволяет использовать бассейн жидкой ртути в качестве большого хранилища материала; атомы, потерянные при очистке, автоматически восполняются за счет испарения большего количества ртути. Однако давление в трубке сильно зависит от температуры ртути, которую необходимо тщательно контролировать. [1]
В больших выпрямителях используются насыщенные пары ртути с небольшим количеством инертного газа. Инертный газ поддерживает разряд, когда трубка холодная.
Вольтамперные характеристики ртутного дугового клапана сильно зависят от температуры жидкой ртути. Падение напряжения в прямом смещении уменьшается примерно с 60 В при 0 °C до несколько выше 10 В при 50 °C, а затем остается постоянным; Напряжение пробоя обратного смещения («обратная дуга») резко падает с температурой: от 36 кВ при 60 ° C до 12 кВ при 80 ° C и даже меньше при более высоких температурах. Поэтому рабочий диапазон обычно составляет 18–65 °C. [10]
Чистота газа
Газ в трубке должен оставаться чистым, чтобы сохранить желаемые свойства; даже небольшое количество примесей может резко изменить показатели трубки. Присутствие неинертных газов обычно увеличивает напряжения пробоя и горения. Наличие примесей можно наблюдать по изменению цвета свечения газа. Утечка воздуха в трубку приводит к появлению кислорода, который обладает высокой электроотрицательностью и препятствует образованию электронных лавин. Из-за этого выделения выглядят бледными, молочными или красноватыми. Следы паров ртути светятся голубоватым светом, затемняя первоначальный цвет газа. Пары магния окрашивают выделения в зеленый цвет. Для предотвращения газовыделения компонентов трубки в процессе эксплуатации перед заполнением газом и герметизацией требуется прокалка . Для качественных трубок необходима тщательная дегазация; даже всего лишь 10 -8 торр (≈1 мкПа) кислорода достаточно для покрытия электродов слоем мономолекулярного оксида за несколько часов. Неинертные газы можно удалить с помощью подходящих газопоглотителей . Для ртутьсодержащих трубок необходимо использовать геттеры, не образующие амальгамы с ртутью (например, цирконий , но не барий ). Катодное распыление может использоваться целенаправленно для получения неинертных газов; в некоторых эталонных трубках для этой цели используются молибденовые катоды. [1]
Чистые инертные газы используются там, где разница между напряжением воспламенения и напряжением горения должна быть высокой, например, в переключающих трубках. Пробирки для индикации и стабилизации, где разница должна быть меньше, обычно заполняются смесями Пеннинга ; меньшая разница между напряжениями зажигания и горения позволяет использовать меньшие напряжения питания и меньшие последовательные сопротивления. [1]
Неоновые лампы и неоновые вывески (большая часть которых в наши дни не неоновые) также представляют собой газонаполненные трубки низкого давления.
Специализированные исторические газонаполненные трубчатые устройства низкого давления включают трубку Никси (используется для отображения цифр) и Декатрон (используется для подсчета или деления импульсов с отображением в качестве второстепенной функции).
Недавно разработанные серные лампы в горячем состоянии также представляют собой газонаполненные трубки.
Газонаполненные трубки в электронике
Поскольку напряжение воспламенения зависит от концентрации ионов, которая может упасть до нуля после длительного периода бездействия, многие трубки заправлены для обеспечения доступности ионов:
оптически — окружающим светом или лампой накаливания мощностью 2 Вт, или тлеющим разрядом в той же колбе,
радиоактивно, добавляя в газ тритий или покрывая оболочку внутри,
электрически, с помощью поддерживающего или инициирующего электрода
Силовые устройства
Некоторые важные примеры включают тиратрон , критрон и зажигательные трубки, которые используются для переключения токов высокого напряжения. Специализированный тип газонаполненной трубки, называемый газоразрядной трубкой (GDT), изготавливается для использования в качестве устройств защиты от перенапряжения , чтобы ограничить скачки напряжения в электрических и электронных цепях.
Помимо газоразрядных трубок были специальные неоновые лампы:
Индикатор ранней настройки Tuneon , стеклянная трубка с коротким проволочным анодом и длинным проволочным катодом, частично светящимся; длина свечения пропорциональна току трубки
Они были заполнены чистым инертным газом, таким как неон , поскольку смесь делала выходную мощность зависимой от температуры. Напряжение их горения было ниже 200 В, но для зажигания требовалась оптическая заправка лампой накаливания мощностью 2 Вт и скачок напряжения в диапазоне 5 кВ.
Один миниатюрный тиратрон нашел дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода в поперечном магнитном поле. [12]
Катодное распыление используется в счетчике времени , счетчике прошедшего времени на основе металлического кулонометра , в котором распыленный металл осаждается на коллекторном элементе, сопротивление которого поэтому медленно уменьшается. [13]
Тригнитрон, торговое название ртутной ванны, используемой в электросварочных аппаратах.
Капацитрон — ртутная трубка.
Коротрон, торговое название газонаполненного шунтирующего регулятора, обычно содержит небольшое количество радиоактивных материалов для установки регулируемого напряжения.
Плазматрон — лампа с горячим катодом и контролируемым анодным током.
Тацитрон, малошумящий тиратрон с прерываемым током.
Krytron — лампа с быстрым переключением с холодным катодом.
Рекомендации
^ abcdefghij Хаджо Лоренс ван дер Хорст, Глава 2: Конструкция газоразрядной трубки. Архивировано 25 декабря 2010 г. в книге Wayback Machine , 1964 г., книга Philips о газоразрядных трубках.
^ abc CA Пирри и Х. Меноун «Эволюция водородного тиратрона», Marconi Applied Technologies Ltd, Челмсфорд, Великобритания
^ ab «Устройства импульсного переключения мощности - обзор»
^ abcd «Люминесцентная лампа – газовые наполнители». Lamptech.co.uk. Проверено 17 мая 2011 г.
^ Тиратрон разные. Cdvandt.org. Проверено 17 мая 2011 г.
^ По-Ченг Чен, Ю-Тин Чиен, «Газовый разряд и эксперименты с плазменными панелями дисплея», Уведомление о части компиляции Центра технической информации Министерства обороны ADP011307
^ Келлер, Корнелиус; Вольф, Уолтер; Шани, Джашовам. «Радионуклиды. 2. Радиоактивные элементы и искусственные радионуклиды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.o22_o15. ISBN 978-3527306732.
^ ab Справочник по оптоэлектронике, Том 1 Джона Дэйкина, Роберта Г.В. Брауна, стр. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Ртутный выпрямитель с поверхностным управлением (PDF) . Том. 28. Институт радиоинженеров. Февраль 1940 г. с. 52 . Проверено 16 июля 2023 г.
^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь, Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, стр. 16–42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ «Технический паспорт сверхминиатюрного газового триода типа RK61» (PDF) . Компания Рэйтеон . Проверено 20 марта 2017 г.
^ «Технические данные миниатюрного триодного тиратрона 6D4» (PDF) . Сильвания . Проверено 25 мая 2013 г.
^ «Технические данные сверхминиатюрного сумматора времени 7414» (PDF) . Корпорация Бендикс . 14 марта 1959 года . Проверено 23 октября 2017 г.
^ Хаджо Лоренс ван дер Хорст Глава 8: Специальные трубки. Архивировано 25 декабря 2010 г. в Wayback Machine. Книга Philips о газоразрядных трубках 1964 г.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы, связанные с газоразрядной трубкой и газоразрядными лампами .
Импульсные переключающие устройства – обзор (как вакуумные, так и газонаполненные переключающие трубки)
Измерение радиации, газонаполненный детектор. Архивировано 16 декабря 2011 г. в Wayback Machine.
