Напряжение, необходимое для инициирования и поддержания разряда, зависит от давления и состава заполняющего газа и геометрии трубки. Хотя оболочка обычно стеклянная, в силовых трубках часто используется керамика , а в военных трубках — эмалированный металл. Встречаются устройства как с горячим, так и с холодным катодом .
Газы в использовании
Водород
Водород используется в трубках, используемых для очень быстрого переключения, например, в некоторых тиратронах , декатронах и критронах , где требуются очень крутые фронты. 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 металлогидрида , нагреваемого вспомогательной нитью накала; водород, нагревая такой элемент хранения, можно использовать для пополнения очищенного газа и даже для регулировки давления по мере необходимости для работы тиратрона при заданном напряжении. [2]
Дейтерий
Дейтерий используется в ультрафиолетовых лампах для ультрафиолетовой спектроскопии , в нейтронных генераторных трубках и в специальных трубках (например, кроссатроне ). Он имеет более высокое пробивное напряжение, чем водород. В быстродействующих переключающих трубках он используется вместо водорода, где требуется работа при высоком напряжении. [3] Для сравнения, заполненный водородом тиратрон CX1140 имеет номинальное анодное напряжение 25 кВ, в то время как заполненный дейтерием и в остальном идентичный CX1159 имеет 33 кВ. Кроме того, при том же напряжении давление дейтерия может быть выше, чем у водорода, что позволяет обеспечить более высокие скорости нарастания тока до того, как он вызовет чрезмерное рассеивание анода. Достижимы значительно более высокие пиковые мощности. Однако его время восстановления примерно на 40% медленнее, чем у водорода. [2]
Благородные газы часто используются в трубках для многих целей, от освещения до коммутации. Чистые благородные газы используются в коммутационных трубках. Тиратроны, заполненные благородными газами, имеют лучшие электрические параметры, чем тиратроны на основе ртути. [3] Электроды подвергаются повреждению высокоскоростными ионами. Нейтральные атомы газа замедляют ионы за счет столкновений и уменьшают энергию, передаваемую электродам за счет ионного удара. Газы с высокой молекулярной массой, например ксенон, защищают электроды лучше, чем более легкие, например неон. [4]
Гелий используется в гелий-неоновых лазерах и в некоторых тиратронах, рассчитанных на высокие токи и высокие напряжения. Гелий обеспечивает примерно такое же короткое время деионизации, как и водород, но может выдерживать более низкое напряжение, поэтому он используется гораздо реже. [5]
Неон имеет низкое напряжение зажигания и часто используется в низковольтных трубках. Разряд в неоне излучает относительно яркий красный свет; поэтому заполненные неоном 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 трубках с высокой мощностью и малой длиной, например, в промышленных осветительных трубках. 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 провода или пластины. В люминесцентных трубках 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 получены из таких трубок, заполненных аргоном.
Криптон может использоваться в люминесцентных лампах вместо аргона; в этом применении он снижает общие потери энергии на электродах примерно с 15% до 7%. Однако падение напряжения на длину лампы ниже, чем у аргона, что может быть компенсировано меньшим диаметром трубки. Лампы, заполненные криптоном, также требуют более высокого пускового напряжения; это можно облегчить, используя, например, смесь аргона и криптона 25%–75%. В люминесцентных лампах он используется в сочетании с ртутью. [4]
Ксенон в чистом виде имеет высокое пробивное напряжение, что делает его полезным в высоковольтных переключающих трубках. Ксенон также используется в качестве компонента газовых смесей, когда требуется получение ультрафиолетового излучения, например, в плазменных дисплеях , обычно для возбуждения фосфора . Получаемая длина волны больше, чем у аргона и криптона, и лучше проникает в фосфор. Чтобы снизить напряжение ионизации, используются неон-ксенон или гелий-ксенон; выше 350 Торр (47 кПа ) гелий имеет более низкое пробивное напряжение, чем неон, и наоборот. При концентрации ксенона 1% и менее эффект Пеннинга становится значительным в таких смесях, поскольку большая часть ионизации ксенона происходит путем столкновения с возбужденными атомами другого благородного газа; при содержании ксенона более нескольких процентов разряд ионизирует ксенон напрямую из-за того, что большая часть энергии электронов тратится на прямую ионизацию ксенона. [6]
Радон , несмотря на то, что является благородным газом, является опасно радиоактивным , а его наиболее стабильный изотоп имеет период полураспада менее четырех дней. [7] Следовательно, он обычно не используется в электронных устройствах.
Пары ртути используются для приложений с высоким током, например, в лампах, ртутно-дуговых вентилях , игнитронах . Ртуть используется из-за ее высокого давления паров и низкого потенциала ионизации. Ртуть, смешанная с инертным газом, используется там, где потери энергии в трубке должны быть низкими, а срок службы трубки должен быть длительным. В смесях ртути и инертного газа разряд изначально осуществляется в основном инертным газом; выделяющееся тепло затем служит для испарения достаточного количества ртути для достижения желаемого давления паров. Низковольтные (сотни вольт) выпрямители используют насыщенные пары ртути в сочетании с небольшим количеством инертного газа, что позволяет осуществлять холодный запуск трубок. Высоковольтные (киловольты и более) выпрямители используют чистые пары ртути при низком давлении, что требует поддержания максимальной температуры трубки. Жидкая ртуть служит резервуаром ртути, пополняя пары, которые расходуются во время разряда. Можно использовать ненасыщенные пары ртути, но поскольку их нельзя пополнить, срок службы таких трубок меньше. [1] Сильная зависимость давления паров от температуры ртути ограничивает среду, в которой могут работать ртутные трубки. В ртутных лампах низкого давления существует оптимальное давление ртути для наивысшей эффективности. Фотоны, испускаемые ионизированными атомами ртути, могут поглощаться близлежащими неионизированными атомами и либо переизлучаться, либо атом девозбуждается безызлучательно, поэтому слишком высокое давление ртути приводит к потерям света. Слишком низкое давление ртути приводит к тому, что атомов слишком мало для ионизации и излучения фотонов. Оптимальная температура для ртутных ламп низкого давления составляет около 42 °C, когда давление насыщенных паров ртути (присутствующей в виде капли около 1 мг жидкой ртути в трубке, как резервуар, компенсирующий 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 виде амальгамы, например , с висмутом и индием ; давление паров над амальгамой ниже, чем над жидкой ртутью. [8] Ртуть используется в люминесцентных трубках как источник видимого и ультрафиолетового света для возбуждения фосфора ; в этом применении она обычно используется вместе с аргоном или в некоторых случаях с криптоном или неоном. Ионы ртути медленно деионизируются, ограничивая скорость переключения заполненных ртутью тиратронов. Ионная бомбардировка ионами ртути даже относительно низких энергий также постепенно разрушает оксидные катоды. [2]
Воздух может использоваться в некоторых низкотребовательных приложениях.
Азот под относительно высоким давлением, как правило, используется в разрядниках защиты от перенапряжения из-за его короткого времени нарастания, что обеспечивает трубкам быстрое время реагирования на скачки напряжения. [1]
Галогены и пары спирта поглощают ультрафиолетовое излучение и имеют высокое сродство к электрону. При добавлении к инертным газам они гасят разряд; это используется, например, в трубках Гейгера-Мюллера . [1]
Изолирующие газы
В особых случаях (например, высоковольтные переключатели) необходимы газы с хорошими диэлектрическими свойствами и очень высоким пробивным напряжением. Высокоэлектроотрицательные элементы , например, галогены , являются предпочтительными, поскольку они быстро рекомбинируют с ионами, присутствующими в канале разряда. Одним из наиболее популярных вариантов является гексафторид серы , используемый в специальных высоковольтных приложениях. Другими распространенными вариантами являются сухой сжатый азот и галоидоуглероды .
Физика и технология газотрубных приборов
Вольт-амперные характеристики электрического разряда в неоне при 1 Торр (130 Па) с двумя плоскими электродами, разнесенными на 50 см. A: случайные импульсы космического излучения B: ток насыщения C: лавинный разряд Таунсенда D: самостоятельный разряд Таунсенда E: нестабильная область: коронный разряд F: субнормальный тлеющий разряд G: нормальный тлеющий разряд H: аномальный тлеющий разряд I: нестабильная область: переход тлеющего разряда в дугу J: электрическая дуга K: электрическая дуга Область AD называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но ток ниже 10 микроампер, и нет значительного количества производимого излучения. Область DG демонстрирует отрицательное дифференциальное сопротивление. Область FH является областью тлеющего разряда; плазма испускает слабое свечение, которое занимает почти весь объем трубки; большая часть света испускается возбужденными нейтральными атомами. Область IK является областью дугового разряда; плазма сосредоточена в узком канале вдоль центра трубки; производится большое количество излучения.
Основным механизмом является разряд Таунсенда, который представляет собой устойчивое умножение потока электронов ударом ионов 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 используются давления от 1 до 10 торр. [1] Давление газа влияет на следующие факторы: [1]
срок службы трубки (трубки низкого давления, как правило, имеют более короткий срок службы из-за использования газа)
катодное распыление , уменьшающееся при более высоких давлениях
Выше определенного значения, чем выше давление газа, тем выше напряжение зажигания. Высоконапорные осветительные трубки могут потребовать несколько киловольт импульса для зажигания в холодном состоянии, когда давление газа низкое. После прогрева, когда летучее соединение, используемое для излучения света, испаряется, и давление увеличивается, повторное зажигание разряда требует либо значительно более высокого напряжения, либо снижения внутреннего давления путем охлаждения лампы. [8] Например, многие натриевые лампы нельзя зажечь сразу после выключения; они должны остыть, прежде чем их можно будет зажечь снова.
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 высоковольтных трубках ускоренные ионы могут проникать в материалы электродов. Новые поверхности, образованные распылением электродов и нанесенные, например, на внутренние поверхности трубки, также легко адсорбируют газы. Неинертные газы также могут химически реагировать с компонентами трубки. Водород может диффундировать через некоторые металлы. [1]
Для удаления газа в вакуумных трубках используются геттеры . Для пополнения запаса газа в газонаполненных трубках используются пополнители . Чаще всего пополнители используются с водородом; 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. Такой 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 пополняются путем испарения большего количества ртути. Однако давление в трубке сильно зависит от температуры ртути, которую необходимо тщательно контролировать. [1]
Большие выпрямители используют насыщенные пары ртути с небольшим количеством инертного газа. Инертный газ поддерживает разряд, когда трубка холодная.
Вольт-амперные характеристики ртутного дугового клапана сильно зависят от температуры жидкой ртути. Падение напряжения при прямом смещении уменьшается примерно с 60 вольт при 0 °C до несколько более 10 вольт при 50 °C и затем остается постоянным; напряжение пробоя обратного смещения («обратная дуга») резко падает с температурой, с 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 быть чистым, чтобы поддерживать желаемые свойства; даже небольшое количество примесей может резко изменить значения трубки. Присутствие неинертных газов обычно увеличивает пробивное и горящее напряжение. Присутствие примесей можно заметить по изменению цвета свечения газа. Воздух, просачивающийся в трубку, вводит кислород, который является высоко электроотрицательным и подавляет образование электронных лавин. Это делает разряд бледным, молочным или красноватым. Следы паров ртути светятся голубоватым, затемняя исходный цвет газа. Пары магния окрашивают разряд в зеленый цвет. Чтобы предотвратить выделение газа из компонентов трубки во время работы, перед заполнением газом и герметизацией требуется прокалка . Для высококачественных трубок требуется тщательная дегазация; даже 10−8 торр (≈1 мкПа) кислорода достаточно для покрытия электродов мономолекулярным оксидным слоем за несколько часов. Неинертные газы можно удалить с помощью подходящих геттеров . Для трубок, содержащих ртуть, необходимо использовать геттеры, которые не образуют амальгам с ртутью (например, цирконий , но не барий ). Катодное распыление может быть намеренно использовано для геттерирования неинертных газов; некоторые эталонные трубки используют для этой цели молибденовые катоды. [1]
Чистые инертные газы используются там, где разница между напряжением зажигания и напряжением горения должна быть высокой, например, в переключающих трубках. Трубки для индикации и стабилизации, где разница должна быть ниже, как правило, заполняются смесями Пеннинга ; меньшая разница между напряжениями зажигания и горения позволяет использовать более низкие напряжения питания и меньшие последовательные сопротивления. [1]
Газонаполненные трубки для освещения и демонстрации
Неоновые лампы и неоновые вывески (большинство из которых в наши дни не изготавливаются на основе неона) также представляют собой газонаполненные трубки низкого давления.
Специализированные исторические приборы с газонаполненными трубками низкого давления включают в себя индикаторную трубку Никси (используется для отображения цифр) и Декатрон (используется для подсчета или деления импульсов, причем отображение является вторичной функцией).
Недавно разработанные серные лампы в горячем состоянии также представляют собой газонаполненные трубки.
Газонаполненные трубки в электронике
Поскольку напряжение зажигания зависит от концентрации ионов, которая может упасть до нуля после длительного периода бездействия, многие трубки рассчитаны на наличие ионов:
оптически, рассеянным светом или лампой накаливания мощностью 2 Вт, или тлеющим разрядом в той же колбе,
радиоактивно, путем добавления трития к газу или путем покрытия оболочки внутри,
электрически, с поддерживающим или праймерным электродом
Устройства питания
Некоторые важные примеры включают трубки тиратрон , критрон и игнитрон , 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 ламп существовали специальные неоновые лампы:
Индикатор ранней настройки Tuneon , стеклянная трубка с коротким проволочным анодом и длинным проволочным катодом, который светится частично; длина свечения пропорциональна току трубки
Они были заполнены чистым инертным газом, таким как неон , поскольку смеси делали выход зависимым от температуры. Их напряжение горения было ниже 200 В, но им требовалась оптическая подпитка лампой накаливания мощностью 2 Вт и скачок напряжения в диапазоне 5 кВ для зажигания.
Один миниатюрный тиратрон нашел дополнительное применение в качестве источника шума, работая как диод в поперечном магнитном поле. [12]
Катодное распыление используется в счетчике времени , измерителе прошедшего времени на основе кулонометра с парами металла , где распыленный металл осаждается на коллекторном элементе, сопротивление которого поэтому медленно уменьшается. [13]
Тригнитрон — торговое название ртутной трубки, используемой в электросварочных аппаратах.
Капацитрон, ртутная трубка
Коротрон, торговое название газонаполненного шунтового регулятора, обычно содержит небольшое количество радиоактивных материалов для установки регулируемого напряжения.
^ abcdefghij Хайо Лоренс ван дер Хорст, Глава 2: Конструкция газоразрядной трубки Архивировано 25 декабря 2010 г. в Wayback Machine Книга «Газоразрядные трубки Philips» 1964 г.
^ abc CA Pirrie и H. Menown "Эволюция водородного тиратрона", Marconi Applied Technologies Ltd, Челмсфорд, Великобритания
^ ab "Устройства коммутации импульсной мощности – Обзор"
^ По-Чэн Чен, Ю-Тин Чиен, «Газовый разряд и эксперименты с плазменной панелью отображения», Уведомление о сборнике оборонного технического информационного центра ADP011307
^ Келлер, Корнелиус; Вольф, Вальтер; Шани, Джашовам. «Радионуклиды, 2. Радиоактивные элементы и искусственные радионуклиды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.o22_o15. ISBN 978-3527306732.
^ ab Справочник по оптоэлектронике, том 1 Джона Дейкина, Роберта Г. В. Брауна, стр. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Surface-Controlled Mercury-pool Rectifier (PDF) . Том 28. Институт радиоинженеров. Февраль 1940 г. стр. 52. Получено 16 июля 2023 г.
^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и коммуникации Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, стр. 16–42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ "Спецификация сверхминиатюрного газового триода типа RK61" (PDF) . Raytheon Company . Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2017 г. . Получено 20 марта 2017 г. .
^ "6D4 Miniature triode tyratron data sheet" (PDF) . Sylvania . Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2017 г. . Получено 25 мая 2013 г. .
^ "7414 Subminiature Time Totalizer data sheet" (PDF) . Bendix Corporation . 14 марта 1959 г. Архивировано из оригинала (PDF) 18 июля 2019 г. . Получено 23 октября 2017 г. .
^ Хайо Лоренс ван дер Хорст Глава 8: Специальные трубки Архивировано 25 декабря 2010 г. в Wayback Machine Книга «Газоразрядные трубки Philips 1964 года»
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме Газоразрядная трубка и Газоразрядные лампы .
Импульсные силовые коммутационные устройства – обзор (как вакуумные, так и газонаполненные коммутационные трубки)
Измерение радиации, газонаполненный детектор Архивировано 2011-12-16 на Wayback Machine
