Виды разрядов в газах. Тлеющий разряд. Общее описание тлеющего разряда

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.

В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки - страты, разделенные темными промежутками.

Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные , или катодные лучи .

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления , т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих названия:

1. первая катодная темная область;
2. первое катодное свечение;
3. вторая катодная темная область;
4. второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
5. фарадеева темная область;
6. столб разряда;
7. анодная темная область;
8. анодное свечение.

Рис. 3-26. Тлеющий разряд:
а - внешний вид;
б -распределение интенсивности свечения;
в - распределение потенциала;
г - напряженность поля;
д - распределение объемных зарядов.

Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).

Таблица 3-16

Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .

Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).

Таблица 3-17

При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где - нормальная плотность тока на катоде при ; - постоянная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).

Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом.

При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.

На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.

Рис. 3.27

Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.

В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой.

При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.

Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 85.1). На электроды подается напряжение порядка 1000 В. При атмосферном давлении тока в трубке практически нет. Если понижать давление, то примерно при 50 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки - устанавливается тлеющий разряд. Его основные части показаны на рис. 85.1. Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой.

Между катодом и светящейся пленкой находится астоново темное пространство. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый катодным (или круксовым) темным пространством. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда.

С тлеющим свечением граничит темный промежуток - фарадеево темное пространство. Граница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом; ее называют положительным столбом. При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается. При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев - страт.

Измерения, осуществленные с помощью зондов (тоненьких проволочек, впаянных в разных точках вдоль трубки), а также другими методами, показали, что потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рис. 85.1).

Почти все падение потенциала приходится на первые три участка разряда по катодное темное пространство включительно. Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала. В области тлеющего свечения потенциал не изменяется - здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом темном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растет. Такое распределение потенциала вызвано образованием в области катодного темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между электродами или при низком давлении). Основных процессов два - вторичная электронная эмиссия из катода, вызванная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, они начинают возбуждать молекулы газа, в результате чего возникает катодная светящаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают (см. графики на рис. 83.1). Таким образом, интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют очень малую скорость. Поэтому в катодном темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. Благодаря высокой концентрации электронов и ионов в области тлеющего свечения идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом тлеющее свечение есть в основном свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево темное простран ство электроны и ионы проникают за счет диффузии (на границе между этими областями поле отсутствует, но зато имеется большой градиент концентрации электронов и ионов).

Исследование тлеющего разряда

Цель работы:

Ознакомиться с основными формами тлеющего разряда.

Исследование работы стабилизаторов тлеющего разряда.

Исследование работы цифро- знаковых индикаторов тлеющего разряда.

Введение.

Тлеющий разряд является самостоятельным разрядом с холодным катодом. Возникновению тлеющего разряда с холодными электродами обычно предшествует несамостоятельный разряд, поскольку в объеме газа всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц, обязанных своим происхождением какому- либо внешнему источнику ионизации. (космическое излучение, фон радиации Земли).

В установившемся режиме разряда пространство между катодом и анодом можно разбить на три основные области (рис. 1).

Протяженность катодного слоя (1) определяется давлением или, точнее, плотностью газа: она равна приблизительно трем длинам свободного пробега электрона; на этом участке, дви­гающиеся к катоду ионы приобретают за счет высо­кого градиента поля энер­гию, необходимую для вы­бивания из катода электронов. Вылетающие из ка­тода электроны также приобретают на этом учас­тке энергию и при столк­новениях с нейтральными атомами и молекулами газа совершают акты ионизации и возбуждения.

Длина области положительного столба (2) зависит от геомет­рии разрядной трубки. Падение напряжения на нем невелико. Поло­жительный столб не является обязательной составной частью раз­ряда.

Протяженность области анодного падения (3) зависит от дав­ления газа и приблизительно равна одной длине свободного пробега элек­трона. Величина и знак прианодного падения напряжения зависит от геометрии анода.

Особый интерес представляет область катодного падения напряжения. На этом отрезке разряда имеет место наиболь­ший градиент потенциала. Катодное падение напряжения составляет 100 - 180 вольт для катодов из чистых металлов и 40 - 100 волы для катодов, активированных пленками из электроположительных металлов. Катодное падение напряжения определяется в основном энергией ионов, необходимой для выбивания электронов из материа­лов катода: чем меньше работа выхода электронов из материала ка­тода, тем меньше величина катодного падения напряжения.

Величина катодного падения напряжения зависит также от ро­да газа, причем в довольно широких пределах (так как от рода газа зависит масса иона) и практически не зависит от давления газа.

Если сила ток через прибор не превышает некоторого значения, а именно: значения, при котором еще не вся поверхность катода участвует в электронной эмиссии (не вся покрыта свечением), то катодное падение напряжения не зависит от тока и остается постоянной (Закон Геля). Постоянство катодного падения напряжения объясняется наличием оптимальных условий обмена энергией между ионами, бомбардирующими катод, и электронами материала катода.

Катодное падение напряжения, соответствующее оптимальным условиям эмиссии с катода, принято называть нормальным катодным падением, а тлеющий разряд, с нормальным катодным падением - нор­мальным тлеющим разрядом.

Тлеющий разряд – слаботочный, при токе порядка 300 mA появляется тенденция к переходу в дуговой разряд. Поэтому приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 100 mA.

Постоянство катодного падения напряжения в тлеющем разряде используется при конструировании газоразрядных стабилизаторов напряжения (стабилитронов).

Если в разряде участвует вся поверхность катода, то о уве­личением тока увеличивается и катодное падение напряжения, так как в этом случае обеспечивается большая эмиссия с единицы по­верхности катода. Такой разряд называют аномальным тлеющим.

При аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и резко возрастает распыление материала катода.

Начальный участок аномально тлеющего разряда используется в цифро- знаковых индикаторах (ИН), широко применяемых в измерительной технике для отображения информации.

Расчет стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда.

Д
ля расчета схемы включения, изображенной на рис. 2, рассмотрим работу стабилизатора напряжения. Для этого придется воспользоваться ВАХ стабилитрона, т.к. это нелинейный элемент схемы (рис. 3).

Допустим, что величина входного напряжения дана - , в этом случае прямая, проведенная через значение на оси ординат к оси абсцисс под углом (линия сопротивления) при пересечении с ВАХ дает точку устойчивого горения разряда в данном режиме. При этом будет и на нагрузке, т.к. она подключена параллельно стабилитрону, а - значение напряжения на балластном сопротивлении , создаваемое . При изменении величины входного напряжения например, в сторону увеличения, до значения линия сопротивления переместится параллельно себе самой и дает новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом будет незначительно отличаться от , а падение напряжения на балластном сопротивлении изменится за счет увеличения . Таким образом, при работе стабилизатора напряжения рабочая точка будет перемещаться по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получаем значение и , в пределах которых и будет работать стабилитрон.

Рассматривая схему рис. 2, можно записать:

; , отсюда

учитывая, что , можно записать:

Корректная величина выбирается в зависимости от того, как изменяется входное напряжение . Если изменение одинаково как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, то расчетная точка берется посередине рабочего участка ВАХ, и тогда , если же изменение входного напряжения несимметричны, то рабочая точка для расчета выбирается исходя из закона пропорциональности.

На рис. 2 приведена схема включения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения, где:

Номинальное значение входного напряжения;

Номинальное значение выходного стабилизированного

напряжения;

Сопротивление нагрузки;

Балластное сопротивление;

Ток в общей цепи при номинальном значении входного

напряжения;

Номинальный ток нагрузки;

Ток через стабилизатор при нормальном значении входного

напряжения.

В предлагаемой работе схема лабораторного стенда (рис. 4) позволяет проводить исследование стабилизаторов тлеющего разряда типа СГ2С, СГ3С, СГ4С, СГ2П, СГ15П, СГ16П. Балластное сопротивление и сопротивление нагрузки выполнены так, что можно установить требуемое значение тока нагрузки и необходимую по расчету величину балластного сопротивления.

Цепь нагрузки точками 3 – 7 заводится на соответствующие гнезда ламповой панели стабилитрона. В цоколе стабилитронов штырьки 3 – 7 закорочены между собой перемычками. Это делается для того, чтобы в момент замены лампы, когда она вынимается из панели, нестабилизированное напряжение источника питания не могло воздействовать на нагрузку.

ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые и буквенные индикаторные неоновые лампы тлеющего разряда (серии ИН) нашли широкое применение в аппаратуре отоб­ражения информации, в счетно-решающих устройствах, вычислитель­ной технике: и измерительных приборах.

Отличительная особенность знаковых индикаторов тлеющего разряда состоят в том, что в одном баллоне помещается несколько катодов, а анод выполнен в виде тонкой сетки.

Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр (букв), расположенных сзади. Этим же определяется порядок расположения цифр, букв, знаков, а также конструкция сетчатого анода. Свечение горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электро­да экранируют не более 20% светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью, простотой и надежностью в работе.

Выпускаемые в настоящее вреди газоразрядные индикаторы тле­ющего разряда заполняются неоном и имеют оранжево- красный цвет свечения. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выхо­дить за пределы, указанные в справочных данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора. Снижение рабочего тока также недопусти­мо, так как в процессе работы поверхности катодов загрязняются, и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому рабочий ток должен превышать значение тока индикации, (ток индикации - ток через прибор, при котором разрядное свечение полностью покрывает катоды- цифры, символы, буквы, знаки, т.е. создает надежную визу­альную индикацию).

В ряде случаев питание анода производится импульсным на­пряжением. В таком режиме длительность импульса напряжения должна быть не менее 100 мкс, при среднем токе 1 - 2 мА. С умень­шением длительности импульса резко возрастает ток индикации, что требует увеличения амплитудного значения рабочего тока. При частоте следования импульсов 20 - 50 Гц ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается бла­годаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже нормального. Благодаря этому поддерживается высокая яр­кость свечения и надежная индикация цифр (букв) катодов, в то же время долговечность индикатора не снижается.

Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необхо­димо создать начальную ионизацию, снижающую время запаздывания зажигания разряда. Эта ионизация обычно создается внешним осве­щением. В темноте время запаздывания увеличивается до 1 с.

По виду отображаемой информации индикаторы ИН условно можно разделить на несколько групп.

Цифровые индикаторы типа ИН-1, ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-17, ИН-18 имеют катоды в фор­ме арабских цифр от 0 до 9. Индикаторы с торцевой индикацией, где минимальное расстояние между осями расположенных рядом при­боров велико по отношению к размерам цифровых электродов, целе­сообразно применять в аппаратуре с небольшим количеством цифровых разрядов, а также в многоразрядных индикационных системах. В малогабаритной настольной аппаратуре можно использовать миниатюрный индикатор типа ИН-2.

Прямоугольный баллон индикаторов типа ИН-11, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-15А, ИН-15Б позволяет более удобно производить компоновку многоразрядных систем, а сочетание цифр и букв в индикаторе позволяет уменьшить расстояние между соседними цифровыми и буквен­ными разрядами и соответственно улучшить удобочитаемость резуль­татов информации. Группа приборов с "боковой индикацией" ИН-8, ИН-8-2, ИН-14, ИН-16, ИН-18 широко применяется в многоразрядной аппаратуре, например в настольных счетно-клавишных машинах.

Знако - буквенные индикаторы типа ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-11, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В значитель­но расширили диапазон применения газоразрядных индикаторов. В сочетании с цифровыми буквенные и знаковые индикаторы позволяют отобразить практически всю необходимую информацию. В индика­торах типа ИН-8-2, ИН-12Б, ИН-14 наличие дополнительного элект­рода - запятой - упрощает индикационный блок, отпадает необходимость в использовании отдельных элементов для индикации за­пятой.

В приборе типа ИН-14 имеется два знака запятая, одна из которых может быть использована для уменьшения времени запаз­дывания зажигания разряда (ток подготовки около 1мкА). Для уст­ройств, работающих в условиях повышенных климатических и меха­нических нагрузок, можно рекомендовать приборы типа ИН-1, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б.

Сигнальные газоразрядные приборы типа ИН-3, ИН-6, ИНС-1, ИН-ЗА, ИФ-1, ТНУ-2 предназначены для использования в качестве датчиков световых сигналов в самых разнообразных электротехни­ческих и радиотехнических устройствах широкого применения. Их характеризуют: высокая яркость свечения (десятки и сотни нит), относительно малая инерционность, простора конструкции, эконо­мичность (потребляемая мощность - доли ватт).

Линейные счетно-индикаторные приборы тлеющего разряда ти­па ИН-9, ИН-13, ИН-20 являются принципиально новыми разработками и предназначены для построения индикационных табло в систе­мах статистического анализа, в измерительных блоках, в различ­ных выходных устройствах индикации, в счетчиках импульсов с большой емкостью, для контроля сети переменного тока. Особен­ностью индикаторов типа ИН-9, ИН-13 является то, что длина светящегося столба изменяется пропорционально приложенному на­пряжению, а в индикаторе ИН-20 изменяется светящийся столб или светящаяся точка. Учитывая эти особенности, индикаторами ИН-9, ИН-13, ИН-20 можно заменить стрелочные электроизмерительные при­боры и другие электромеханические устройства (с классом точнос­ти 2,5 - 4) в любых системах промышленной автоматики.

К достоинствам приборов ИН-9, ИН-13, ИН-20 следует отнести: удобство формы индикации (светящиеся столб и точка), высокую частоту обновления информации и счета импульсов, малую инерцион­ность, большую долговечность, высокую яркость свечения и малую массу.