V„.8

Рис. 18.1. Схема испытания газоразрядного прибора

Рис. 18.2. Вольт-амперная характеристика газового разряда

чают ионные приборы с холодным и подогревным катодом. В приборах с холодным катодом газовый разряд поддерживается без затрат энергии внешнего источника и относится к самостоятельному. В приборах с подогревным катодом имеет место несамостоятельный разряд, он возникает и поддерживается за счет энергии внешнего возбудителя.

Рассмотрим физические процессы в ионных приборах с холодным катодом. В нормальных условиях газ, состояший из нейтральных атомов и молекул, тока не проводит. Однако и в этих условиях нейтральные атомы газов подвергаются воздействию космических лучей и радиоактивного излучения земной коры. За счет энергии этого облучения возможно возбуждение и ионизация атомов. Ионизированный газ может стать хорошим проводником тока. Однако такая естественная ионизация мала и токопрохождение в газе не обеспечивает.

Если к электродам прибора (рис. 18.1) с небольшой естественной ионизацией приложить небольшую разность потенциалов внешнего источника и а, то электроны и ионы, содержащиеся в газе, приходят в упорядоченное движение. Под действием сил электрического поля электроны перемешаются к аноду, а положительно заряженные ионы - к катоду и создают в междуэлектродном пространстве прибора электронный и ионный токи. Электроны и ионы на пути движения к электродам сталкиваются с атомами газа, вызывая их возбуждение. При этом электроны занимают более высокие энергоуровни в потенциальной диаграмме атома (см. рис. 2.2). Возбужденное состояние атомов является неустойчивым и по истечении примерно 10-8 р электроны возвращаются в нормальное состояние. При этом они занимают более низкие энергетические уровни и отдают полученную от возбуждения энергию в виде электромагнитного излучения определенной длины волны. Если излучение лежит в видимой части спектра, то процесс сопровождается свечением газа. Цвет свечения, равно как и потенциал возбуждения, определяется родом газа (табл. 18.1).

В режиме возбуждения (при малом напряжении внешнего источника) плотность тока в приборе и его значение во внешней цепи малы [десятки микроампер; участок Оа ВАХ (рис. 18.2)]. Электрический разряд в приборе при малом токе протекает неинтенсив-

йо, без характерного для газового разряда свечения. В приборе имеет место темный или тихий разряд. Если в этом режиме снять f/a, то разряд вообще прекратится.

Если после возбуждения напряжение на электродах увеличивать, то при некотором его значении f/g скорость движения и кинетическая энергия свободных электронов достаточны для ударной ионизации (точка а). В приборе возникает интенсивный газовый разряд (зажигание). Ионы, образующиеся при ионизации, под действием сил поля движутся к катоду и при ударе о его поверхность вызывают с нее электронную эмиссию. Электроны на своем пути к аноду сталкиваются с новыми нейтральными атомами и усиливают процесс ударной ионизации. Одновременно в приборе протекает обратный процесс - рекомбинация свободных электронов и ионов. В нормальном режиме эти процессы находятся в динамическом равновесии.

После зажигания в приборе устанавливается режим тлеющего разряда, при котором ток в приборе поддерживается за счет эмиссии электронов с катода под ударами тяжелых частиц (ионов), внутреннее сопротивление прибора уменьшается, а ток возрастает. При этом падение напряжения на ограничительном резисторе i?o возрастает, а напряжение на электродах прибора - снижается см. рис. 18.2, участок аб).

Междуэлектродное пространство в приборе при тлеющем разряде заполняется интенсивно ионизированным газом - электрон-ио-ионной плазмой, представляющей собой смесь возбужденных и нейтральных атомов газа, а также электронов и ионов. Плазма обладает хорошей электропроводностью.

В режиме тлеющего разряда ионизация в приборе поддерживается электронами, выбиваемыми лишь с той части поверхности катода, которая покрыта свечением. С увеличением подводимого напряжения f/a разряда ток возрастает. Рост тока сопровождается расширением поверхности катода и падение напряжения .у катода практически остается неизменным (режим нормального катодного падения). В режиме нормального катодного падения напряжение яа зажимах прибора остается практически постоянным. Этот режим работы ионного прибора называется нормальным тлеющим разрядом (участок бв).

При некотором значении тока (точка в) весь катод окажется покрыт свечением, поэтому дальнейшее увеличение Ua. сопровождается ростом плотности тока с поверхности катода. В этом режиме сопротивление прибора постоянному току уменьшается непропорционально росту тока, падение напряжения у катода возрастает (режим аномального катодного падения). Этот режим прибора называют аномальным тлеющим разрядом (участок вг).

Если в режиме аномального тлеющего разряда продолжать увеличивать ток и напряжение на электродах, то аномальный тлеющий разряд в приборе перерастает в дуговой разряд (участок где).

Дуговой разряд характеризуется интенсивной ионизацией, значительным снижением сопротивления, а следовательно, и напряжения на зажимах прибора (участок гд), большим ростом тока (участок де). При дуговом разряде положительный объемный заряд ионов приближается к катоду на очень малое расстояние (около 10~ см), поэтому при относительно небольшом (около 10 В) аномальном катодном падении потенциала создает высокую около 10 В/см напряженность электрического поля. При ней возможна электростатическая эмиссия с катода. Она сопровождается ионной бомбардировкой холодного катода, его разогревом и может привести к возникновению термоэмиссии, при определенной плотности тока (до 10 А/см2) перерастающей в термоэлектронную дугу, ведущую к разрушению катода. Защита приборов от перегрузки большим током достигается подбором сопротивления внешнего ограничительного резистора Ro (см. рис. 18.1). Дуговой разряд имеет много разновидностей, определяемых материалом катода, видом наполнителя, его давлением. Приборы с холодным катодом изготовляют для работы в одном из рассмотренных режимов разряда.

Типы ионных приборов. По виду происходящего разряда различают приборы с тлеющ-им разрядом (стабилитроны, тиратроны с холодным катодом, декатроны); приборы с несамостоятельным дуговым разрядом (газотроны, тиратроны с термокатодом); приборы с самостоятельным дуговым разрядом (ртутные вентили, игнитроны); приборы с темным разрядом (газонаполненные фотоэлементы) и др.

§ 18.2. Ионные приборы с холодным катодом

Неоновые лампы. Лампы представляют собой двухэлектродные приборы с аномальным тлеющим разрядом и применяются для индикации напряжения или электромагнитного поля высокой частоты.

Конструктивно лампы выполняются с симметричной и несимметричной формой электродов, помещаемых в стеклянный баллон. Баллон наполняют неоново-гелиевой смесью с небольшой примесью аргона, обеспечивающей при зажигании оранжево-красное свечение. При симметричной конструкции электродов полярность включения