Газоразрядные приборы

ГЛАВА XIV. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

§ 142. ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Ионизация газа и электрический разряд. Ионными или газоразрядными приборами называются приборы, наполненные раз­реженным газом, в которых электрический ток создается не только под действием направленного перемещения свободных электронов, но и вследствие движения заряженных частиц газа — ионов.

Прежде чем приступить к объяснению устройства и работы газоразрядных приборов, рассмотрим процесс прохождения элек­трического тока в газе.

В обычных условиях в газе имеется весьма незначительное количество электрически заряженных частиц — свободных электронов и ионов и он представляет собой диэлектрик, так как преобладаю­щее большинство атомов и молекул газа является электрически не­заряженными — нейтральными.

Чтобы газ стал проводником, в нем должно быть значительное количество заряженных частиц — ионов. Процесс образования ионов в газе называется ионизацией.

Ионизация газа может произойти двумя путями: под действием внешнего влияния — нагревания лучистой энергией и под действием электрического поля, в котором находится газ.

Ионизация атомов и молекул газа заключается в том, что от них отрывается один или несколько электронов; при потере элек­тронов они становятся положительными ионами. Оторвавшиеся свободные электроны вместе с положительными ионами сами участвуют в создании тока, протекающего в газе.

Когда электрон присоединяется к нейтральной молекуле газа, то вследствие избытка электронов эта молекула газа становится отрицательно заряженным ионом. Таким образом, при ионизации •в газе образуются не только положительные, но и отрицательные

ионы.

Одновременно с процессом ионизации газа происходит и обрат­ное  явление,   при   котором   ионы   превращаются   в   нейтральные

атомы.

Превращение   ионов   газа   в   нейтральные   атомы   называется рекомбинацией.

Рекомбинация атомов приводит к тому, что в газе становится меньше заряженных ионов, поэтому его электропроводность пони­жается, а электрическое сопротивление возрастает.

Допустим, что в газе с большой скоростью перемещается элек­трон, который столкнулся при своем движении с нейтральной мо­лекулой и выбил из нее один электрон. Вследствие этого в газе появляются два свободных электрона и молекула становится по­ложительным ионом.

Если теперь эти два электрона при своем движении попадут в две другие молекулы и каждый также выбьет из них по электрону, то по­явится уже четыре свободных элект­рона и три атома станут положи­тельными ионами.

Четыре электрона, в свою оче­редь, произведут ионизацию еще че­тырех атомов газа. В результате это­го появится уже восемь электронов и семь положительных ионов. Таким образом, если этот процесс будет продолжаться, то количество заря­женных частиц в газе будет увели­чиваться лавинообразно. Рассмот­ренный процесс ионизации называет­ся ударной ионизацией.

Если к пластинам А и К газонаполненной трубки (рис. 197) подвести достаточно высокое напряжение U, то под действием сильной ионизации газ теряет свои электроизоляционные свой­ства—становится проводником.

В ионизированном газе под влиянием сил внешнего электрического  поля   возникает  направленное  перемещение  электронов   и ионов и между пластинами потечет электрический ток — начнется электрический разряд. При этом выделяется энергия, под действием которой происходит свечение ионизированного газа.

В процессе электрического разряда, под влиянием электриче­ского поля, создаваемого приложенным напряжением, отрицатель­ные  ионы и электроны перемещаются к положительно заряженной пластине. Положительные  ионы движутся в противоположном направлении, притягиваясь к пластине, имеющей отрицательный электрический заряд. Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительно и отри­цательно заряженных частиц (ионов и электронов) в противопо­ложных направлениях.

Тлеющий разряд. В технике используются различные виды электрических разрядов в газе. Рассмотрим электрический разряд в газе, носящий название тлеющего.

При электрическом разряде повышение напряжения между электродами газонаполненной колбы до определенной величины приводит к интенсивной ионизации газа, при которой ток в газе резко увеличивается и достигает величины, иногда в тысячи раз больше первоначальной. Такой разряд называется тлеющим.

Электрический  ток   в   газе   в   данном   случае   ограничивается сопротивлением r0, которое включается   в   цепь   последовательно.

Тлеющий электрический разряд сопровождается довольно силь­ным свечением газа. Процесс образования тлеющего разряда протекает так.

Допустим    что   к   аноду   газонаполненной   трубки   подведены положительное, а к катоду -отрицательное напряжения. Электроны и отрицательные ионы газа

будут перемещаться к аноду, а положительно заряженные ио­ны — в   противоположном   направлении, т. е. к катоду. При этом положительные ионы, по­падая   на катод,  ударяются  о его поверхность, нагревают его и выбивают из него вторичные электроны, которые, в свою очередь, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа и вместе с тем увеличивают поток электронов, а следовательно, и ток в цепи анода.

Тлеющий разряд в газе может появиться и существовать лишь при определенном напряжении между электродами. Если напряжение меньше необходимого, то положительные ионы, летящие с небольшой скоростью и ударяющиеся о поверхность катода, не сумеют выбить из него электроны, в результате чего процесс ионизации ослабнет и может прекратиться.

Напряжение, при котором образуется тлеющий разряд, называется напряжением зажигания.

Напряжение зажигания зависит от ряда причин, и в том числе от состава и давления газа, расстояния между электродами, а также от материала и формы электродов.

На графике (рис. 198) показана характеристика тлеющего разряда. При увеличении напряжения от нуля до некоторого значения в приборе тлеющего разряда протекает весьма малый ток (микро амперы). Когда напряжение оказывается равным напряжению зажигания Uзажиг(точка Л), возникает тлеющий разряд. При напряжении зажигания резко возрастает ток (миллиамперы) и незначительно уменьшается напряжение на несколько вольт (∆U).

Понижение напряжения связано с тем, что с увеличением тока возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении прибора и на ограничивающем сопротивлении.

До момента зажигания внутреннее сопротивление ионного при­бора очень велико и поэтому ток в его цепи ничтожно мал. При зажигании   внутреннее  сопротивление   газового промежутка прибора  резко   уменьшается,   а   ток   в   цепи  значительно увеличи­вается.

Участок ЛТ на графике соответствует процессу зажигания. После процесса зажигания напряжение в приборе с тлеющим раз­рядом остается почти постоянным (участок ТБ). Этот режим работы прибора называется нормальным.

Когда через прибор протекает малый ток, свечение возникает не вдоль всей поверхности катода, а лишь у части его. По мере возрастания тока рабочая часть катода увеличивается. При нор­мальном режиме разряда ток достигает максимальной величины (точка Б), вся поверхность катода охватывается свечением, т. е. становится рабочей. Участок БС характеристики соответствует такому режиму работы катода, при котором дальнейшее увеличение напряжения приводит к увеличению тока и к возрастанию плот­ности тока на катоде. В этом режиме усиливается яркость свечения газа около катода;

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к возникновению дугового разряда, который опасен для прибора тлеющего разряда. Таким образом, появление тлеющего разряда можно обнаружить, по резкому увеличению тока, измеряемого миллиамперметром, но незначительному уменьшению напряжения, а также по свечению газа.

При дуговом разряде свечение газа становится еще более интен­сивным, а плотность тока значительно превышает плотность тока, возникающего при тлеющем разряде.

Дуговой разряд имеет много разновидностей. Он может появ­ляться в виде электрической дуги, используемой не только в неко­торых ионных приборах, но и в мощных прожекторах, а также при электросварке металлов.

Применяемый в технике искровой разряд также имеет сходство  с дуговым разрядом. При таком разряде происходит кратковремен­ный (импульсный) электрический разряд.