Газонаполненная трубка

Компактные люминесцентные лампы является приложением бытовой газовой заполненной трубки

Газонаполненные трубки , также широко известные как газоразрядная трубка или ранее в качестве плюккеровой трубки , является расположением электродов в газе внутри изолирующий , жаростойкий конверт . Газонаполненные трубки используют явления, связанные с электрическим разрядом в газах , и работают за счет ионизации газа с приложенным напряжением, достаточным для возникновения электрической проводимости за счет явлений, лежащих в основе разряда Таунсенда . Газоразрядная лампа представляет собой электрический светс помощью газонаполненной трубки; к ним относятся люминесцентные лампы , металлогалогенные лампы , натриевые лампы и неоновые лампы . Специализированные газонаполненные трубки, такие как критроны , тиратроны и игнитроны , используются в качестве переключающих устройств в электрических устройствах.

Напряжение, необходимое для инициирования и поддержания разряда, зависит от давления и состава наполняющего газа и геометрии трубки. Хотя оболочка обычно сделана из стекла, в электрических лампах часто используется керамика , а в военных лампах часто используется металл, облицованный стеклом. Оба горячего катод и холодный катод устройство типа встречается.

Используемые газы [ править ]

Водород [ править ]

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 у других газов. ^[1] Водородные тиратроны обычно имеют горячий катод. Водород (и дейтерий) можно хранить в трубке в виде гидрида металла , нагретого вспомогательной нитью накала; водород, нагревая такой накопительный элемент, можно использовать для пополнения очищенного газа и даже для регулировки давления, необходимого для работы тиратрона при заданном напряжении. ^[2]

Дейтерий [ править ]

Дейтерий используется в ультрафиолетовых лампах для ультрафиолетовой спектроскопии , в трубках нейтронных генераторов и в специальных трубках (например, кроссатрон ). Он имеет более высокое напряжение пробоя, чем водород. В лампах с быстрым переключением он используется вместо водорода там, где требуется работа под высоким напряжением. ^[3]Для сравнения: тиратрон CX1140 с водородным наполнением имеет номинальное анодное напряжение 25 кВ, а тиратрон с дейтериевым наполнением и в остальном идентичный CX1159 - 33 кВ. Кроме того, при одном и том же напряжении давление дейтерия может быть выше, чем давление водорода, что позволяет увеличить скорость нарастания тока до того, как он вызовет чрезмерное рассеяние на аноде. Достигаются значительно более высокие пиковые мощности. Однако время его восстановления примерно на 40% меньше, чем у водорода. ^[2]

Благородные газы [ править ]

Благородные газы часто используются в лампах для многих целей, от освещения до переключения. В переключающих трубках используются чистые благородные газы. Тиратроны, заполненные благородным газом, имеют лучшие электрические параметры, чем тиратроны на основе ртути. ^[3] Электроды повреждаются высокоскоростными ионами. Нейтральные атомы газа замедляют ионы из-за столкновений и уменьшают энергию, передаваемую электродам за счет столкновения ионов. 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 большие токи и высокие напряжения. Гелий обеспечивает примерно такое же короткое время деионизации, как водород, но может выдерживать более низкое напряжение, поэтому его используют гораздо реже. ^[5]
• Неон имеет низкое напряжение зажигания и часто используется в лампах низкого напряжения. Разряд в неоне излучает относительно яркий красный свет; Поэтому переключающие трубки с неоновым наполнением также действуют как индикаторы, светящиеся красным при включении. Это используется в трубках декатрона , которые действуют как счетчики и дисплеи. Его красный свет используется в неоновых вывесках . Используется в люминесцентных лампах большой мощности и небольшой длины, например, в промышленных осветительных лампах. Имеет большее падение напряжения по сравнению с аргоном и криптоном. Его низкая атомная масса обеспечивает лишь небольшую защиту электродов от ускоренных ионов; дополнительные экранирующие провода или пластины могут использоваться для продления срока службы анода. 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 первых выпрямительных лампах ; первые тиратроны были получены из таких трубок, заполненных аргоном.
• Криптон можно использовать в люминесцентных лампах вместо аргона; в этом случае 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 с криптоном также требуют более высокого пускового напряжения; это можно уменьшить, используя, например, 25–75% смеси 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 коммутационных лампах высокого напряжения. Ксенон также используется в качестве компонента газовых смесей, когда требуется получение ультрафиолетового излучения, например, в плазменных дисплеях , обычно для возбуждения люминофора . Длина волны больше, чем у аргона и криптона, и она лучше проникает через люминофор. Для понижения напряжения ионизации используют 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 эффект Пеннингастановится существенным в таких смесях, так как большая часть ионизации ксенона происходит за счет столкновения с возбужденными атомами другого благородного газа; при более чем нескольких процентах ксенона разряд ионизирует ксенон непосредственно из-за того, что большая часть энергии электронов расходуется на прямую ионизацию ксенона. ^[6]
• Радон , несмотря на то, что он является благородным газом, опасно радиоактивен, а его самый стабильный изотоп имеет период полураспада менее четырех дней. ^[7] Следовательно, он обычно не используется в электронных устройствах.
• Смеси Пеннинга используются там, где требуется более низкое напряжение ионизации, например, в неоновых лампах , трубках Гейгера – Мюллера и других газонаполненных детекторах частиц . Классическая комбинация составляет около 98–99,5% неона с 0,5–2% аргона, используемого, например, в неоновых лампах и в монохромных плазменных дисплеях .

Элементарные пары (металлы и неметаллы) [ править ]

• Пары ртути используются в устройствах с высоким током, например, в осветительных приборах, ртутно-дуговых клапанах , игнитронах. Ртуть используется из-за высокого давления пара и низкого потенциала ионизации. Ртуть в смеси с инертным газом используется там, где потери энергии в трубке должны быть низкими, а срок службы трубки должен быть большим. В смесях ртути с инертным газом разряд первоначально осуществляется в основном за счет инертного газа; затем выделяющееся тепло служит 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 (киловольт и более) выпрямителях используются чистые пары ртути при низком давлении, требующие поддержания максимальной температуры трубки. Жидкая ртуть служит резервуаром для ртути, пополняя пары, которые используются во время разряда. Можно использовать ненасыщенные пары ртути,но поскольку его нельзя пополнить, срок службы таких трубок меньше.^[1]Сильная зависимость давления пара от температуры ртути ограничивает среду, в которой могут работать ртутные трубки. В ртутных лампах низкого давления существует оптимальное давление ртути для максимальной эффективности. Фотоны, испускаемые ионизированными атомами ртути, могут поглощаться соседними неионизированными атомами и либо переизлучаться, либо атом безызлучательно снимается с возбуждения, поэтому слишком высокое давление ртути вызывает потери света. Слишком низкое давление ртути приводит к тому, что присутствует слишком мало атомов, чтобы ионизироваться и излучать фотоны. Оптимальная температура для ртутных ламп низкого давления составляет около 42 ° C, когда давление насыщенных паров ртути (присутствует в виде капли около 1 мг жидкой ртути в трубке, в качестве резервуара, компенсирующего потери при очистке) достигает этого оптимума. В лампах, предназначенных для работы при более высоких температурах окружающей среды,а в более широком диапазоне температур ртуть присутствует в видеамальгама, например, с висмутом и индием ; давление пара над амальгамой ниже, чем над жидкой ртутью. ^[8] Ртуть используется в люминесцентных лампах как источник видимого и ультрафиолетового света для возбуждения люминофора ; в этом приложении он обычно используется вместе с аргоном или в некоторых случаях с криптоном или неоном. Ионы ртути деионизируются медленно, ограничивая скорость переключения заполненных ртутью тиратронов. Ионная бомбардировка ионами ртути даже относительно низких энергий также постепенно разрушает катоды с оксидным покрытием. ^[2]
• Пары натрия используются в натриевых лампах .
• Пары серы используются в серных лампах .
• Пары многих металлов по отдельности или вместе с благородным газом используются во многих лазерах .

Другие газы [ править ]

• Воздух может использоваться в некоторых мало требовательных приложениях.
• Азот под относительно высоким давлением, как правило, используется в ограничителях перенапряжения из-за его короткого времени нарастания, что обеспечивает быстрое время реакции 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 [ править ]

В особых случаях (например, высоковольтные переключатели) необходимы газы с хорошими диэлектрическими свойствами и очень высокими пробивными напряжениями. Предпочтительны элементы с высокой электроотрицательностью , например галогены , поскольку они быстро рекомбинируют с ионами, присутствующими в канале разряда. Один из наиболее популярных вариантов - гексафторид серы , используемый в специальных высоковольтных устройствах. Другими распространенными вариантами являются сухой азот под давлением и галоидоуглероды .

Физика и технология газовых труб [ править ]

Основным механизмом является таунсендовский разряд, который представляет собой постоянное размножение потока электронов за счет удара ионов при достижении критического значения напряженности электрического поля для плотности газа. По мере увеличения электрического поля встречаются 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 [ править ]

Давление газа может находиться в диапазоне от 0,001 до 1000 Торр (0,13–130 000 Па); Чаще всего используется давление в пределах 1–10 торр. ^[1] Давление газа влияет на следующие факторы: ^[1]

• напряжение пробоя (также называемое напряжением зажигания)
• плотность тока
• рабочее напряжение
• обратное напряжение
• срок службы трубок (трубки с более низким давлением обычно имеют более короткий срок службы из-за использования газа)
• катодное распыление , уменьшается при более высоких давлениях

Выше определенного значения, чем выше давление газа, тем выше напряжение зажигания. Для зажигания ламп высокого давления может потребоваться импульс в несколько киловольт в холодном состоянии и при низком давлении газа. После нагревания, когда летучее соединение, используемое для излучения света, испаряется и давление увеличивается, повторное зажигание разряда требует либо значительно более высокого напряжения, либо снижения внутреннего давления за счет охлаждения лампы. ^[8] Например, многие натриевые лампы нельзя повторно зажечь сразу после выключения; они должны остыть перед тем, как снова загореться.

Газ имеет тенденцию использоваться во время работы трубки в результате нескольких явлений, которые в совокупности называются очисткой . Атомы или молекулы газа адсорбируются на поверхности электродов. В высоковольтных трубках ускоренные ионы могут проникать в электродные материалы. 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 запасов газа в газонаполненные трубки, пополнителиработают. Чаще всего используются пополнители с водородом; в трубке присутствует нить, сделанная из металла, поглощающего водород (например, циркония или титана), и путем регулирования ее температуры регулируется соотношение абсорбированного и десорбированного водорода, что приводит к регулированию давления водорода в трубке. Металлическая нить накала действует как накопитель 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.

Вольт-амперные характеристики ртутно-дугового клапана сильно зависят от температуры жидкой ртути. Падение напряжения при прямом смещении уменьшается примерно с 60 вольт при 0 ° C до несколько выше 10 вольт 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. ^[9]

Чистота газа [ править ]

Газ в трубке должен быть чистым, чтобы поддерживать желаемые свойства; даже небольшое количество примесей может резко изменить параметры трубки; присутствие неинертных газов обычно увеличивает напряжение пробоя и горения. Присутствие примесей можно наблюдать по изменению цвета свечения газа. Воздух, просачивающийся в трубку, вводит кислород, который очень электроотрицателен и препятствует образованию электронных лавин. Это делает выделения бледными, молочными или красноватыми. Следы паров ртути светятся голубоватым светом, затемняя исходный цвет газа. Пары магния окрашивают разряд в зеленый цвет. Для предотвращения дегазации компонентов трубы в процессе эксплуатации, испечь-ауттребуется перед заполнением газом и герметизацией. Для качественных трубок требуется тщательная дегазация; Даже всего ^10-8  торр (≈1 мкПа) кислорода достаточно для покрытия электродов слоем мономолекулярного оксида за несколько часов. Неинертные газы могут быть удалены подходящими газопоглотителями . для ртутьсодержащих трубок следует использовать геттеры, которые не образуют амальгамы с ртутью (например, цирконий , но не барий ). Катодное напыление может быть специально использовано для получения неинертных газов; в некоторых эталонных лампах для этой цели используются катоды из молибдена . ^[1]

Чистые инертные газы используются там, где разница между напряжением зажигания и напряжением горения должна быть высокой, например, в переключающих трубках. Пробирки для индикации и стабилизации, где разница должна быть меньше, как правило, заполняются смесями Пеннинга ; меньшая разница между напряжениями зажигания и горения позволяет использовать более низкие напряжения питания и меньшие последовательные сопротивления. ^[1]

Освещение и отображение газонаполненных трубок [ править ]

Люминесцентное освещение , лампы CFL , ртутные и натриевые газоразрядные лампы, а также лампы HID представляют собой газонаполненные трубки, используемые для освещения.

Неоновые лампы и неоновые вывески (большинство из которых в наши дни не на основе неона) также представляют собой газонаполненные трубки низкого давления.

К историческим специализированным устройствам с газонаполненными трубками низкого давления относятся трубка Nixie (используется для отображения цифр) и Decatron (используется для подсчета или деления импульсов с отображением в качестве второстепенной функции).

Ксеноновые лампы-вспышки представляют собой газонаполненные трубки, используемые в фотоаппаратах и стробоскопах для создания ярких вспышек света.

Недавно разработанные серные лампы также представляют собой газонаполненные трубки в горячем состоянии.

Газонаполненные трубки в электронике [ править ]

Поскольку напряжение зажигания зависит от концентрации ионов, которая может упасть до нуля после длительного периода бездействия, многие трубки настроены на наличие ионов:

• оптически, окружающим светом или 2-ваттной лампой накаливания, или тлеющим разрядом в той же оболочке,
• радиоактивно, путем добавления трития в газ или покрытия оболочки внутри,
• электрически, с поддерживающим или грунтовочным электродом

Силовые устройства [ править ]

Некоторые важные примеры включают лампы тиратрона , критрона и игнитрона , которые используются для коммутации 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.

Вычислительные лампы [ править ]

Эффект триггера Шмитта в области отрицательного дифференциального сопротивления может быть использован для реализации таймеров, релаксационных генераторов и цифровых схем с неоновыми лампами , триггерными лампами , релейными лампами , декатронами и никси-лампами .

Тиратроны также могут использоваться в качестве триодов , работая на них ниже их напряжения зажигания, что позволяет им усиливать аналоговые сигналы в качестве самозатухающего сверхрегенеративного детектора в приемниках радиоуправления . ^[10]

Индикаторы [ править ]

Помимо газовых ламп, были и специальные неоновые лампы:

• Индикатор ранней настройки Tuneon , стеклянная трубка с короткопроволочным анодом и длинным проволочным катодом, который частично светится; длина свечения пропорциональна току трубки
• Фосфористая неоновая лампа
• Люминесцентная триггер трубка, используемая в качестве фиксирующих индикаторов, или пикселей в матричных дисплеях
  • Триггерная трубка прямого свечения
  • Фосфорированная спусковая трубка

Шумовые диоды [ править ]

Газоразрядные шумовые диоды с горячим катодом были доступны в обычных стеклянных оболочках для радиоламп для частот до УВЧ и в виде длинных тонких стеклянных трубок с обычным байонетным креплением для лампы накаливания и верхней крышкой анода для СВЧ частот и диагональный ввод в волновод .

Они были заполнены чистым инертным газом, например неоном, потому что смеси зависели от температуры на выходе. Напряжение их горения было ниже 200 В, но для зажигания требовалась оптическая подкачка 2-ваттной лампой накаливания 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. ^[11]

Трубки регулятора напряжения [ править ]

В середине 20 века широко использовались лампы стабилизатора напряжения .

Измерение прошедшего времени [ править ]

Катод напыление воспользовалось в Time Сумматоре , металл-пару вольтаметрического основанный прошедшего время метр , где распыленный металл , осажденный на элементе коллектора, сопротивление которого уменьшается , следовательно , медленно. ^[12]

Список трубок -tron [ править ]

^[13]

• Трубки для бассейнов с ртутью
  • Экситрон , трубка для бассейна с ртутью
  • Гусетрон или гаузитрон , трубка для бассейна с ртутной дугой
  • Игнитрон , трубка для ртутного бассейна
  • Сендитрон , ртутная трубка для бассейнов
• Trignitron , торговое наименование ртутной трубки для бассейнов, используемой в электросварочных аппаратах.
  • Конденсатор , трубка для ртутного бассейна
• Коротрон , торговое название газонаполненного шунтирующего регулятора, обычно содержит небольшие количества радиоактивных материалов для установки регулируемого напряжения.
• Crossatron , трубка модулятора
• Катетрон или катетрон , триод с горячим катодом, заполненный газом, с сеткой за пределами трубки
• Неотрон , генератор импульсов
• Перматрон , выпрямитель с горячим катодом и анодным током, управляемым магнитным полем.
• Phanotron , выпрямитель
• Plomatron , ртутно- дуговый выпрямитель с сетевым управлением
• Строботрон , лампа с холодным катодом, предназначенная для сильноточных узких импульсов, используемая в высокоскоростной фотографии
• Takktron , выпрямитель с холодным катодом для малых токов при высоких напряжениях
• Тиратрон , лампа с горячим катодом
• Тригатрон , сильноточный переключатель, похожий на искровой разрядник
• Альфатрон , форма ионизационной трубки для измерения вакуума
• Декатрон , счетная трубка (см. Также никси-трубку и неоновую лампу )
• Плазмотрон , лампа с горячим катодом и контролируемым анодным током
• Tacitron , малошумящий тиратрон с прерываемым током
• Krytron , лампа с быстрым переключением с холодным катодом

См. Также [ править ]

• Список статей по физике плазмы

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по газоразрядным трубкам и газоразрядным лампам .

• Импульсные коммутационные устройства - обзор (как вакуумные, так и газонаполненные коммутационные трубки)
• Измерение радиации, газовый детектор
• Газоразрядные трубки