Название: Электровакуумные приборы (Алексеев C. Н.)

Жанр: Военный

Просмотров: 4035


4.1.3 вольтамперная характеристика газового разряда

 

Вольтамперной характеристикой какого-либо прибора называется зави- симость тока от величины приложенного напряжения [6, 8]. Так как сопро- тивление газоразрядного прибора изменяется в широких пределах и регули-

 

 

 

 

Рис. 4.4 Вольтамперная характери-

стика газового разряда

ровать напряжение между его электродами невозможно, то вольтамперной характеристикой газоразрядного  прибора называ- ется зависимость падения на- пряжения на нём от величины тока в цепи.

Если в схеме рис. 4.3 потен- циометром П увеличивать на- пряжение, вводимое в цепь газо- разрядного прибора и наблюдать

за показаниями миллиампермет- ра и вольтметра, то можно уста- новить зависимость падения на- пряжения на газоразрядном при-

боре от тока в цепи, т. е. снять вольтамперную характеристику. Потенцио-

метр П является вспомогательным элементом, поэтому напряжением источ-

ника будем считать напряжение на выходе потенциометра.

При малых значениях напряжения источника напряжённость электриче- ского поля между электродами прибора мала. При этом электроны и ионы, имеющиеся в баллоне за счёт естественной ионизации, движутся с малыми скоростями. При малой скорости электронов их энергия оказывается недос- таточной для ионизации газа. Ток в цепи при этом ничтожно мал (несколько микроампер), и его можно не принимать в расчёт (участок 0 - 1 вольтампер-

ной характеристики, рис. 4.4). Сопротивление газоразрядного прибора в этом случае велико и несоизмеримо с величиной сопротивления Rогр. При увели- чении напряжения источника напряжённость электрического поля между электродами растёт. При напряжении, равном Uзаж, скорости электронов ока- зываются достаточными для расщепления атомов на ионы и электроны и возникает процесс ионизации. Этот процесс быстро нарастает, и в баллоне появляется большое число свободных электрических зарядов. Сопротивление газоразрядного прибора резко уменьшается и оказывается соизмеримым с величиной сопротивления Rогр. Ток, возникающий в цепи в момент зажига- ния, создаёт падение напряжения на сопротивлении Rогр, поэтому напряже- ние между электродами прибора уменьшается до величины Uгор.тл.  Переход из точки 1 характеристики в точку 2 происходит сам собою, и управлять про- цессом на этом участке вольтамперной характеристики невозможно.

После того как газоразрядный прибор «зажёгся», увеличить ток в цепи можно не только за счёт повышения напряжения источника, но и за счёт уменьшения сопротивления Rогр. Между величиной тока в цепи и падением напряжения на газоразрядном приборе нет прямой пропорциональности. Это объясняется изменением сопротивления газоразрядного прибора.

При уменьшении сопротивления Rогр  ток в цепи возрастает. Казалось бы,

при этом должно увеличиться падение напряжения между электродами газо-

 

 

разрядного прибора. Однако даже ничтожное увеличение напряжения между электродами (на доли вольта), а следовательно, и ничтожное увеличение на- пряжённости электрического поля значительно увеличивают интенсивность ионизации и уменьшают сопротивление прибора.

Опытным путем установлено, что при малом токе в цепи ионизация под- держивается электронами, выбиваемыми не со всей поверхности катода, а только с малого участка, который светится. При увеличении тока светящийся участок катода увеличивается. Количество электронов, вылетающих из като- да, и количество электронов, полученных в результате ионизации, возраста- ет. Плотность тока при этом (т. е. величина тока, приходящаяся на единицу площади катода) не изменяется. Этим объясняется то, что при возрастании

тока падение напряжения не увеличивается.

Напряжение, установившееся    между электродами газоразрядного при- бора в рабочем режиме, называется напряжением горения. Напряжение горе- ния Uг  — разность потенциалов между анодом и катодом, возникающая при прохождении установившегося разрядного тока. Uг всегда меньше Uз. Для ртутных приборов Uг   10÷20 В; для приборов, наполненных инертными га- зами и водородом, Uг может достигать десятков и сотен вольт.

Возрастание тока не сопровождается заметным увеличением напряжения

между электродами, если поверхность катода светится не вся (участок 2 - 3 характеристики). Если ток в цепи достиг такого значения, при котором вся поверхность катода светится (т. е. участвует в создании потока вторичных электронов), то дальнейшее повышение тока возможно за счёт увеличения числа электронов, выбиваемых с единицы площади катода. Для этого ионы должны обладать большими скоростями, что возможно только при большой разности потенциалов между электродами (участок 3 - 4 характеристики).

Разряд, происходящий в газе при холодном катоде (участок 2 - 4 характе- ристики), называется тлеющим   разрядом. Тлеющий разряд характеризуется малым током, проходящим через прибор (единицы и десятки миллиампер), значительным напряжением горения (десятки и сотни вольт) и независимо- стью напряжения на электродах от тока в цепи в пределах участка 2 - 3 ха- рактеристики, который является рабочим.

Время развития заряда tразв  — время, в течение которого происходит ус- тановление тока в разрядном промежутке после приложения к его электро- дам напряжения. Это время колеблется в пределах от нескольких тысячных микросекунды до одной миллисекунды. Следовательно, ионные приборы во многих случаях применения должны рассматриваться как инерционные при- боры.

При дальнейшем повышении тока в цепи (за счёт увеличения Uист или уменьшения Rогр) интенсивность ионной бомбардировки катода увеличива- ется, катод нагревается, и с его поверхности начинается термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронная эмиссия начинается не со всей поверхности ка- тода,  а  с одной, наиболее нагретой  точки.  Наличие большого  количества

 

 

электронов возле этой точки является причиной еще более интенсивной бом- бардировки этого участка катода положительными ионами. В результате на поверхности катода образуется пятно, имеющее высокую температуру (не- сколько тысяч градусов), которая поддерживается ударами ионов, падающих на катод [4, 8, 9].

При возникновении термоэлектронной эмиссии (точка 4 характеристики) количество электронов, производящих ионизацию, во много раз возрастает. Это приводит к резкому уменьшению сопротивления газоразрядного прибора и уменьшению падения напряжения между электродами до величины Uгор.дуг. Разряд, сопровождающийся термоэлектронной эмиссией с катода, называют дуговым. Переход из точки 4 в точку 5 характеристики происходит сам со- бою, и управлять процессом на этом участке характеристики невозможно. Напряжение горения при дуговом разряде составляет 12÷15 В. Увеличение тока не сопровождается заметным увеличением напряжения на электродах до тех пор, пока вся поверхность катода не будет участвовать в термоэлектрон- ной эмиссии.

Дуговой разряд характеризуется термоэлектронной (иногда автоэлек- тронной) эмиссией с катода, малым сопротивлением прибора и малым паде- нием напряжения между электродами. В приборах с ненакаливаемым като- дом дуговой разряд допустим лишь в течение очень короткого времени, ина- че электроды (в первую очередь катод) могут расплавиться. Разновидности дугового разряда используются в газоразрядных приборах с накаливаемым катодом и в приборах с жидким ртутным катодом (ртутные выпрямители, иг- нитроны). При ртутном катоде излучение электронов катодом происходит не за счёт высокой температуры катода, а за счёт автоэлектронной (холодной) эмиссии. Поэтому температура пятна на ртутном катоде не превышает 200°С.