Газонаполненная трубка - Gas-filled tube

Эта статья о трубках, производящих видимые разряды или используемых для переключения. Об использовании газонаполненных трубок для обнаружения излучения см. Детектор газовой ионизации.
Смотрите также: Газоразрядная лампа
А компактная люминесцентная лампа это бытовое применение газонаполненной трубки

А газонаполненная трубка, также известный как разрядная трубка, представляет собой расположение электроды в газ в пределах изоляционный, термостойкий конверт. Газонаполненные трубы используют явления, связанные с электрический разряд в газах, и работать ионизирующий газ с применением Напряжение достаточно, чтобы вызвать электрическая проводимость лежащими в основе явлениями Выписка из Таунсенда. А газоразрядная лампа является электрический свет с помощью газонаполненной трубки; к ним относятся флюоресцентные лампы, металлогалогенные лампы, натриевые лампы, и неоновые лампы. Специализированные газонаполненные трубки, такие как Критроны, тиратроны, и игнитроны используются в качестве коммутационных аппаратов в электрических устройствах.

Напряжение, необходимое для инициирования и поддержания разряда, зависит от давления и состава наполняющего газа и геометрии трубки. Хотя оболочка обычно стеклянная, в электрических лампах часто используются керамика, а в военных лампах часто используется металл, облицованный стеклом. Обе горячий катод и холодный катод типа устройств встречаются.

Используемые газы

Водород

Водород используется в лампах, используемых для очень быстрого переключения, например немного тиратроны, декатроны, и Критроны, 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 металла. гидрид, обогреваемый вспомогательной нитью; 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

Дейтерий используется в ультрафиолетовый лампы для ультрафиолетовая спектроскопия, в нейтронный генератор пробирки, а также в специальных пробирках (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

благородный газ разрядные трубки; слева направо: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон

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, защитите электроды лучше, чем более легкие, например неон.[4]

  • Гелий используется в гелий-неоновые лазеры 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 эксплуатируется в декатрон трубки, которые действуют как счетчики и дисплеи. Его красный свет используется в неоновые вывески. Используется в флуоресцентные трубки с большой мощностью и небольшой длиной, например лампы промышленного освещения. Имеет большее падение напряжения по сравнению с аргоном и криптоном. Его низкая атомная масса обеспечивает лишь небольшую защиту электродов от ускоренных ионов; дополнительные экранирующие проволоки или пластины могут быть использованы 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 раннем выпрямительные трубки; 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% аргонно-криптонная смесь. 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 плазменные дисплеи, как правило, чтобы возбудить люминофор. 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 350Торр (47 кПа ) гелий имеет меньшее напряжение пробоя, чем неон, и наоборот. При концентрациях ксенона 1% и менее Эффект Пеннинга становится 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 благородный газ, опасно радиоактивный и его самый стабильный изотоп имеет период полураспада менее четырех дней.[7] Следовательно, он обычно не используется в электронных устройствах.
  • Пеннинговые смеси используются там, где требуется более низкое напряжение ионизации, например в неоновые лампы, Трубки Гейгера – Мюллера и другие газонаполненные детекторы частиц. Классическая комбинация составляет около 98–99,5% неона с 0,5–2% аргона, используемого, например, в неоновые лампы и в монохромном плазменные дисплеи.

Элементарные пары (металлы и неметаллы)

  • Меркурий пары используются для приложений с большим током, например огни ртутно-дуговые клапаны, игнитроны. Ртуть используется из-за высокого давления пара и низкого потенциала ионизации. Ртуть, смешанная 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 выделяемое 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 они не пополняются, 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 и в более широком диапазоне температур, ртуть присутствует в виде амальгама например, с висмут и индий; давление пара над амальгамой ниже, чем над жидкой ртутью.[8] Ртуть используется в флуоресцентные трубки как источник видимого и ультрафиолетового света для возбуждения люминофор; 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]
  • Натрий пары используются в натриевые лампы.
  • Сера пары используются в серные лампы.
  • Пары многих металлов, по отдельности или вместе с благородным газом, используются во многих лазеры.

Другие газы

Другие газы в газоразрядных трубках; слева направо: водород, дейтерий, азот, кислород, Меркурий
  • Воздуха может использоваться в некоторых мало требовательных приложениях.
  • Азот при относительно высоком давлении, как правило, используется в ограничители перенапряжения из-за короткого времени нарастания, что дает лампам быстрое время отклика на скачки напряжения.[1]
  • Галогены и алкоголь пары поглощают ультрафиолетовое излучение и обладают высоким сродством к электрону. При добавлении к инертным газам они гасят разряд; это используется, например, в Трубки Гейгера – Мюллера.[1]

Изоляционные газы

Основная статья: Диэлектрический газ

В особых случаях (например, высоковольтные переключатели) необходимы газы с хорошими диэлектрическими свойствами и очень высокими пробивными напряжениями. Высоко электроотрицательный элементы, например, галогены, являются предпочтительными, поскольку они быстро рекомбинируют с ионами, присутствующими в канале разряда. Один из самых популярных вариантов - гексафторид серы, используется в специальных высоковольтных приложениях. Другие распространенные варианты - сухой герметичный азот и галоидоуглероды.

Физика и технология газовых трубок

Смотрите также: Выписка из Таунсенда
Вольт-амперная характеристика электрического разряда в неоне при давлении 1 Торр (130 Па) с двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 50 см.
A: случайные импульсы космическое излучение
B: ток насыщения
C: лавина Выписка из Таунсенда
D: самостоятельная разрядка Таунсенда
E: нестабильный регион: коронный разряд
F: субнормальный тлеющий разряд
G: нормальный тлеющий разряд
H: аномальный тлеющий разряд
I: нестабильная область: переход тлеющей дуги
J: электрическая дуга
K: электрическая дуга
Область A-D называется темным разрядом; есть некоторая ионизация, но сила тока ниже 10 микроампер и значительного количества излучения не происходит.
Область D-G демонстрирует отрицательное дифференциальное сопротивление
Область F-H - это область тлеющего разряда; плазма излучает слабое свечение, которое занимает почти весь объем трубки; большая часть света излучается возбужденными нейтральными атомами.
Область I-K - это область дугового разряда; плазма концентрируется в узком канале по центру трубки; производится большое количество радиации.

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 Закон Пашена.

Давление газа

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 называется напряжением зажигания)
  • плотность тока
  • рабочее напряжение
  • обратное напряжение
  • срок службы трубки (трубки с более низким давлением имеют тенденцию к более короткому сроку службы из-за использования газа)
  • катод 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 разогрева, 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, как правило, расходуется во время работы трубки в результате нескольких явлений, которые в совокупности называются уборка. Атомы или молекулы газа адсорбированный 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, геттеры используются. Для пополнения запасов газа в газонаполненных трубках, пополнители работают. Чаще всего используются пополнители с водородом; В трубке присутствует нить, изготовленная из поглощающего водород металла (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 водородные тиратроны или нейтронные трубки. 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

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. Предотвращать дегазация компонентов трубки во время работы, запекание требуется 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 геттеры. для ртутьсодержащих трубок геттеры, не образующие амальгамы с ртутью (например, цирконий, но нет барий ) должны использоваться. Катодное напыление может быть специально использовано для получения неинертных газов; некоторые эталонные трубки используют молибден катоды для этого.[1]

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

Газонаполненные трубки освещения и индикации

Флуоресцентное освещение, Лампы КЛЛ, Меркурий и натриевые газоразрядные лампы и HID лампы все газонаполненные трубки используются для освещения.

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

Специализированные исторические трубочные устройства низкого давления с газовым наполнением включают Трубка Nixie (используется для отображения цифр) и Декатрон (используется для подсчета или деления импульсов с отображением как второстепенной функцией).

Ксеноновые лампы-вспышки газонаполненные трубки, используемые в камеры и стробоскопы производить яркие вспышки света.

Недавно разработанные серные лампы также являются газонаполненными трубками в горячем состоянии.

Газонаполненные трубки в электронике

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, добавив тритий к газу, или покрывая оболочку внутри,
  • электрически, с сохранить жизнь или же грунтовка электрод

Силовые устройства

Некоторые важные примеры включают тиратрон, Критрон, и игнитрон трубки, которые используются для коммутации токов высокого напряжения. Специализированный тип газонаполненной трубки, называемый Газоразрядная трубка (GDT) изготовлен для использования в качестве сетевые фильтры, для ограничения скачков напряжения в электрических и электронных цепях.

Вычислительные лампы

В Триггер Шмитта эффект от отрицательное дифференциальное сопротивление -регион может быть использован для реализации таймеров, релаксационные осцилляторы и цифровые схемы с неоновые лампы, спусковые трубки, реле трубки, декатроны и никси трубки.

Тиратроны также могут использоваться как триоды работая на них ниже напряжения зажигания, что позволяет им усиливать аналоговые сигналы как самозатухающий сверхрегенеративный детектор в радиоуправление приемники.[10]

Индикаторы

Помимо газовых ламп, были и специальные неоновые лампы:

  • Tuneon индикатор ранней настройки, стеклянная трубка с короткопроволочным анодом и длинным проволочным катодом, который частично светится; длина свечения пропорциональна току трубки
  • Фосфористый неоновая лампа
  • Люминесцентная триггерная трубка, используемая в качестве индикаторов фиксации, или пиксели из точечно-матричные дисплеи
    • Триггерная трубка прямого свечения
    • Фосфорированная спусковая трубка

Шумовые диоды

С горячим катодом, газоразрядный шумовые диоды были доступны в обычном радиолампа стеклянные оболочки для частот до УВЧ, и длинные тонкие стеклянные трубки с нормальным байонетное крепление лампы для нити и анода верхняя крышка, за СВЧ частоты и диагональная вставка в волновод.

Они были заполнены чистым инертным газом, например неон потому что смеси сделал выходную температуру зависимой. Напряжение их горения было ниже 200 В, но для зажигания требовалась оптическая подкачка 2-ваттной лампой накаливания и скачок напряжения в диапазоне 5 кВ.

Одна миниатюра тиратрон нашли дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода в поперечном магнитном поле.[11]

Трубки регулятора напряжения

В середине 20 века трубки регулятора напряжения широко использовались.

Измерение прошедшего времени

Катодное напыление используется в Сумматор времени, пар металла кулонометр - измеритель прошедшего времени, в котором распыленный металл осаждается на коллекторном элементе, сопротивление которого поэтому медленно уменьшается.[12]

Список трубок -tron

[13]

  • Трубки для бассейнов с ртутью
  • Trignitron, торговое наименование ртутной трубки для бассейна, используемой в электросварочных аппаратах.
    • Capacitron, трубка для бассейна с ртутью
  • Коротрон, торговое название газонаполненного шунтирующего регулятора, обычно содержит небольшое количество радиоактивных материалов для установки регулируемого напряжения.
  • Кроссатрон, трубка модулятора
  • Катетрон или же катетрон, газонаполненный горячий катод триод с сеткой вне трубы
  • Neotron, генератор импульсов
  • Перматрон, выпрямитель с горячим катодом и анодным током, управляемым магнитным полем.
  • Фанотрон, выпрямитель
  • Пломатрон, ртутно-дуговый выпрямитель с сеточным управлением
  • Строботрон, лампа с холодным катодом, предназначенная для сильноточных узких импульсов, используемых в высокоскоростная фотография
  • Такктрон, выпрямитель с холодным катодом для малых токов при высоких напряжениях
  • Тиратрон, коммутирующая трубка с горячим катодом
  • Тригатрон, сильноточный выключатель, похожий на разрядник
  • Альфатрон, форма ионизационной трубки для измерения вакуума
  • Декатрон, счетную трубку (см. также никси трубка и неоновый свет )
  • Плазмотрон, лампа с горячим катодом и контролируемым анодным током
  • Тацитрон, малошумящий тиратрон с прерываемым током
  • Krytron, лампа быстрого переключения с холодным катодом

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Хайо Лоренс ван дер Хорст, Глава 2: Конструкция газоразрядной трубки. В архиве 2010-12-25 на Wayback Machine Книга Philips по газоразрядным трубкам 1964 г.
  2. ^ а б c К. А. Пирри, Х. Менаун «Эволюция водородного тиратрона», Marconi Applied Technologies Ltd, Челмсфорд, Великобритания
  3. ^ а б «Импульсные устройства переключения мощности - Обзор»
  4. ^ а б c d «Люминесцентная лампа - газовые заправки». Lamptech.co.uk. Проверено 17 мая 2011.
  5. ^ Тиратрон различный. Cdvandt.org. Проверено 17 мая 2011.
  6. ^ По-Ченг Чен, Ю-Тин Цзянь, «Газоразряд и эксперименты для плазменной панели», Уведомление о составной части оборонного центра технической информации ADP011307
  7. ^ Келлер, Корнелиус; Вольф, Уолтер; Шани, Джашовам. «Радионуклиды, 2. Радиоактивные элементы и искусственные радионуклиды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Вайнхайм: Wiley-VCH. Дои:10.1002 / 14356007.o22_o15.
  8. ^ а б Справочник по оптоэлектронике, Том 1 Джона Дакина, Роберта Г. В. Брауна, стр. 52, CRC Press, 2006 г. ISBN  0-7503-0646-7
  9. ^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, стр. 16-42, Новости, 2002 г. ISBN  0-7506-7291-9
  10. ^ "Сверхминиатюрный газовый триод типа РК61 техническая спецификация" (PDF). Компания Raytheon. Получено 20 марта 2017.
  11. ^ "6Д4 Миниатюрный триодный тиратрон техническая спецификация" (PDF). Сильвания. Получено 25 мая 2013.
  12. ^ "7414 Сверхминиатюрный счетчик времени техническая спецификация" (PDF). Bendix Corporation. 14 марта 1959 г.. Получено 23 октября 2017.
  13. ^ Хайо Лоренс ван дер Хорст Глава 8: Специальные трубы В архиве 2010-12-25 на Wayback Machine Книга Philips по газоразрядным трубкам 1964 г.

внешняя ссылка