Тема 9. Электронные и ионные приборы

Широкое применение электронных и ионных приборов объясняется их ценными свойствами. Позволяют:

1. преобразовывать электрическую энергию одного вида в электрическую же энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую энергию и обратно;

2. осуществлять весьма сложные процессы, при которых оптическое изображение преобразуется в электрический ток специальной формы или наоборот (например, в телевизионных и осциллографических трубках);

3. применять их в огромном диапазоне частот от нуля примерно до 10 в 12 степени Гц;

4. осуществить удобное регулирование различных электрических, световых и других величин плавно или ступенями, с большой или малой скоростью и с относительно малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т.е. без значительного снижения к.п.д., характерного для многих других способов регулирования и управления.

Все эти достоинства электронных и ионных приборов обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерирования и преобразования частоты различных электрических токов, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и многих других процессов.

Электронные и ионные приборы, иначе называемые электровакуумными, подразделяются на многие типы по различным признакам. Простейшие приборы, имеющие только два электрода (анод и катод), являются в большинстве случаев неуправляемыми. У более сложных, управляемых приборов электронный поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим полем с помощью управляющих электродов, или магнитным полем.

Ионные приборы:

- это газоразрядные, электровакуумные приборы, действие которых основано на использовании различных видов электрических разрядов в газе (инертных газах, водороде) или парах металла.

Простейший ионный прибор представляет собой диод, баллон которого наполнен инертным газом или парами ртути. Свойства приборов определяются взаимодействием электронного потока с газовой средой и электрическим полем между электродами (анодом и термоэлектронным или холодным катодом). При движении от катода к аноду электроны, соударяясь с атомами и молекулами газа, ионизируют их; в пространстве между электродами образуются электроны и положительно заряженные ионы. Вследствие компенсации пространственного заряда электронов положительными ионами в ионные приборы можно получить очень большие силы токов при небольшой разности потенциалов (падении напряжения) между электродами, что недостижимо в других типах электровакуумных приборов. Для управления моментом возникновения разряда применяют дополнительные электроды (сетки, вспомогательные аноды и др.). Электрические разряды в большинстве случаев сопровождаются излучением света (свечением), характерного для данного газа спектрального состава.

Насчитывается более 50 классов ионных приборов, работа которых основана на использовании отдельных свойств того или иного вида разряда, главным образом тлеющего разряда, дугового разряда, искрового разряда, коронного разряда.

Приборы тлеющего разряда (сигнальные лампы, стабилитроны, тиратроны с холодным катодом, декатроны, цифровые индикаторные лампы, матричные индикаторные панели и др.) составляют наиболее многочисленную группу ионных приборов. Давление газа в них - десятки н/м², сила тока не превышает несколько десятков мА; долговечность - десятки тыс. часов. Они имеют малые габариты и массу. Однако быстродействие таких приборов не превышает сотен мкс (рабочая частота - десятков кГц).

В приборах дугового разряда, главным образом с подогревным катодом, давление газа составляет десятые доли н/м². Такие приборы (газотроны, тиратроны, клипперные приборы, таситроныи др.) имеют низкое внутреннее сопротивление (десятки Ом), падение напряжения в них 10-20 В (в импульсном режиме – 100-200 В). Долговечность их ограничена постепенным разрушением катода и понижением давления (жестчением) наполняющего газа. Для увеличения долговечности приборов используют жидкий ртутный катод (ртутные вентили, игнитроны). Приборы с таким катодом способны пропускать ток силой до нескольких тыс. ампер и выдерживать обратное напряжение до сотен кВ. Известны приборы дугового разряда с самоподогревающимся катодом - аркатроны.

В приборах искрового разряда при подаче между двумя металлическими холодными электродами напряжения, превышающего определённое значение (напряжение пробоя), возникает электрическая искра в виде ярко светящегося тонкого канала, обычно сложным образом изогнутого и разветвленного. Давление газа в них десятки или несколько сотен кн/м². Часто применяются смеси инертных газов с кислородом, углекислым газом и т. п. Время формирования искрового разряда очень мало - доли нсек. Свойство разрядного промежутка почти мгновенно изменять свою электропроводность в значительных пределах (электрическое сопротивление промежутка изменяется от долей Ома до сотен МОм) используется в искровых разрядниках - неуправляемых и управляемых (тригатронах).

В приборах коронного разряда (стабилитронах и др.) ионизация газа происходит в области наибольшей напряжённости поля (область коронирования) при необходимом условии - резкой неоднородности электрического поля между двумя электродами (например, при коаксиальной форме электродов). Давление газа в них - сотни н/м² и выше. Зависимость силы тока от напряжения, приложенного к электродам, представляет собой прямую, почти параллельную оси токов.

Отдельную группу ионных приборов составляют:

- газоразрядные источники света, большинство из которых - приборы дугового разряда, работающие при высоком давлении газа (несколько сотен кн/м²);

- лампы высокой интенсивности излучения; эритемная лампа, дающая сильное ультрафиолетовое излучение;

- газовые лазеры (атомарные, ионные, молекулярные), являющиеся источниками когерентных электромагнитных колебаний светового диапазона волн, и т. д.

Известна также отдельная группа ионных приборов (аттенюаторы, фазовращатели, разрядники и др.), работа которых основана па взаимодействии сверхвысокочастотного поля и ионизированной области газа.

Контрольные вопросы

1. Назовите достоинства электронных и ионных приборов.

2. Принцип работы ионных приборов.

3. Классификация ионных приборов.

4. Особенности работы приборов тлеющего разряда.

5. Особенности работы приборов дугового разряда.

6. Особенности работы приборов тлеющего разряда.

7. Особенности работы приборов коронного разряда.