Часть пятая ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Глава двадцать четвертая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОННЫХ ПРИБОРАХ

24.1. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА И ОСОБЕННОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ

Электрический разряд (ток) в газе возникает, когда к электродам газонаполненного промежутка прикладывается напряжение, способное вызвать ионизацию атомов и молекул газа и превратить его из диэлектрика в проводник.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) простейшего диодного газонаполненного промежутка, представляющего собой два холодных металлических электрода (анод и катод), пространство между которыми заполнено газовой средой. Такая ВАХ для стационарного включения изображена на рис. 24.1, причем по оси абсцисс откладывается ток в логарифмическом масштабе.

При низких напряжениях (менее 50 В) газовый промежуток является почти идеальным изолятором, а небольшой начальный ток Ю""- 10"А, протекающий через него, обусловлен внешними ионизирующими факторами, в частности космическим излучением. Увеличение начального тока с напряжением на участке АВ ВАХ обусловливается более полным собиранием на электродах ионов и электронов, появив-пшхся в результате ионизации внешними факторами нейтральных атомов или молекул в объеме. На участке ВС ВАХ соШрание происходит полностью и ток достигает почти постоянного значения.

Когда напряжение становится вьиде 50-200 В (в зависимости от материала катода и используемого газового наполнения), электроны, созданные благодаря внешним факторам, ускоряются в электрическом поле настолько сильно, что приобретают способность ионизировать атомы или молекулы нейтрального газа; при этом возникают вторичные электроны и ионы. Этот процесс, называемый газовым усилением, соответствует участку CD ВАХ.

Область ВАХ между точками AviD характеризует несамостоятельный разряд, поддержание которого возмошю только с помощью заряженных частиц, создаваемых под действием внешних факторов. Помимо упомянутого выше космического излучения ими могут быть радиоактивность, нагрев или облучение катода. При ослаблении действия внешних факторов ВАХ несамостоятельного разряда сдвигается влево (штрихо-г вая часть ВАХ между точками ABCD) .

Рис. 24.1. Вольт-амперная характеристика диодного газоразрядного промежутка

По мере дальнейшего увеличение напряжения нарастает число вторичных электронов и ионов, ионы, двигаясь к катоду, вызьшают эмиссию новых электронов, последние, ускоряясь по направлению к аноду, вызывают ионизацию новых атомов и т.д. При определенных условиях такого замкнутого цикла ионизация-эмиссия-ионизация разряд из несамостоятельной формы переходит в самостоАтельную, для поддержания которой уже не требуется внешних ионизирующих факторов.

При самостоятельном разряде воздействие внешних ионизирующих факторов несущественно, и две ветви ВАХ, соответствующие разным уровням внешних факторов, сливаются в одну (ВАХ между точками DEFGHKL).

Участок самостоятельного разряда DE соответствует тихому (таун-сендовскому) разряду. Напряжение на промежутке для этого участка называется напряжением возникновения самостоятельного разряда U.

Дальнейшее увеличение тока через промежуток приводит к искажению электрического поля между электродами, в результате которого основная часть перепада напряжения прокладывается к катодной области. Вследствие этого эффективность ионизационных процессов в промежутке нарастает, а напряжение, необходимое для поддержания разряда, падает (участок EF ВАХ).

За падающим участком ВАХ следует область плоского минимума FG, соответствующая нормальному тлеющему разряду и характеризуемая примерно постоянными плотностью тока и падением напряжения на промежутке С/к, н. а также возникновением интенсивного свечения у катода. Поскольку плотность тока здесь постоянна, то при увеличении полного тока пропорционально растет часть катода, покрытая свечением разряда. Когда вся поверхность катода светится, дальнейшее увеличение тока становится возможным лишь за счет повышения его плотности. При этом тлеющий разряд переходит из нормальной в аномальную форму (участок GH ВАХ).

Рис. 24.2. Схема включения диодного газоразрядного промежутка

£q Режим сильно аномального тлеющего разряда (близко к точке Н) характеризуется интенсивным нагревом и усилением электрического поля у катода. Под воздействием этих факторов происходит переход от тлеющего к дуговому разряду (участок НК ВАХ). Для дугового разряда (участок KL ВАХ, токи больше ампера) характерно увеличение 1ШОТНОСТИ мощности, выделяемой на катоде, и локализация тока на небольшом участке - катодном пятне, являющемся интенсивным источником термоэлектронной или электростатической эмиссии.

Простейшая схема включения диодного газонаполненного промежутка изображена на рис. 24.2. То обстоятельство, что рассматриваемый прибор наполнен газом, отмечено жирной точкой на поле баллона (согласно ГОСТ любые газоразрядные приборы отмечаются таким же образом).

Из приведенной ВАХ следует, что ограничение тока через промежуток на горизонтальных участках ВАХ возможно только с помощью балластного (токоограничивающего) резистора R. Дифференциальное сопротивление прибора на этих участках близко к нулю, и при непосредственном подключении его к источнику напряжения £3 ничто не препятствует неограниченному нарастанию тока. Поскольку именно горизонтальные участки (тлеющего FG и дугового разрядов KL) наиболее часто используются в реальных приборах, то токоограничивающий элемент почти всегда присутствует в схемах включения.

Для приведенной на рис. 24.2 схемы можно записать простое соотношение, связьшающее токи и напряжения:

= 1Л.+ и,{1), (24-1)

где и{1) - напряжение поддержания разряда, являющееся функцией тока. Для тлеющего разряда £/„ б.н составляет 50-200 В, для дугового 10-20 В.

24.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ

Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газе, приведенная на рис. 24.1, часто используется для построения классификации ионных приборов по типам разряда. Несамостоятельные разряды, а также слаботочный таунсендовский разряд применяются в газоразрядных детекторах ионизирующих излучений. В этих приборах под воздействием ионизирующих частиц (а-частиц, рентгеновского излучения, 7-излучения и т.п.) в газовом промежутке генерируются электрон-ионные пары.