2. Краткое теоретическое введение

2.1. В различных электро- и радиотехнических устройствах используются плазменные (газоразрядные) приборы. Газовым разрядом называется процесс протекания электрического тока в газообразной среде. Для прохождения тока необходимо с одной стороны наличие внешнего (постоянного или переменного) электромагнитного поля, а с другой – процессов, приводящих к ионизации атомов и молекул газа. Последние могут обеспечиваться как действующим полем (самостоятельный разряд), так и дополнительным ионизатором (несамостоятельный разряд).

Самостоятельный газовый разряд возникает в широком интервале давлений газа, после достижения напряжения пробоя ток разряда может изменяться от 10^-11 до 10⁶ и более ампера.

В газоразрядных электрических приборах используются свойства нормального тлеющего разряда, образующегося при давлениях ~ 10² Па и токах 10^-4 - 10^-1 А с вольтамперной характеристикой в виде прямой, параллельной оси токов. То есть в данном интервале значений силы тока напряжение, приложенное между электродами, не зависит от силы тока. Такой эффект используется в газоразрядных стабилитронах напряжения.

Если после начала разряда разность потенциалов на электродах газоразрядной установки уменьшается ниже напряжения пробоя, то самостоятельный разряд немедленно прекращается. Это его свойство используется для создания генераторов релаксационных колебаний.

Тлеющий разряд при постоянном внешнем поле и низком давлении достаточно хорошо изучен. Его распространенность объясняется легкостью, с которой такой разряд можно получить и поддерживать.

Отличительным признаком его может служить распределение потенциала между катодом и анодом, которое характеризуется выраженным участком катодного падения. Катодным падением называется изменение потенциала на величину ~ 90% от разности потенциалов, приложенной к разрядному промежутку (рис. 1). Это обусловлено наличием в данной области объемного заряда, образованного положительными ионами.

Рассмотрим характерную структуру тлеющего разряда (рис. 2). Последний состоит из 8-ми областей, из которых 1 – 5 катодные, а 6 – 8 анодные. Экспериментально показано, что если сближать электроды, катодные части разряда не изменяются по величине, а длина положительного столба 6 уменьшается. При дальнейшем сближении электродов положительный столб исчезает, затем исчезает фарадеево темное пространство и при исчезновении области тлеющего свечения 4 разряд прекращается. Если расстояние между катодом и анодом меньше, чем нужно для того, чтобы поместилось темное Круксово пространство 3 и начало области тлеющего свечения 4, то разряд может существовать лишь при повышенной разности потенциалов и носит название затрудненного. Таким образом, основную роль в обеспечении существования тлеющего разряда играют его катодные части.

Рассмотрим процессы, происходящие в различных частях тлеющего разряда. Электроны, образовавшиеся вследствие бомбардировки катода положительными ионами, движутся в темном Астоновом пространстве 1 с малыми скоростями, недостаточными для возбуждения атомов газа, поэтому свечение в этой области отсутствует. Светящаяся область катодное свечение 2 возникает, так как электроны, двигаясь в темном Астоновом пространстве ускоряются и приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов. Ионизации в данной области нет, так как вероятность ее мала из-за невысоких энергий, которыми обладают движущиеся частицы.

В области Круксова темного пространства (3) свечение газа отсутствует, так как напряженность ускоряющего поля велика (см. рис. 1) и энергия электронов достигает значений порядка энергии ионизации. Пролетев 3, электроны попадают в область отрицательного тлеющего свечения 4, в котором градиент потенциала мал. Это приводит к тому, что ускоренные электроны, попав в эту область и ионизовав какой-либо атом газа, частично теряют свою энергию и приобретают возможность возбуждать атомы. Далее к аноду в области 5 поле слегка увеличивается и электроны вновь приобретают возможность ионизовывать атомы. После темного пространства 5 расположена область положительного столба 6. Эта часть разряда представляет собой плазму с малой напряженностью электрического поля.

Плазма положительного столба тлеющего разряда поддерживается благодаря процессам, происходящим в самой этой области, и на ее свойствах не сказываются процессы, происходящие на электродах. Фактически положительный столб замыкает приэлектродные слои. Длину его можно сделать сколь угодно большой, что используется, например, в газосветных лампах дневного света, рекламе и т.д.

Рис. 1. Распределение потенциала вдоль оси тлеющего разряда.

Рис. 2. Тлеющий разряд при низком давлении: 1 - Астоново темное пространство; 2 - первое катодное свечение; 3 - Круксово темное пространство; 4 - тлеющее свечение; 5 - фарадеево темное пространство; 6 - положительный столб; 7 - анодное темное пространство; 8 - анодное свечение.

2.2. Приборы на основе тлеющего разряда. Различают неуправляемые и управляемые приборы.

Важнейшими и наиболее широко применяемыми неуправляемыми приборами тлеющего разряда являются стабилитроны. Их работа основана на свойствах тлеющего разряда поддерживать практически неизменным напряжение своего горения при сравнительно больших изменениях анодного тока (рис. 3). Это обуславливается тем, что внутреннее сопротивление стабилитрона изменяется обратно пропорционально размеру анодного тела. Такие приборы являются нелинейными сопротивлением типа R_и (см. описание работы №10). Основные параметры этого прибора: U_з – напряжение зажигания (при котором начинается разряд между электродами); U_ст – напряжение стабилизации (почти равное нормальному катодному падению потенциала); I_min – минимальный ток разряда (при котором еще возможен разряд); I_max – максимальный ток (при котором разряд еще не переходит в дуговой, а продолжает оставаться тлеющим). Переход разряда в дуговой лишает прибор его стабилизирующих свойств и ведет к разрушению катода. Для недопущения возникновения дугового разряда предусматривается включение последовательно с прибором ограничительного (балластного) сопротивления R₀. Его численное значение должно быть таким, чтобы при наибольшем входном напряжении ток через прибор не превосходил бы значения максимального тока. Как видно на рис. 3, ток через ограничительный резистор является суммой токов прибора и нагрузки. Таким образом, при колебаниях входного напряжения будет меняться распределение тока между нагрузкой и прибором. Практически берут ток нагрузки равным примерно 0.33I_max, значение которого указывается в паспорте прибора. Для наиболее распространенных ламп дуговой разряд наступает при токе свыше 30 мА.

Управляемые приборы – титратроны основаны на том, что у тлеющего разряда напряжение его зажигания на несколько десятков вольт выше напряжения его нормального горения. Эта особенность позволяет относительно просто управлять моментом зажигания разряда. Эти приборы в настоящей работе не исследуются.

Стабилизаторами напряжения обычно называют такие устройства, относительное изменение выходного напряжения которых меньше относительного изменения входного напряжения. Эффективность работы такой системы характеризуется коэффициентом стабилизации по напряжению:

(1)

Коэффициент стабилизации зависит от нагрузки. Значение балластного сопротивления для стабилизатора определяется по формуле:

, (2)

где и – максимально и минимально допустимые токи через стабилизатор, I_н – ток через сопротивление нагрузки .

С помощью диода тлеющего разряда (неоновой лампы) можно создать автоколебательную систему – генератор релаксационных колебаний. Эта система широко используется в лабораторной практике. О принципе ее работы смотрите в рекомендованной литературе.