Газоразрядные индикаторы.

Виды газового разряда можно пояснить с помощью рис. 7.13:

Рис. 7.13

1 – область несамостоятельного газового разряда (коэффициент умножения М < 1)

2 – область самостоятельного разряда (коэффициент умножения М > 1)

2-3 – темновой разряд (I < 10^-6 А)

4 – область тлеющего разряда (10^-6 – 10^-1 А)

5 – аномальный тлеющий разряд

6 – электростатическая эмиссия

7 – дуговой разряд (I > 10^-1 А)

Высокочастотный разряд происходит под действием ВЧ – поля.

К газоразрядным приборам относятся: тиратроны несамостоятельного разряда, тлеющего разряда, стабилитроны тлеющего разряда, декатроны, резонансные разрядники и другие.

Области газоразрядного пространства характеризуются, как это показано на рис. 7.14

Рис. 7.14

На рисунке приведены :

1 – Вывод катода

2 - 5 – Астоново, катодное, фарадеево, анодное тёмные пространства.

6 – Вывод анода

7 – Анодное свечение

8 – Положительный столб

9 – Отрицательное свечение

10 – Катодный слой

Видимое излучение тлеющего разряда лежит в красной области спектра, другие спектральные линии в видимой области спектра очень слабы. Газоразрядные индикаторы работают в режиме тлеющего разряда с холодным катодом. Данный вид разряда устанавливается при давлении газа несколько сотен паскалей и напряжении 100 – 200 В и зависит от расстояния между электродами, материала катода и рода газа. Зажигание тлеющего разряда происходит при напряжении U₃, которое превышает напряжение горения разряда Uг. Для ограничения тока разряда и стабилизации его величины последовательно с разрядным промежутком включают резистор. Разжигают нормальный и аномальный тлеющие разряды.

В результате ионной бомбардировки с поверхности катода эмитируются электроны, которые при своем движении к аноду ионизируют и возбуждают атомы газа. При возвращении ионизированного атома в нормальное состояние излучается квант света. Причем излучает не весь газоразрядный промежуток, а только его отдельные части. Светящиеся области чередуются с областями, в которых свечение либо вообще отсутствует, либо очень слабое. Уровень яркости свечения тлеющего разряда при прочих равных условиях пропорционален току. Однако увеличение тока с целью повышения яркости приводит к распылению катода и сокращению его срока службы.

Для накопления газоразрядного промежутка используются либо чистые инертные газы, либо их смеси. Яркость свечения в чистом инертном газе невелика. Поэтому для увеличения яркости к основному газу (He,Ne) добавляют небольшое количество (не более 1%) примесного газа (Ar, Kr, Xe, Hr). Полученную смесь называют смесью Пеннинга. В результате этого повышается интенсивность процессов ионизации, возбуждения и рекомбинации.

Кроме основной красной области спектра наблюдается интенсивное инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение используется в цветных ГРИ, которые используют фотолюминофоры. В последнее время ведутся работы по использованию положительного столба. Если ограничить разрядную область металлической или диэлектрической стенкой, то яркость его резко возрастает. В трубке диаметром 0,6 мм максимальная яркость достигает 10⁶ кД/м ² при светоотдаче 0,6 лм/Вт.

Однако основной излучающей областью разряда является отрицательное свечение (таблица 7.1). Светоотдача в этой области невелика (около 0,1 лм/Вт).

Яркость свечения газов и их смесей, кд/м ²

Таблица 7.1

При приложении к ячейке напряжений U2, U3 самостоятельный разряд начинается с некоторой задержкой. Время задержки состоит из статического времени запаздывания и времени формирования. Статическое время запаздывания – это время между моментом приложения напряжения и началом протекания тока. Время формирования равно времени нарастания тока от первоначального значения до значения тока пробоя. Полное время запаздывания составляет единицы микросекунд.

С целью уменьшения времени запаздывания используют метод подготовки ячейки. Суть его заключается в том, что в объеме искусственно создается повышенная концентрация носителей заряда. Ячейка, в которой имеет место дополнительная концентрация заряженных частиц, называется подготовленной. Напряжение пробоя, статистическое время запаздывания подготовленной ячейки меньше по сравнению с параметрами ячейки, содержащей лишь первичные электроны, обусловленные лишь естественной ионизацией. При превышении напряжения, превышающего U₃, в подготовленной ячейке происходит пробой, напряжение падает до Uг, а другие ячейки не загораются.

Долговечность приборов с газовым разрядом ограничивается, как правило, распылением материала катода, что приводит к увеличению тока утечки и коротким замыканиям между электродами, уменьшению выхода света из индикатора, уменьшению давления газа. Основными способами увеличения срока службы ГРИ является уменьшение рабочего тока или введение в ячейку некоторого количества ртути, что придает процессам деградации в ячейке существенно иной характер.

7.10.1. Полицветные ГРИ

Существует несколько способов изменения цвета свечения: регулирование режима и условий горения разряда, установка светофильтров и комбинация этих способов. Основной задачей является получение следующих цветов: синего, зеленого, красного. Для этой цели используют свечение люминофора либо в результате электронной бомбардировки, либо под действием ультрафиолетового излучения разряда. Образующиеся при разряде электроны имеют малую энергию, поэтому необходимо применять люминофоры с низким потенциалом свечения. Часто используют зеленый люминофор ZnO:Zn, имеются люминофоры и другого свечения (табл. 7.2).