Электрический разряд в газах

Электрический разряд в газах возникает при протекании электрического тока через газообразную среду вследствие ионизации газа. В зависимости от нескольких факторов разряд может излучать видимый свет. Свойства электрических разрядов в газах изучаются при проектировании источников освещения и при проектировании электрооборудования высокого напряжения.

Типы разрядов

Переход от тлеющего к дуговому разряду в аргоне за счет повышения давления газа .

В трубках с холодным катодом электрический разряд в газе имеет три области с четко выраженными вольт-амперными характеристиками : ^[1]

I : Разряд Таунсенда , ниже напряжения пробоя . При низких напряжениях единственным источником тока является генерация носителей заряда в газе космическими лучами или другими источниками ионизирующего излучения. По мере увеличения приложенного напряжения свободные электроны, несущие ток, получают достаточно энергии, чтобы вызвать дальнейшую ионизацию, вызывая электронную лавину . В этом режиме ток увеличивается от фемтоампер до микроампер, т. е. на девять порядков, при очень незначительном дальнейшем увеличении напряжения. Вблизи напряжения пробоя ВАХ начинает спадать и свечение становится видимым.
II : тлеющий разряд , возникающий при достижении напряжения пробоя. Напряжение на электродах внезапно падает, а ток увеличивается до миллиампер. При более низких токах напряжение на трубке практически не зависит от тока; он используется в лампах-регуляторах напряжения тлеющего разряда . При меньших токах площадь электродов, охваченная тлеющим разрядом, пропорциональна току. При более высоких токах нормальное свечение переходит в аномальное , напряжение на трубке постепенно увеличивается, и тлеющий разряд охватывает все большую поверхность электродов. переключатели малой мощности (тиратроны тлеющего разряда), стабилизация напряжения и осветительные приборы (например, Никси-лампы , декатроны , неоновые лампы ). В этом регионе работают
III : дуговой разряд , возникающий в амперном диапазоне тока; напряжение на трубке падает с увеличением тока. Сильноточные переключающие лампы, например, управляемый искровой разрядник , игнитрон , тиратрон и критрон (и его производное от вакуумной трубки , спритрон , использующий вакуумную дугу ), мощные ртутно-дуговые клапаны и мощные источники света, например ртутные лампы и Металлогалогенные лампы работают в этом диапазоне.

Тлеющий разряд создается за счет ударов электронов об атомы газа и их ионизации. Для образования тлеющего разряда средняя длина свободного пробега электронов должна быть достаточно длинной, но короче расстояния между электродами; Поэтому тлеющие разряды не возникают как при слишком низком, так и при слишком высоком давлении газа.

Напряжение пробоя тлеющего разряда нелинейно зависит от произведения давления газа на расстояние между электродами согласно закону Пашена . Для определенного значения давления × расстояния существует наименьшее напряжение пробоя. Увеличение ударного напряжения при более коротких расстояниях между электродами связано со слишком большой длиной свободного пробега электронов по сравнению с расстоянием между электродами.

В трубку можно добавить небольшое количество радиоактивного элемента либо в виде отдельного куска материала (например, никеля-63 в критронах ), либо в качестве добавки к сплаву электродов (например, тория ), чтобы предварительно ионизировать газ и увеличить надежность электрического пробоя и зажигания тлеющего или дугового разряда. газообразный радиоактивный изотоп, например криптон-85 Также можно использовать . Также могут быть использованы электроды зажигания и разрядные электроды поддержания активности. ^[2]

Часто используется соотношение E/N между электрическим полем E и концентрацией нейтральных частиц N, поскольку средняя энергия электронов (и, следовательно, многие другие свойства разряда) является функцией E/N. Увеличение электрической напряженности E в некоторый q раз имеет те же последствия, что и уменьшение плотности газа N в q раз.

Its SI unit is V·cm ², но единица Таунсенда часто используется (Td).

Применение в аналоговых вычислениях

Использование тлеющего разряда для решения некоторых картографических задач было описано в 2002 году. ^[3] Согласно статье новостей Nature, описывающей эту работу, ^[4] Исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они создали мини-карту, на которой туристы светятся указателями маршрута. Чтобы сделать лондонский чип размером в один дюйм, команда выгравировала план центра города на стеклянном предметном стекле. Установка плоской крышки сверху превратила улицы в полые соединенные трубы. Они наполнили их газообразным гелием и вставили электроды в ключевые туристические центры. Когда между двумя точками подается напряжение, электричество естественным образом течет по улицам по кратчайшему маршруту от А до Б, а газ светится, как крошечная светящаяся полоска света. Сам подход представляет собой новый подход к видимым аналоговым вычислениям для решения широкого класса задач поиска в лабиринте, основанный на свойствах зажигания тлеющего разряда в микрофлюидном чипе.

Ссылки

^ Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, с. 16–42, Ньюнес, 2002 г. ISBN 0-7506-7291-9
^ Справочник по оптоэлектронике, Том 1 Джона Дэйкина, Роберта Г.В. Брауна, стр. 52, ЦРК Пресс, 2006. ISBN 0-7503-0646-7
^ Рейес, Д.Р.; Ганем, ММ; Уайтсайдс, генеральный менеджер; Манц, А. (2002). «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Лаборатория на чипе . 2 (2): 113–6. дои : 10.1039/B200589A . ПМИД 15100843 .
^ «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Природа . 27 мая 2002 г. doi : 10.1038/news020520-12 .

[refeng-1] Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург, с. 16–42, Ньюнес, 2002 г. ISBN 0-7506-7291-9

[handopto-2] Справочник по оптоэлектронике, Том 1 Джона Дэйкина, Роберта Г.В. Брауна, стр. 52, ЦРК Пресс, 2006. ISBN 0-7503-0646-7

[3] Рейес, Д.Р.; Ганем, ММ; Уайтсайдс, генеральный менеджер; Манц, А. (2002). «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Лаборатория на чипе . 2 (2): 113–6. дои : 10.1039/B200589A . ПМИД 15100843 .

[4] «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Природа . 27 мая 2002 г. doi : 10.1038/news020520-12 .

[1]

[2]

[3]

[4]