42513

Физические основы работы ионных приборов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Положительные ионы под действием поля устремляются к катоду, бомбардируют его поверхность и вырывают из катода вторичные электроны (поверхностная ионизация). Такое явление называется вторичной эмиссией. Возникающие электроны вторичной эмиссии, ускоряемые полем, также включатся в процесс объёмной ионизации газа.

Русский

2013-10-30

101.5 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 15

Физические основы работы ионных приборов

Цель работы: изучить процессы при самостоятельном разряде в газах и физические основы работы тиратрона; научиться снимать пусковую характеристику тиратрона.

Оборудование: тиратрон МТХ-90, два сопротивления на панели, два вольтметра, микроамперметр, миллиамперметр, два источника постоянного регулируемого напряжения.

15.1. Краткие теоретические сведения

В группе газоразрядных ионных приборов особый интерес представляют газоразрядные приборы с холодным катодом. В переносе электрических зарядов в разрядном промежутке таких приборов участвуют не только электроны, но и положительные ионы. В отсутствие поля небольшое количество свободных электронов и ионов присутствует в результате действия космического излучения, фотоэффекта на катоде и других причин. При наложении поля через межэлектродный промежуток течёт ток вследствие дрейфового движения электронов и ионов. Электроны ускоряются электрическим полем, и, как только их энергия становится равной или большей энергии ионизации атомов газа, ионизируют атомы при столкновении. Вылетающие электроны также ускоряются полем и могут сами ионизировать атомы газа по достижении их энергии значений, достаточных для ионизации. Вторичные электроны, затратив энергию на ионизацию, затем вновь ускоряются полем и ионизируют газ и т.д. Таким образом, к аноду направляется лавина электронов, а ионизация возникает во всём объёме (объёмная ионизация).

Положительные ионы под действием поля устремляются к катоду, бомбардируют его поверхность и вырывают из катода вторичные электроны (поверхностная ионизация). Такое явление называется вторичной эмиссией. Возникающие электроны вторичной эмиссии, ускоряемые полем, также включатся в процесс объёмной ионизации газа.

Атомы газа при столкновении с электронами, энергия которых меньше энергии ионизации, переходят в так называемые возбуждённые состояния. Эти состояния неустойчивы и, спустя промежуток времени порядка 10−8 с, атомы вновь возвращаются в невозбуждённое состояние, испуская фотоны, энергия которых равна разности энергий возбуждённого и невозбуждённого состояний атома. Фотоны, попадая на катод, способны вырывать из него электроны, если их энергия больше работы выхода из данного катода (явление фотоэффекта). Вылетевшие фотоэлектроны, ускоряемые полем, также включаются в процесс ионизации газа.

Наряду с процессом ионизации в газе протекает и процесс рекомбинации (т.е. образование нейтральных атомов при столкновении электронов с положительными ионами, сопровождающееся свечением газа), несколько ослабляющий процесс ионизации.

Напряжение, при котором в процессах объёмной и поверхностной ионизации и рекомбинации образуется самостоятельный разряд в газе, называется напряжением зажигания Uзаж. Напряжение зажигания уменьшается при снижении концентрации (давления) атомов или молекул газа, поскольку при этом увеличивается их средняя длина свободного пробега в ускоряющем поле, и энергии ионизации они достигают при меньшей напряжённости электрического поля.

15.2. Принцип работы тиратрона МТХ-90

Тиратрон МТХ-90 − прибор тлеющего разряда − представляет собой миниатюрный баллон, заполненный неоном при давлении около 103 Па, в который впаяны три электрода. Катод выполнен в виде никелевого цилиндра диаметром 8 мм и длиной 12 мм, покрытого внутри цезием (с малой работой выхода). Анодом лампы служит торец молибденовой проволоки диаметром 0,5 … 0,6 мм, заключённый у торца в стеклянный чехол. Сетка расположена вблизи катода так, чтобы напряжение зажигания разряда между ней и катодом было меньше, чем между анодом и катодом.

На основной разрядный промежуток анод-катод (рис. 15.1) подаётся питающее напряжение, удовлетворяющее условию

где  − напряжения соответственно горения и зажигания промежутка анод-катод.

При таком напряжении в анодной цепи разряд самопроизвольно не зажигается, но зажжённый разряд будет гореть. Если теперь подать пусковое напряжение на сетку, то в управляющем промежутке сетка-катод зажигается разряд, и в цепи сетки под действием напряжения пускового сигнала возникает ток самостоятельного разряда. Часть электронов из промежутка между сеткой и катодом будет диффундировать в пространство между сеткой и анодом, создавая там начальную проводимость. При этом разряд в цепи сетки является как бы внешним ионизатором для разрядного промежутка анод − катод. Чем больше ток сетки Iп, тем больше начальная проводимость промежутка анод − сетка и тем меньше напряжение зажигания . Зависимость между током сетки и напряжением зажигания  называется пусковой характеристикой тиратрона. Усреднённая пусковая характеристика для МТХ-90 показана на рис. 15.2.

Таким образом, током сетки в несколько микроампер можно в цепи анода зажечь разряд и возбудить там ток до нескольких десятков миллиампер, а при коротком импульсе − до десятых долей ампера, т.е. тиратрон позволяет увеличивать сигнал по току в сотни и более раз.

Возникающий разряд в цепи анода не может быть погашен последующим уменьшением тока сетки или даже подачей отрицательного напряжения на сетку. Последнее объясняется тем, что положительные ионы, заполняющие лампу, нейтрализуют потенциал сетки.

Тиратроны применяются в различных автоматических устройствах для быстрого включения различных агрегатов, контроля за температурой в управляемых выпрямителях, в которых путём изменения потенциала сетки можно без лишних потерь энергии регулировать выпрямленное напряжение.

Тиратрон небольшой мощности ТГ-0,1/0,3 с газовым наполнением, средний ток < 0,1 А, наибольшее допустимое обратное напряжение 0,3 кВ.

Тиратрон ТР-6/15 наполнен парами ртути, средний ток 6,5 А, наибольшее допустимое обратное напряжение 15 кВ.

Порядок выполнения работы

  1.  Собрать и опробовать схему (рис. 15.1): при отключенной сетке плавно подать напряжение на анод до зажигания тиратрона, записать напряжение зажигания Uзаж в табл. 15.1.
  2.  Погасить тиратрон (уменьшить U до нуля).
  3.  Подключить сетку, включить тумблером источник постоянного регулируемого напряжения, питающий цепь катод-сетка. Подать напряжение на сетку, установив ток сетки Iп = 2 мкА. Значение Uп записать в табл. 15.1.
  4.  Плавно увеличивая напряжение на аноде, зажечь тиратрон и записать в табл. 15.1 значения Iп, Iа и Uагор.
  5.  Продолжить измерения при пусковых токах 4, 6, 8, 10, 12, 14 и 16 мкА.
  6.  Построить пусковую характеристику тиратрона.
  7.  Определить коэффициенты усиления тиратрона по току  и мощности
  8.  Провести аппроксимацию полученных экспериментальных данных экспоненциальной регрессией, воспользовавшись программой, данной в приложении. Получить аналитическое выражение зависимости .

Измерения производить при номинальном для данного типа тиратрона пусковом токе в режиме горения.

Таблица 15.1.

I п, А

Uп, В

Uа, В

Iа, мА

Uзаж, В

ki

kp

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Контрольные вопросы и задания

  1.  Каков механизм самостоятельного газового разряда?
  2.  Различия в действии сетки ионных и электронных приборов.
  3.  Устройство и принцип действия тиратрона.
  4.  Нарисовать схему включения и пусковую характеристику тиратрона.
  5.  Почему при зажигании тиратрона резко падает напряжение на промежутке анод-катод?
  6.  Изменится ли сила анодного тока в «горящем» тиратроне при увеличении потенциала на пусковом электроде?
  7.  Преимущества тиратрона с холодным катодом по сравнению с другими коммутирующими приборами.
  8.  Применение тиратронов.

[2, § 167, 170; 5, § 87, 90]

Приложение

Программа для обработки данных лабораторной работы № 15

1 '"Экспоненциальная регрессия y(x) = bo * exp(b1*x)

10 CLS : INPUT "Введите число точек: N ="; N

20 DIM X(N), Y(N): A = 0: B = 0: C = 0: D = 0

30 PRINT "Введите попарно X(I) и Y(I):"

40 FOR I = 1 TO N

50 PRINT : PRINT "X("; I; ") ="; : INPUT X(I)

60 PRINT : PRINT "Y("; I; ") ="; : INPUT Y(I)

70 X = X(I): Y = LOG(Y(I)): A = A + X: B = B + Y: E = E + Y * Y

80 C = C + X * X: D = D + X * Y

90 NEXT I

100 B1 = (A * B - N * D) / (A ^ 2 - N * C)

110 B0 = EXP((B - B1 * A) / N)

120 PRINT : PRINT " Y(X) = "; B0; "* exp("; B1; "*X)."

130 R = (D - A * B / N) / SQR((C - A * A / N) * (E - B * B / N))

140 PRINT : PRINT "Коэффициент корреляции: R ="; R

150 PRINT : INPUT "Введите X ="; X

160 PRINT : PRINT "Y(X) ="; B0 * EXP(B1 * X)

170 INPUT "Продолжить? (y/n)"; A$

180 IF A$ = "n" THEN 1000

190 IF A$ <> "y" THEN 170

200 GOTO 150

1000 K2 = 1: YK = -70: X5 = INT(X(1)): X6 = INT(X(N)) + 1: Y3 = Y(1): IF Y(N) > Y(1) THEN Y3 = Y(N)

1005 CLS : SCREEN 2

1010 C3 = 2.4: C1 = ABS(C3 * 260 / (X6 - X5)): C4 = 20 / 155: C5 = 76 / C3 / 260: Y0 = 75

1015 Y1 = INT((Y0 - YK) * C4) + 4: IF Y1 <= 0 OR Y1 > 23 THEN 1030

1020 LOCATE Y1, 1: PRINT X5: LOCATE Y1, 75: PRINT X6

1030 X0 = 260 * (-X5) / (X6 - X5)

1040 LINE (0, Y0 - YK)-(C3 * 260, Y0 - YK), 5

1050 LINE (X0 * C3 + 4, 0)-(X0 * C3 + 4, 155), 5

1060 XC = C1 * (X5 - INT(X5)): XC1 = C1 * (-X5 + INT(X6)): GOSUB 2000

1065 FOR I = 1 TO N

1070 XI = (-X5 + X(I)) * C1 + 4: YI = -K2 * Y(I) / ABS(Y3) * 140 + Y0

1075 LINE (XI - 4, YI - YK - 4)-(XI + 4, YI - YK + 4), 5, B

1080 NEXT I

1085 FOR I = C1 - XC TO XC1 STEP K1

1090 LINE (I + 4, Y0 - YK)-(I + 4, Y0 - YK - 5), 8

1095 NEXT I

1100 FOR Z = X5 TO X6 STEP (X6 - X5) / 300

1110 GOSUB 3000

1130 XZ = (-X5 + Z) * C1 + 4: YZ = -K2 * Y / ABS(Y3) * 140 + Y0

1140 PSET (XZ, YZ - YK), 8

1150 NEXT Z

1160 LOCATE 21, 1: INPUT "Если нужно изменить масштаб по вертикали, введите коэффициент: K ="; KK: K2 = KK * K2

1165 IF K2 = 0 THEN RUN: GOSUB 4000

1170 LOCATE 21, 1: INPUT "Если нужно сместить график по вертикали, введите соответствующее значение: YK ="; YY: YK = YK + YY

1175 GOSUB 4000

1180 LOCATE 21, 1: INPUT "Нужно изменить пределы исследования? (y/n):"; B$

1190 IF B$ = "n" OR B$ = "N" THEN 1005

1195 IF B$ <> "y" THEN 1180: GOSUB 4000

1200 LOCATE 21, 1: INPUT "Введите нижний предел:                                          Z1 ="; X5

1210 LOCATE 22, 1: INPUT "Введите верхний предел:                                          Z2 ="; X6

1220 GOTO 1005

2000 K1 = C1

2010 FOR I = 1 TO 100

2020 IF K1 < 20 THEN K1 = K1 * 10

2030 NEXT I

2040 RETURN

3000 IF ABS(B1 * Z) > 80 THEN 3020

3010 Y = B0 * EXP(B1 * Z)

3020 RETURN

4000 LOCATE 21, 1: PRINT "                                                                                "

4010 LOCATE 22, 1: PRINT "                                                                               "

4020 LOCATE 23, 1: PRINT "                                                                               "

4030 RETURN

115


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50715. Исследование фазового резонанса в цепи с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений 108 KB
  Цель работы: уяснить условия получения резонанса напряжений экспериментально исследовать явление резонанса напряжений в зависимости от изменения либо реактивного сопротивления либо частоты исследуемой цепи. Резонанс напряжений называется такой пассивной электрической цепи переменного тока с последовательным соединением активного индуктивного и емкостного сопротивлений при котором входное реактивное сопротивление равно нулю. При резонансе напряжений напряжение на входе цепи совпадает по фазе с током т.
50716. Исследование колебаний вращающегося вала 324 KB
  Изза неточности изготовления и сборки центры масс деталей как правило не находятся на оси вращения вала т. При вращении вала вследствие дисбаланса возникают переменные по направлению силы инерции дополнительно нагружающие вал и его опоры и вызывающие механические колебания системы. В связи с этим необходимо исследование колебаний вращающегося вала.
50717. Определение напряжений в днищах, нагруженных внутреннем давлением 216 KB
  Цель работы: Задачи исследования: Теоретический расчет напряжений и деформаций в эллиптическом и плоском днищах нагруженных внутренним давлением; Экспериментальное определение напряжений и деформаций в днищах сравнение их с расчетными значениями; Сравнение днищ различной формы с точки зрения возникающих в них напряжений Теоретическая часть Напряжения и деформации в эллиптических днищах нагруженных внутренним давлением В инженерной практике для расчета напряжений и деформаций пользуются...
50718. Исследование распределения напряжений в эллиптическом и коническом днищах 441.5 KB
  Расчет напряжений и деформаций в днищах нагруженных внутренним давлением. Экспериментальное определение напряжений и деформаций в днищах. Анализ результатов теоретической и экспериментального исследования напряженного...
50719. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ НАГРУЗКИ ЗВЕЗДОЙ 595.5 KB
  Экспериментальное определение основных соотношений между токами, напряжениями и мощностями в симметричных и несимметричных цепях. Исследование различных режимов работы трехфазной цепи. Выяснение практической роли нейтрального провода.
50720. Анализ напряженного состояния аппарата, нагруженного внутренним давлением и изгибающим моментом 253.5 KB
  Из приведенных соотношений видно что напряжения вызванные внутренним давлением р постоянны не зависят от положения сечения на оболочке. При изгибе колонны в её стенках возникают нормальные в меридиональном направлении а также касательные напряжения которыми в виду их малости можно пренебречь. Меридиональные напряжения определяются по...
50721. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 213.5 KB
  Цель работы Совершенствование навыков снятия вольтамперных характеристик ВАХ нелинейных элементов. Некоторые нелинейные элементы на отдельных участках ВАХ имеют малое стабилитрон или отрицательное терморезистор динамическое сопротивление. Для снятия таких ВАХ необходимо предусмотреть включение в схему эксперимента последовательно с нелинейным элементом добавочного резистора Rд рис. ВАХ линейного резистора проходит через начало координат поэтому для ее построения достаточно экспериментально получить одну точку.
50722. Определение молярной массы и плотности газа 35 KB
  Вычисление молярной массы воздуха Вычисление плотности воздуха Вычисление границ неисключенных систематических погрешностей отдельных измерений: Вычисление границы относительной погрешности результата измерения молярной массы воздуха...
50723. Використання покажчиків для роботи з функціями 37 KB
  Тема: Використання покажчиків для роботи з функціями. Ціль роботи: виробити практичні навички в написанні програм з функціями й у використання покажчиків для роботи з функціями. Обладнання: ПК,ПО Borland C++