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

8 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

63854. Гендерные стереотипы в меняющемся обществе 21.85 KB
  Гендерные стереотипы в меняющемся обществе Взаимодействие между людьми не строится на общепризнанных в соответствующей культуре образцах не может протекать вне закономерностей социального восприятия. Гендерные стереотипы представляют собой культурно и социально-обусловленные мнения...
63855. Коммуникации в социокультурной динамике: коммуникативные практики посткризисного региона Дагестан как зеркало социокультурных изменений 177 KB
  Затем мы провели контент-анализ на основании заголовков и общего содержания записей. При этом мы ограничились лишь последними 10 записями каждого блога так как этого количества с одной стороны достаточно для того чтобы определить соотношение предметов обсуждения по их содержанию а с другой стороны это именно...
63856. Трансформация ритуалов в современном обществе 30.67 KB
  Ритуалы это своеобразные камни для строительства упорядоченного образа жизни. Соблюдение повседневных ритуалов помогает нам структурировать свой день и делит трудные периоды на мелкие части. Но всегда ли мы задумываемся об истинном смысле ритуалов На первый взгляд не так уж много ритуалов наполняют нашу жизнь...
63857. Трансформация социокультурного пространства в рамках экономической системы 52.5 KB
  На современном этапе развития социально-экономической формации возникает потребность в изучении и анализе социального пространства с междисциплинарных позиций в силу возрастающего влияния на все сферы жизни общества. Базовыми характеристиками современного общества выступают...
63858. Социальная идентичность: гендерный аспект 54 KB
  Социологическое определение идентичности отражает в свою очередь ее непосредственное отношение к личности и обществу. В своей книге Детство и общество Эриксон писал: Я могу попытаться более явно представить суть идентичности только рассмотрев ее с разных точек зрения.
63859. Экономические условия и политические аспекты трансформации социокультурного пространства в истории России 59.5 KB
  Если говорить о категориях институциональной жизни общества то можно выделить множество сфер которые подвергаются изменениям. Оно определяет общие ориентиры поведения людей совокупность социокультурных норм и ценностей общества которые и определяют это поведение.
63860. Анализ организационно-экономических основ инвестиционной деятельности муниципального образования 24.12 KB
  В условиях ограниченности собственных финансовых средств требующихся для реализации планов социально-экономического развития муниципальных образований а также отдельных целевых программ необходимо привлекать инвестиции аккумулировать сбережения и накопления граждан...
63861. Проблемы защиты коренных народов 44 KB
  В Приангарье проживает 1950 человек которые относятся к категории коренных малочисленных народов КМН 1272 эвенка и 678 тофаларов по переписи населения 2010 года. Постановлением Правительства Иркутской области от 1 апреля 2013 года № 106пп утверждена долгосрочная целевая программа...
63862. Причины изменения языка в разных социальных группах 47.5 KB
  Эти слова прижились и использует в повседневной речи. Часто употребляемые молодыми людьми слова и выражения не понятны взрослым нашим родителям бабушкам дедушкам. От слова €œботать учиться эти и многие другие слова и выражения привносят собой в язык особый смысловой оттенок.