Gázzal töltött cső - Gas-filled tube

Ez a cikk látható csöveket előállító vagy kapcsolási célokra használt csövekről szól. A gázzal töltött csövek sugárzás detektálásához lásd: Gáznemű ionizációs detektor .
Lásd még: Gázkisüléses lámpa
A kompakt fénycső egy gázzal töltött cső háztartási alkalmazása

A gázzal töltött cső , más néven kisülési cső, vagy korábban Plücker- cső , egy elektróda elrendezése egy gázban egy szigetelő , hőálló burkolatban . A gázzal töltött csövek kiaknázzák a gázok elektromos kisülésével kapcsolatos jelenségeket , és úgy működnek, hogy a gázt olyan feszültséggel ionizálják , amely elegendő ahhoz, hogy a Townsendi kisülés mögöttes jelenségei elektromos vezetést idézzenek elő . A gázkisülési lámpa egy elektromos fény alkalmazásával gáztöltésű csőben; ide tartoznak a fénycsövek , a fémhalogenid lámpák , a nátrium-gőz lámpák és a neonfények . Speciális gázzal töltött csöveket, például krytronokat , tiratronokat és ignitronokat használnak kapcsolóeszközként az elektromos készülékekben.

A kisülés megindításához és fenntartásához szükséges feszültség a töltőgáz nyomásától és összetételétől, valamint a cső geometriájától függ. Bár a boríték tipikusan üveg, az elektromos csövek gyakran kerámiát , a katonai csövek pedig gyakran üveggel bélelt fémet használnak. Mind a forró katód, mind a hideg katód típusú eszközökkel találkoznak.

Használatban lévő gázok

Hidrogén

A hidrogént a nagyon gyors kapcsoláshoz használt csövekben használják, például néhány tiratron , dekatron és krytron esetében , ahol nagyon meredek élek szükségesek. A hidrogén felépülési és visszanyerési ideje sokkal rövidebb, mint más gázokban. A hidrogén-tiratronok általában forró katódok. A hidrogént (és a deutériumot) a csőben fémhidrid formájában tárolhatjuk , amelyet kiegészítő szálzal hevítünk; Az ilyen tárolóelem melegítésével a hidrogén felhasználható a megtisztított gáz feltöltésére, sőt a nyomás beállítására is szükség lehet a tiratron működéséhez adott feszültség mellett.

Deutérium

A deutérium használják ultraibolya lámpák ultraibolya spektroszkópia , a neutron-generátor csövek és a csövek speciális (pl crossatron ). A bontási feszültsége nagyobb, mint a hidrogéné. Gyors kapcsolású csövekben hidrogén helyett használják, ahol nagyfeszültségű működésre van szükség. Összehasonlításképpen: a hidrogénnel töltött CX1140 tiratron anódfeszültsége 25 kV, míg a deutériummal töltött és egyébként azonos CX1159 33 kV. Ugyanezen feszültség mellett a deutérium nyomása magasabb lehet, mint a hidrogéné, ami nagyobb áramnövekedési sebességet tesz lehetővé, mielőtt túlzott anódelvezetést okozna. Lényegesen magasabb csúcsteljesítmény érhető el. Helyreállási ideje azonban körülbelül 40% -kal lassabb, mint a hidrogén esetében.

nemesgázok

Nemesgáz kisülési csövek; balról jobbra: hélium , neon , argon , kripton , xenon

A nemesgázokat gyakran használják a csövekben sokféle célra, a világítástól a kapcsolásig. A kapcsolócsövekben tiszta nemesgázokat alkalmaznak. A nemesgázzal töltött tiratronok elektromos paraméterei jobbak, mint a higany alapúak. Az elektródákat nagysebességű ionok károsítják. A gáz semleges atomjai ütközésekkel lelassítják az ionokat, és csökkentik az ionütés által az elektródákra továbbított energiát. A nagy molekulatömegű gázok, pl. Xenon, jobban védik az elektródákat, mint a könnyebbek, például a neon.

  • Hélium használják hélium-neon lézer és bizonyos tiratron eddig nagy áramok és nagy feszültségek. A hélium körülbelül olyan rövid ionmentesítési időt biztosít, mint a hidrogén, de ellenáll az alacsonyabb feszültségnek, ezért sokkal ritkábban használják.
  • A neon gyújtási feszültsége alacsony, és gyakran használják alacsony feszültségű csövekben. A neonkibocsátás viszonylag erős vörös fényt bocsát ki; a neonnal töltött kapcsolócsövek ezért jelzőként is működnek, bekapcsolásukkor pirosan ragyognak. Ezt használják ki a dekatron csövekben, amelyek számlálóként és kijelzőként is működnek. A vörös fény kihasznált neon feliratok . Használt fénycsövek , nagy teljesítménnyel a rövid szakaszon, például ipari világítás csövek. Magasabb a feszültségesése az argonnal és a kriptonnal összehasonlítva. Alacsony atomtömege csak kis védelmet nyújt az elektródáknak a felgyorsult ionok ellen; további árnyékoló huzalok vagy lemezek használhatók az anód élettartamának meghosszabbítására. Fluoreszcens csövekben higannyal kombinálva alkalmazzák.
  • Az argon volt az első gáz, amelyet fluoreszcens csövekben használtak, és alacsony költsége, magas hatékonysága és nagyon alacsony ütőfeszültsége miatt ma is gyakran használják. Fluoreszcens csövekben higannyal kombinálva alkalmazzák. Korai egyenirányító csövekben is használták ; az első tiratronokat ilyen argonnal töltött csövekből származtatták.
  • A kriptont fluoreszkáló lámpákban lehet használni argon helyett; ebben az alkalmazásban az elektródák összes energiaveszteségét körülbelül 15% -ról 7% -ra csökkenti. A lámpa hosszúságára eső feszültségesés azonban kisebb, mint az argonnal, amelyet kisebb csőátmérő kompenzálhat. A kriptonnal töltött lámpák szintén nagyobb indítási feszültséget igényelnek; ez enyhíthető pl. 25–75% argon-kripton keverék alkalmazásával. Fluoreszcens csövekben higannyal kombinálva alkalmazzák.
  • A tiszta állapotban lévő xenonnak nagy a megszakítási feszültsége, ezért magasabb feszültségű kapcsolócsövekben hasznos. A xenont a gázkeverékek komponenseként is használják, ha ultraibolya sugárzás előállítására van szükség, például plazma kijelzőn , általában egy foszfor gerjesztésére . Az előállított hullámhossz hosszabb, mint argonnal és kriptonnal, és jobban behatol a foszforokba. Az ionizációs feszültség csökkentésére neon-xenont vagy hélium-xenont használnak; 350  Torr (47  kPa ) felett a héliumnak alacsonyabb a feszültsége, mint a neonnál, és fordítva. 1% és kevesebb xenon koncentrációnál a Penning-hatás jelentősvé válik az ilyen keverékekben, mivel a xenon-ionizáció nagy része a másik nemesgáz gerjesztett atomjaival való ütközés során következik be; több mint néhány százalékos xenonnál a kisülés közvetlenül a xenont ionizálja, mivel az elektronok nagy energiáját a xenon közvetlen ionizálására fordítják.
  • A radon annak ellenére, hogy nemesgáz, veszélyesen radioaktív és legstabilabb izotópjának felezési ideje kevesebb, mint négy nap. Következésképpen nem használják gyakran elektronikus eszközökben.
  • Penning-keverékeket használnak, ahol alacsonyabb ionizációs feszültségre van szükség, például a neonlámpákban , a Geiger – Müller-csövekben és más gázzal töltött részecske-detektorokban . A klasszikus kombináció a neon körülbelül 98–99,5% -a, az argon 0,5–2% -a, amelyet például neon izzókban és monokróm plazma kijelzőkben használnak .

Elemi gőzök (fémek és nemfémek)

  • A higanygőzöket nagy áramú alkalmazásokhoz használják, például lámpákhoz, higany ívszelepekhez , ignitronokhoz . A higany magas gőznyomása és alacsony ionizációs potenciálja miatt használatos. Inert gázzal kevert higanyot használnak ott, ahol a csőben alacsony energiaveszteségnek kell lennie, és a cső élettartamának hosszúnak kell lennie. Higany-inert gázkeverékekben a kibocsátást kezdetben elsősorban az inert gáz hordozza; a felszabaduló hő ezt követően elegendő higany elpárologtatására szolgál a kívánt gőznyomás eléréséhez. A kisfeszültségű (több száz voltos) egyenirányítók telített higanygőzt használnak kis mennyiségű inert gázzal kombinálva, lehetővé téve a csövek hidegindítását. A nagyfeszültségű (kilovoltos és még több) egyenirányítók tiszta higanygőzt használnak alacsony nyomáson, és megkövetelik a cső maximális hőmérsékletének fenntartását. A folyékony higany a higany tartályaként szolgál, feltöltve a kisülés során felhasznált gőzöket. Telítetlen higanygőz használható, de mivel nem tölthető fel, az ilyen csövek élettartama alacsonyabb. A gőznyomás higanytól való erős függése korlátozza a higanyalapú csövek környezetét. Alacsony nyomású higanylámpákban optimális higanynyomás van a legnagyobb hatékonyság érdekében. Az ionizált higanyatomok által kibocsátott fotonokat a közeli ionizálatlan atomok képesek elnyelni, és újraradiálódnak, vagy az atomot nem sugárzóan izgatják, ezért a túl magas higanynyomás fényveszteséget okoz. A túl alacsony higanynyomás túl kevés atomhoz vezet ahhoz, hogy ionizálódjon és fotonokat sugározzon. Az alacsony nyomású higanylámpák optimális hőmérséklete körülbelül 42 ° C, amikor a higany telített gőznyomása (körülbelül 1 mg folyékony higany cseppként van jelen a csőben, mint a víztisztítás során a veszteségeket kompenzáló tartály) eléri ezt az optimált. Magasabb környezeti hőmérsékleten és szélesebb hőmérsékleti tartományban történő működésre szánt lámpákban a higany amalgám formájában van jelen , például bizmutgal és indiummal ; az amalgám feletti gőznyomás alacsonyabb, mint a folyékony higanyé. A higany a fluoreszcens csövekben látható és ultraibolya fényforrásként szolgál a foszfor izgalmához ; abban az alkalmazásban általában argonnal vagy bizonyos esetekben kriptonnal vagy neonnal együtt használják. A higanyionok lassan ionizálódnak, korlátozva a higannyal töltött tiratronok kapcsolási sebességét. A viszonylag alacsony energiájú higanyionokkal végzett ionbombázás fokozatosan elpusztítja az oxiddal bevont katódokat is.
  • Nátrium- gőzök használnak nátrium-gőz lámpák .
  • Kén gőzök használnak kén lámpák .
  • A gőzök számos fém, önmagában vagy együtt egy nemes gáz, használják számos lézerek .

Egyéb gázok

Egyéb gázok a kisülőcsövekben; balról jobbra: hidrogén , deutérium , nitrogén , oxigén , higany

Szigetelő gázok

Fő cikk: Dielektromos gáz

Különleges esetekben (pl. Nagyfeszültségű kapcsolók) jó dielektromos tulajdonságú és nagyon nagy megszakítási feszültségű gázokra van szükség. Az erősen elektronegatív elemeket, például a halogéneket előnyben részesítik, mivel gyorsan rekombinálódnak a kisülési csatornában jelenlévő ionokkal. Az egyik legnépszerűbb választás a kén-hexafluorid , amelyet speciális nagyfeszültségű alkalmazásokban használnak. További általános lehetőségek a száraznyomású nitrogén és a halogénezett szénhidrogének .

Gázcső fizika és technológia

Lásd még: Townsend mentesítés
Az elektromos kisülés feszültség-áram jellemzői neonban 1 Torr (130 Pa) nyomáson, két sík elektródával, amelyeket 50 cm választ el.
A: véletlenszerű impulzusok kozmikus sugárzással
B: telítettségi áram
C: lavina Townsend-kisülés
D: önfenntartó Townsend-kisülés
E: instabil régió: koronakisülés
F: normálistól alacsonyabb izzáskisülés
G: normál izzáskisülés
H: rendellenes fénykibocsátás
I: instabil régió: fény-ív átmenet
J: elektromos ív
K: elektromos ív
Az AD régiót sötét kisülésnek nevezzük; van némi ionizáció, de az áram 10 mikroamper alatt van, és nem keletkezik jelentős mennyiségű sugárzás.
A DG régió negatív differenciális ellenállást mutat.
Az FH régió az izzító kisülés régiója; a plazma halvány fényt bocsát ki, amely a cső majdnem teljes térfogatát elfoglalja; a fény nagy részét gerjesztett semleges atomok bocsátják ki.
Az IK régió az ívkisülés régiója; a plazma egy keskeny csatornában koncentrálódik a cső közepe mentén; nagy mennyiségű sugárzás keletkezik.

Az alapvető mechanizmus a Townsend-kisülés, amely az elektronáramlás folyamatos megsokszorozódása ionütéssel, amikor az elektromos térerősség kritikus értéke eléri a gáz sűrűségét. Az elektromos tér növekedésével a kisütés különböző fázisai találkoznak, amint az a kísérő ábrán látható. A felhasznált gáz drámai módon befolyásolja a cső paramétereit. A megszakítási feszültség a gáz összetételétől és az elektróda távolságától függ; a függőségeket Paschen törvénye írja le .

Gáznyomás

A gáznyomás 0,001 és 1000 Torr (0,13–130 000 Pa) között mozoghat; leggyakrabban 1-10 torr közötti nyomást alkalmaznak. A gáznyomás a következő tényezőket befolyásolja:

Egy bizonyos érték felett minél nagyobb a gáznyomás, annál nagyobb a gyújtási feszültség. A nagynyomású világítócsövekhez néhány kilovoltos impulzusra lehet szükség a gyújtáshoz hideg állapotban, amikor a gáznyomás alacsony. Bemelegítés után, amikor a fénykibocsátáshoz használt illékony vegyület elpárolog és a nyomás növekszik, a kisülés újbóli felépítéséhez vagy jelentősen nagyobb feszültségre van szükség, vagy a lámpa lehűlésével csökkenteni kell a belső nyomást. Például sok nátriumgőz-lámpa nem kapcsolható be azonnal, miután kikapcsolta; le kell hűlniük, mielőtt újra meg tudnának világítani.

A gázt hajlamosak elhasználni a cső működése során, több jelenség együttesen tisztításnak nevezi . A gázatomok vagy molekulák adszorbeálódnak az elektródák felületén. Nagyfeszültségű csövekben a gyorsított ionok behatolhatnak az elektróda anyagaiba. Az elektródák porlasztásával kialakított és pl. A cső belső felületein elhelyezkedő új felületek szintén könnyen felszívják a gázokat. A nem inert gázok kémiailag is reagálhatnak a cső alkatrészeivel. A hidrogén egyes fémek között diffundálhat.

A gáz vákuumcsövekben történő eltávolításához gettert használnak. A gázzal töltött csövek gázának utánpótlásához utántöltőket alkalmaznak. Leggyakrabban az utántöltőket hidrogénnel használják; hidrogénelnyelő fémből (pl. cirkónium vagy titán) készült szál van jelen a csőben, és hőmérsékletének szabályozásával az abszorbeált és deszorbeált hidrogén arányát állítják be, ami a csőben lévő hidrogénnyomás szabályozását eredményezi. A fémszál hidrogén tárolóként működik. Ezt a megközelítést alkalmazzák például hidrogén-tiratronokban vagy neutroncsövekben. A telített higanygőz használata lehetővé teszi a folyékony higanykészlet használatát az anyag nagy tárolására; a tisztítás során elvesztett atomok több higanyt párologtatva automatikusan feltöltődnek. A csőben lévő nyomás azonban erősen függ a higany hőmérsékletétől, amelyet gondosan ellenőrizni kell.

A nagy egyenirányítók telített higanygőzt használnak, kis mennyiségű inert gázzal. Az inert gáz támogatja a kisülést, ha a cső hideg.

A higany ívszelep áram-feszültség jellemzői nagymértékben függenek a folyékony higany hőmérsékletétől. A feszültségesés az előrehaladásban 0 ° C-on körülbelül 60 voltról 50 ° C-on valamivel 10 volt fölé csökken, majd állandó marad; a fordított előfeszítéses ("ív-vissza") feszültség a hőmérséklet hatására drasztikusan csökken: 36 kV-ról 60 ° C-on 12 kV-ra 80 ° C-on, még ennél is magasabbra magasabb hőmérsékleten. A működési tartomány ezért általában 18–65 ° C között van.

Gáztisztaság

A csőben lévő gázt tisztán kell tartani a kívánt tulajdonságok fenntartása érdekében; még kis mennyiségű szennyeződés is drámaian megváltoztathatja a cső értékeit; a nem inert gázok jelenléte általában növeli a meghibásodást és az égési feszültséget. A szennyeződések jelenléte a gáz izzó színének változásával figyelhető meg. A csőbe szivárgó levegő oxigént vezet be, amely erősen elektronegatív és gátolja az elektron lavinák képződését. Ezáltal a kisülés sápadt, tejszerű vagy vöröses. A higanygőz nyomai kékesen izzanak, elhomályosítva az eredeti gázszínt. A magnéziumgőz zöldre színezi a kisülést. Annak megakadályozása érdekében, hogy a cső alkatrészei üzem közben kijussanak , sütés szükséges a gázzal való feltöltés és a lezárás előtt. A kiváló minőségű csövekhez alapos gáztalanítás szükséges; akár 10 −8  torr (≈1 μPa) oxigén is elegendő ahhoz, hogy az elektródákat néhány óra alatt monomolekuláris oxid réteggel borítsák. A nem inert gázokat megfelelő getterekkel lehet eltávolítani . higanytartalmú csöveknél olyan gettert kell használni, amelyek nem alkotnak amalgámokat a higannyal (pl. cirkónium , de nem bárium ). A katód porlasztást szándékosan lehet alkalmazni nem inert gázok gerjesztésére; egyes referenciacsövek molibdén katódokat használnak erre a célra.

Tiszta inert gázokat használnak, ahol a gyújtási feszültség és az égési feszültség közötti különbségnek magasnak kell lennie, például kapcsolócsövekben. Az indikációs és stabilizációs csövek, ahol a különbségnek kisebbnek kell lenniük, általában Penning-keverékekkel vannak feltöltve ; a gyújtás és az égő feszültség közötti alacsonyabb különbség lehetővé teszi alacsonyabb tápfeszültség és kisebb soros ellenállások alkalmazását.

Világítás és kijelző gázzal töltött csövek

Fluoreszkáló világítás , CFL lámpák , higany- és nátrium-kisülési lámpák és HID-lámpák mind gázzal töltött csövek, amelyeket világításra használnak.

A neonlámpák és a neonfeliratok (amelyek nagy része manapság nem neon alapú) szintén alacsony nyomású, gázzal töltött csövek.

A speciális, alacsony nyomású, gázzal töltött csőberendezések közé tartozik a Nixie cső (a számok megjelenítésére szolgál) és a Decatron (az impulzusok számlálására vagy osztására szolgál, másodlagos funkcióként a kijelzővel).

A Xenon vaku lámpák gázzal töltött csövek, amelyeket kamerákban és villogó fényekben fényes villanások előidézésére használnak.

A nemrég kifejlesztett kénlámpák forró állapotban is gázzal töltött csövek.

Gázzal töltött csövek elektronikában

Mivel a gyújtási feszültség az ionkoncentrációtól függ, amely hosszú inaktivitás után nullára csökkenhet, sok csövet alapoznak meg az ionok rendelkezésre állása érdekében:

  • optikailag, környezeti fény vagy 2 wattos izzólámpa, vagy ugyanabban a burkolatban lévő izzó kisülés által,
  • radioaktív módon tríciumot adunk a gázhoz, vagy bevonjuk a burkolatot,
  • elektromosan, életben tartó vagy primer elektróddal

Tápegységek

Néhány fontos példa a tiratron , a krytron és az ignitron csövek, amelyeket nagyfeszültségű áramok kapcsolására használnak. A speciális típusú gázzal töltött cső úgynevezett gáz kisülési cső (GDT) koholt alkalmazásra túlfeszültségvédő , hogy korlátozzák a feszültségingadozás az elektromos és elektronikus áramköröket.

Számítási csövek

A Schmitt-trigger hatására a negatív differenciális ellenállás -region kihasználható észre időzítő, relaxációs oszcillátor és digitális áramkörök a neon lámpák , ravaszt csövek , relé csövek , dekatrons és nixie csövek .

Tiratron is fel lehet használni, mint triodes működtetésükkel elmarad a gyújtási feszültség, amely lehetővé teszi számukra, hogy megerősítsék az analóg jeleket, mint egy önálló edzés superregenerative detektor a rádió ellenőrző vevők.

Mutatók

A nixie csöveken kívül speciális neonlámpák is voltak:

  • A Tuneon korai hangolásjelzője, egy üvegcső rövid huzalanóddal és hosszú huzalkatóddal , amely részben izzik; az izzási hossz arányos a csőárammal
  • Foszforos neonlámpa
  • Luminiscent ravaszt cső, használt reteszelő mutatók, vagy pixel a pontmátrix kijelzők
    • Közvetlen izzású kiváltó cső
    • Foszforos kiváltó cső

Zajdiódák

Forró katódos , gázkisüléses diódák voltak kaphatók normál rádiócsőből készült burkolatokban az UHF frekvenciákig , és ugyanolyan hosszú, vékony üvegcsövek voltak normál bajonett izzólámpával az izzószálhoz és egy anód felső kupakkal , az SHF frekvenciákhoz és átlós beillesztés egy hullámvezetőbe .

Tiszta inert gázzal, például neonnal töltötték meg, mert a keverékek a kimenet hőmérséklet-függővé tették. Égő feszültségük 200 V alatt volt, de a gyújtáshoz optikai alapozásra volt szükségük egy 2 wattos izzólámpával és egy 5 kV-os feszültségfeszültséggel.

Az egyik miniatűr tiratron további felhasználást talált zajforrásként, amikor diódaként működött a keresztirányú mágneses mezőben.

Feszültségszabályozó csövek

A 20. század közepén általában feszültségszabályozó csöveket használtak.

Eltelt idő mérése

A katód porlasztását kihasználják a Time Totalizer , egy fém-gőz coulometer alapú eltelt időmérőben, ahol a porlasztott fém egy kollektor elemre rakódik, amelynek ellenállása ezért lassan csökken.

-Tron csövek listája

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek