Несколько опытов с ионными приборами

Ионные (газоразрядные) лампы с холодным катодом применяются во многих областях современной техники в качестве источников света, стабилизаторов напряжения, выпрямителей переменного тока, усилителей электрических сигналов, светочувствительных и логических элементов, генераторов электрических колебаний, регистраторов космических и радиоактивных излучений и т. д.

Неоновые лампы, разрядники, стабилитроны, кенотроны, тиратроны, фотоэлементы, счетные трубки, декатроны, строботроны— вот далеко не полный перечень ламп с холодным катодом, выпускаемых промышленностью.

Хотя размеры ионных приборов, количество электродов в них, форма их электродов, наполняющие их газы различны, однако физические процессы, протекающие в них, сходны. Ниже описывается ряд опытов, иллюстрирующих эти процессы.

Принципиальная схема установки для проведения опытов изображена на рисунке 38: R₁ — лабораторный потенциометр, R₂ — переменное сопротивление до 2 Мом, R₃ = 200 ком, V— демонстрационный вольтметр, G — зеркальный гальванометр с пределом до 1 мка, R₄ — шунт, понижающий чувствительность гальванометра в 100 раз, и ключ для быстрого подключения шунта. В качестве ионного прибора используется наиболее универсальная лампа с холодным катодом — тиратрон МТХ-90 (рис. 39), наполненный неоном при давлении 16—20 мм рт. ст.

Плавно увеличивая напряжение V, снимаемое с потенциометра, и фиксируя гальванометром ток I, можно получить зависимость (рис. 40), характерную для ионных приборов. При этом демонстрируется роль внешних ионизаторов, вызывающих несамостоятельный разряд ОАВС, фиксируются ионизация молекул ударом ВС и явление вторичной электронной эмиссии из катода, наблюдается переход несамостоятельного разряда в самостоятельный тлеющий разряд DEF, сопровождающийся скачком тока CD.

Опыты проводятся в такой последовательности:
Опыт 1. Плавно увеличиваем напряжение от 0 до 50—70 в и наблюдаем в цепи очень малый ток. Объясняем, что электропроводность газового промежутка обусловлена наличием в газе как положительных и отрицательных ионов, так и свободных электронов.

Ионы и электроны в газе образуются в основном под действием внешних ионизаторов (радиоактивного и космического облучения), а также вследствие ряда элементарных процессов на поверхности электродов. Так как в этом случае количество ионов и электронов в разрядном промежутке очень мало, то и электропроводность лампы мала.

Опыт 2. Далее демонстрируем, что различными внешними воздействиями количество электронов и ионов в разрядном промежутке можно изменять.

Например, при напряжении 50—70 в мы подносим к боковой поверхности лампы МТХ-90 зажженную спичку (или спиртовку) и незначительно нагреваем тиратрон. Замечаем, что ток в цепи увеличивается. Убираем спичку, и показание гальванометра начинает постепенно уменьшаться.

Учащиеся сразу догадываются, что при нагревании тиратрона температура катода, расположенного вблизи стенок колбы лампы, повышается, и в результате термоэлектронной эмиссии число электронов в разрядном промежутке увеличивается. Это и является причиной увеличения электропроводности газа в лампе.

Так как внутренняя поверхность цилиндрического катода МТХ-90 покрыта слоем цезия, имеющего очень малую работу выхода электронов, то для нагревания катода вполне достаточно одной спички.

Обращаем внимание учащихся на практическую полезность демонстрируемого явления. Говорим, что существуют газонаполненные лампы, в которых начальная электропроводность газа создается путем подогрева катода специальной нитью накала, расположенной в лампе и питаемой током. К таким приборам относятся, например, тиратроны с горячим катодом.

Опыт 3. Направляем на торец тиратрона, а следовательно, и на слой цезия, нанесенного на внутреннюю поверхность катода, мощный световой поток (например, свет от проекционной лампы или солнечные лучи) и демонстрируем увеличение электропроводности газа. Сообщаем учащимся, что электропроводность газа в этом случае увеличивается за счет действия света, выбивающего электроны из цезия. Говорим также, что демонстрируемое явление используется на практике в так называемых газонаполненных фотоэлементах.

Опыт 4. В этом опыте демонстрируем, что и электрическое поле в разрядном промежутке тоже влияет на электропроводность газа. С этой целью напряжение, подаваемое на лампу, плавно увеличиваем еще больше и замечаем, что с некоторого напряжения наблюдается резкое увеличение тока ВС. (До напряжения зажигания разряда в этом опыте не доходим.)

Причиной заметного увеличения электропроводности газа является лавинообразная ионизация нейтральных молекул ударом электронов, двигающихся к аноду. В этом случае происходит так называемое газовое усиление. Это явление используется, например, в газонаполненных фотоэлементах и счетных трубках.

Опыт 5. Демонстрируем, что при определенном напряжении в цепи наблюдается скачок тока («зайчик» уходит за пределы шкалы), и при этом происходит зажигание разряда в лампе. Быстро уменьшаем напряжение и, повторяя опыт, демонстрируем, что напряжение зажигания разряда в лампе постоянно.

Объясняем, что при зажигании разряда «вступают в работу» положительные ионы. Эти ионы, двигаясь к катоду, под действием электрического поля приобретают такую кинетическую энергию, которой достаточно для выбивания электронов из бомбардируемого ими катода. В этот момент начинается вторичная электронная эмиссия из катода.

Вторичные электроны, выбитые из катода, направляются к аноду и на своем пути образуют как лавину электронов, так и лавину положительных ионов, бомбардирующих катод. В результате количество ионов и электронов в разрядном промежутке становится огромным, газ переходит в состояние плазмы, и в цепи наблюдается скачок тока.

Опыт 6. Демонстрируем, что величина тока в цепи после зажигания ограничивается сопротивлением цепи. Для этого шунтированием гальванометра возвращаем световой «зайчик» на шкалу и, изменяя величину сопротивления R₂, показываем соответствующие изменения тока.

Подчеркиваем необходимость в цепи газоразрядной лампы ограничительных сопротивлений. В противном случае при зажигании разряда в цепи возникнет короткое замыкание.

Говорим, что величина тока самостоятельного разряда в различных ионных приборах допускается от нескольких миллиампер до нескольких сот ампер, а в некоторых приборах по техническим условиям зажигание разряда недопустимо. Свечение газа, сопровождающее разряд, широко используется как в газосветных приборах постоянного горения, так и для получения ярких световых вспышек.

Опыт 7. После зажигания разряда продолжаем плавно увеличивать напряжение и наблюдаем плавное возрастание тока в цепи (DE). При уменьшении напряжения наблюдаем уменьшение тока (EDF).

Демонстрируем, что напряжение гашения разряда U_T, так же как и напряжение U_заж, постоянно и что первое несколько меньше второго.

Описанные опыты позволяют вскрыть механизм электропроводности газов, наполняющих ионный прибор, а также ознакомить учащихся с основными параметрами газоразрядных приборов и некоторыми примерами практического применения газового разряда в технике.