Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 4
Целью работы: является ознакомление с основными формами тлеющего разряда и исследование работы приборов на его основе.
Тлеющий разряд – это самостоятельный разряд в газе с холодным катодом. Для него характерна существенная плотность тока по сравнению с несамостоятельным разрядом, которая вызывает искажение электрического поля между электродами. Поэтому в тлеющем разряде наблюдается неравномерное распределение потенциала и отличие напряжения возникновения разряда от напряжения его поддержания.
Вторичные электроны, испускаемые катодом, возникают в результате бомбардировки его положительными ионами. Ионы скапливаются у катода, в результате вблизи него образуется слой определенной толщины с большим положительным объемным зарядом. Наличие этого слоя является отличительным признаком тлеющего разряда. Здесь имеет место наибольший градиент потенциала, а падение напряжения в слое положительного объемного заряда называют катодным падением.
Катодное падение напряжения составляет 100…180 вольт для катодов из чистых металлов и 40…100 вольт для активированных катодов. Катодное падение определяется в основном работой выхода электронов из материала катода и родом газа; чем меньше работа выхода электронов, тем меньше величина катодного падения напряжения.
Отличительной особенностью тлеющего разряда является слоистая структура, выражающаяся в чередовании темных и светлых областей. Эти слои хорошо наблюдаются при низких давлениях газа и достаточно большом расстоянии между электродами. Интенсивность свечения светлых областей различна, как и различны происходящие в них элементарные процессы.
На рис 4.1 приведена характерная структура чередующихся светлых и темных слоев в разрядной трубке, а так же распределение яркости, напряжения, напряженности электрического поля, плотности тока, плотности пространственного заряда и концентрации заряженных частиц. К катоду прилегает очень узкое астоново темное пространство 1. Затем следует тонкий
|
Рис. 4.1. Картина тлеющего разряда |
слой катодного свечения 2, за которым расположено темное катодное пространство 3. Следующая за ним область – это отрицательное свечение 4, которое затухает в направлении анода и переходит в темное фарадеево пространство 5. За ним начинается однородно светящийся положительный столб 6. Разряд заканчивается темным анодным пространством 7 и узкой пленкой анодного свечения 8. |
Основные процессы, обеспечивающие существование тлеющего разряда, происходят в катодных частях разряда и на катоде. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. При определенном расстоянии между электродами, которое называется критическим, положительный столб исчезает. Следует отметить наличие большого пространственного заряда и сильного поля у катода, которое почти линейно спадает до очень малой величины около катодной границы отрицательного свечения.
В катодных частях разряда преобладает направленное движение электронов и положительных ионов, тогда как положительный столб представляет собой низкотемпературную газоразрядную плазму, в которой доминирует хаотическое движение зарядов.
Условие самостоятельности (самоподдержаниия) разряда обеспечивается процессами в катодных частях разряда, где под действием бомбардировки катода положительными ионами и фотоэффекта возникают новые, т.н. вторичные, электроны, принимающие участие в ионизации атомов газа. Роль положительного столба заключается в том, чтобы обеспечить замкнутую цепь тока в разряде.
Иногда катодным темным пространством называют всю область до границы отрицательного тлеющего свечения. На эту область приходится основная доля падения напряжения на разряде.
За областью катодного темного пространства следует отрицательное тлеющее свечение. Оно имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В отрицательном тлеющем свечении электрическое поле мало. Ионизированный газ представляет собой почти квазинейтральную плазму, пронизываемую потоком быстрых электронов из катодного темного пространства. Излучение тлеющего свечения обусловлено, в основном, рекомбинацией медленных электронов, потерявших энергию на упругих столкновениях в области катодного падения, с положительными ионами.
Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево темное пространство является переходной областью от катодных частей разряда к положительному столбу. Здесь напряженность поля очень мала, поэтому электроны испытывают только упругие соударения. В конце этой области электроны приобретают энергию, достаточную для возбуждения и ионизации атомов газа. Возникает положительный столб, который представляет собой квазинейтральную плазму с малой напряженностью поля. В прианодной области электроны притягиваются анодом, а ионы отталкиваются. В результате перед анодом возникает отрицательный пространственный заряд. Это вызывает увеличение электрического поля и анодный скачок потенциала.
В приборах тлеющего разряда используется, как правило, «короткий» разряд, когда расстояние между электродами меньше критического. Поэтому источником видимого излучения является отрицательное тлеющее свечение. Спектр излучения зависит от состава наполняющего газа. Обычно используется неон и смеси на его основе, дающие оранжево-красный цвет свечения. Наиболее часто используются смеси Ne + Ar, Ne + He, Ne + Xe (Kr) при различном процентном содержании компонентов. Изменение состава газовой смеси незначительно влияет на цвет свечения, но существенно на плотность тока, напряжение возникновения и поддержания разряда. В то же время выше перечисленные параметры, а так же толщина катодной части разряда остаются почти постоянными при изменении тока.
Если сила тока через прибор не превышает значения, при котором не вся поверхность катода участвует в электронной эмиссии, т. е. не вся покрыта свечением, то катодное падение напряжения не зависит от тока и остается постоянным – закон Геля. В этом случае его называют нормальным катодным падением, а тлеющий разряд – нормальным тлеющим разрядом.
Тлеющий разряд – слаботочный, при токе порядка 0.3 A появляется тенденция к переходу в дуговой разряд. Поэтому приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах 0.1 A.
Если в разряде участвует вся поверхность катода, то с увеличением тока увеличивается и катодное падение напряжения, так как в этом случае обеспечивается большая эмиссия с единицы поверхности катода. Такой разряд называют аномальным тлеющим разрядом. В аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и существенно скорость распыление материала катода.
Начальный участок аномально тлеющего разряда используется в различных индикаторах, в частности, в цифровых и знаковых индикаторах, применяемых в измерительной технике для отображения информации. Нормальный тлеющий разряд используется в стабилизаторах напряжения. При этом постоянство катодного падения потенциала в тлеющем разряде обеспечивает хорошую стабилизацию напряжения на уровне сто и более вольт.
На рис. 4.2 приведена упрощенная электрическая схема, включающая в себя исследуемый прибор тлеющего разряда П, балластное сопротивление Rб и сопротивление нагрузки Rн, амперметры для измерения общего тока I и токов, протекающих через прибор Iп и нагрузку Iн, а также вольтметры, фиксирующие входное напряжение Uвх и напряжение на исследуемом приборе Uп.
|
Рис. 4.2. Схема включения стабилитрона в электрическую цепь |
Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда |
Переключателем (на схеме не показан) можно включать в схему стенда различные по конструкции приборы. В лабораторной работе исследуются: экспериментальная лампа Л, имеющая плоскую конструкцию с рамочным анодом и неоновым наполнением; линейный индикатор ИН-9, имеющий катод в виде тонкой нити и цилиндрический анод с прорезями для наблюдения свечения, наполнение – смесь неона с аргоном; различные типы стабилитронов тлеющего разряда типа СГ2С, СГ3С, СГ4С, СГ2П, СГ15П, СГ16П, имеющие разную конструкцию и газовое наполнение; цифровые индикаторные лампы, содержащие набор цифр 0…9, а так же специальные символы.
Цифровые индикаторные лампы предназначены для отображения информации в цифровой и знаковой (в виде специальных символов) форме в информационных табло различного назначения. Это многокатодные приборы, причем форма катода соответствует форме знака. Катоды расположены параллельно друг другу по принципу наименьшего экранирования светящихся знаков. Подбор газового наполнения и давления обеспечивает малый разброс напряжений возникновения разряда между цифровыми Катодами и анодом. Достоинством этих приборов является естественное начертание символов и простота управления.
Любой прибор тлеющего разряда обладает свойствами стабилизации за счет независимости напряжения поддержания разряда от тока. Рассмотрим принципы стабилизации напряжения на примере стабилитрона тлеющего разряда, типичная вольтамперная характеристика которого приведена на
рис. 4.2.
Допустим, что величина входного напряжения Uвх1, в этом случае прямая линия сопротивления, проведенная через значение Uвх1 от оси ординат до оси абсцисс под углом при пересечении с ВАХ даст точку устойчивого горения разряда в данном режиме. Стабилитрон подключен параллельно нагрузке, поэтому падение напряжения на этих элементах одинаково и равно Uст. Падение напряжения Uб на балластном сопротивлении Rб создается током I. При изменении величины входного напряжения, например, в сторону увеличения, до значения Uвх2 линия сопротивления переместится параллельно себе самой и даст новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом напряжение стабилизации, в пределах от Imin до Imax, изменится незначительно, а падение напряжения на балластном сопротивлении Uб2 изменится за счет увеличения тока до величины I2. Таким образом, при работе стабилитрона рабочая точка перемещается по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получим значение Imin и Imax, в пределах которых и будет работать стабилитрон.
Рассматривая схему рис. 4.2, можно записать: ; , отсюда . Учитывая, что , можно записать:
.
Корректная величина Iст выбирается в зависимости от того, как изменяется входное напряжение Uвх. Если изменение одинаково как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, то расчетная точка берется посередине рабочего участка ВАХ, и тогда , если же изменение входного напряжения несимметричны, то рабочая точка для расчета выбирается исходя из закона пропорциональности.
Качество стабилизации определяется коэффициентом стабилизации по току KI (при постоянном входном напряжении) и коэффициентом стабилизации по напряжению KU (при постоянном токе нагрузки)
, ,
где Iн, Uн, Uвх – значения параметров в рабочей точке вольтамперной характеристики стабилитрона.
Порядок выполнения работы
Содержание отчета
1. Цель работы. Схема лабораторной установки.
2. Вольтамперная характеристика лампы тлеющего разряда Л. Значение напряжения возникновения разряда. Зависимость плотности тока на катоде от разрядного тока.
3. Вольтамперная характеристика индикатора ИН-9. Значение напряжения возникновения разряда. Градуировочная характеристика индикатора: зависимость длины светящегося столба от разрядного тока.
4. Вольтамперная характеристика стабилитрона. Нагрузочные характеристики и стабилизационные характеристики для двух режимов стабилизации.
5. Результаты исследования цифровых индикаторных ламп.
6. Выводы по результатам исследований.
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА
Цель работы: ознакомление с основными свойствами коронного разряда.
Коронный разряд является самостоятельным разрядом в сравнительно плотном газе.
Если к двум электродам, между которыми находится газовый промежуток, приложить электрическое поле, то при определенной разности потенциалов между электродами, которую назовем критической и обозначим через U0, возникает коронный разряд. Его появление существенным образом зависит от конфигурации электродов. Легче всего коронный разряд возникает между остриями, тонкими проволочками, шарами малого диаметра и т. п. Внешне коронный разряд проявляется в том, что в небольшом объеме газа (воздуха) около одного или обоих электродов возникает слабое свечение (в воздухе – сине-зеленого цвета). При прочих равных условиях вероятность появления свечения вокруг электрода, а, следовательно, короны, тем больше, чем меньше радиус кривизны электродов. Электрод, вокруг которого наблюдается свечение, называют коронирующим электродом. Свечение, возникающее при коронном разряде около электрода, связано с элементарными процессами, происходящими на границе электрод – воздух или в объеме воздуха вблизи электрода. В результате элементарных процессов в небольшом объеме воздуха вблизи электрода протекают ионизация, возбуждение, диссоциация молекул азота и кислорода. Естественно, что в этом объеме воздуха должны развиваться и обратные процессы: рекомбинация ионов и электронов, образование отрицательных ионов, переход возбужденных молекул (атомов) из возбужденных состояний в нормальные с излучением квантов света и т.д. По своему спектральному составу свечение, наблюдаемое при коронном разряде в воздухе, состоит преимущественно из молекулярных полос испускания, принадлежащих второй положительной системе полос молекулярного азота и первой отрицательной системе полос ионизованного молекулярного кислорода, благодаря чему свечение концентрируется в сине-зеленой и ультрафиолетовой областях спектра.
Если коронирующий электрод присоединить к положительному полюсу источника питания, то коронный разряд называется положительной короной. При присоединении коронирующего электрода к отрицательному полюсу – отрицательной короной. Практически различия между спектральным составом свечения, возникающего при положительной и отрицательной короне, не существует, хотя есть некоторая разница в самом характере свечения. В случае положительной короны свечение вокруг коронирующего электрода распределяется равномернее, чем при отрицательной короне. В последнем случае свечение сосредоточено у отдельных точек коронирующего электрода. Кроме того, критические потенциалы коронного разряда и искрового пробоя неодинаковы.
Возникновение коронного разряда объясняется появлением вблизи коронирующего электрода резкой неоднородности электрического поля, значительно превосходящей напряженность электрического поля на других участках воздушного промежутка между электродами. Для возникновения коронного разряда напряженность поля у электрода должна превосходить электрическую прочность воздуха. В результате большой напряженности электрического поля слой воздуха вблизи коронирующего электрода будет пробит и станет проводящим. При этом около электрода возникает корона. Радиус проводящего слоя возрастает до тех пор, пока на его границе напряженность электрического поля не станет равной электрической прочности воздуха. Таким образом, при коронном разряде пробой газа распространяется не на весь воздушный междуэлектродный промежуток. Если приложенную к электродам разность потенциалов увеличивать сверх критического потенциала U0, то с повышением напряжения сила разрядного тока быстро увеличивается, а толщина коронирующего слоя около электрода возрастает. При определенной разности потенциалов между электродами наступает искровой пробой всего газового промежутка.
Отрицательный коронный разряд
В разрядном промежутке коронного разряда электроны осуществляют ударную ионизацию, возбуждение и диссоциацию молекул воздуха. В итоге каждый свободный электрон способен на своем пути к аноду создать ряд новых электронов, образующих движущуюся от катода к аноду лавину. Наряду с образованием такой лавины в зоне ионизации появляются и положительные ионы, которые под действием электрического поля начинают двигаться к катоду, а также значительное число возбужденных молекул и атомов. При этом, например, молекулы воздуха под действием электронного удара в коронном разряде могут возбуждаться до высоких энергий. Такие возбужденные молекулы (атомы) при переходе в нормальное состояние испускают кванты лучистой энергии, преимущественно в области вакуумного ультрафиолета, для которых характерен весьма большой показатель поглощения. Поглощаясь в воздушном промежутке, кванты будут ионизовать новые молекулы. Появление новых центров ионизации приводит к возникновению новых электронных лавин.
По мере удаления от катода напряженность электрического поля убывает, что в свою очередь приводит к уменьшению скорости движения (энергии) свободных электронов в лавине. На некотором расстоянии L от катода электрическое поле ослаблено настолько, что свободные электроны, движущиеся в лавине, практически перестанут производить дальнейшую ионизацию молекул (атомов) воздуха, из-за чего коэффициент объемной ионизации станет приблизительно равным нулю. Оставшиеся в воздушном промежутке свободные электроны с малыми энергиями либо рекомбинируют с положительными ионами, либо же, взаимодействуя с атомами и молекулами кислорода, образуют отрицательные ионы. Вероятность образования отрицательных ионов в воздухе при нормальной плотности весьма велика из-за большого электронного сродства атомарного и молекулярного кислорода.
Следовательно, на расстоянии от катода свыше L, то есть за пределами области отрицательного коронного разряда, образуется внешняя униполярная область, носителями тока в которой являются отрицательные ионы кислорода (O2, О–). Под действием электрического поля такие ионы медленно перемещаются к аноду. Из-за малой подвижности отрицательных ионов кислорода за пределами области коронного разряда в воздушном промежутке образуется отрицательный пространственный заряд, который будет препятствовать продвижению к аноду отрицательных ионов, что приведет к ограничению силы тока коронного разряда.
Несколько иная картина создается при образовании отрицательной короны в электроположительных газах, например, в чистом азоте. В этом случае за пределами области коронного разряда также находятся отрицательные заряды, однако, носителями тока являются свободные электроны. Поскольку подвижность свободных электронов во много раз больше подвижности отрицательных ионов, при одной и той же силе тока плотность объемного заряда, образуемая свободными электронами, значительно меньше плотности объемного заряда, создаваемого отрицательными ионами кислорода. Поэтому в чистых электроположительных газах отрицательный объемный пространственный заряд ограничивает ток коронного разряда гораздо слабее, чем в газах, способных образовывать отрицательные ионы.
Положительный коронный разряд
В этом случае коронирующий электрод является анодом, а катодом служит электрод с большим радиусом кривизны (например, плоскость). При положительной короне основная роль отводится электронам, возникающим в процессе объемной фотоионизации молекул воздуха между электродами. При достаточно большой напряженности электрического поля свободный электрон приобретает значительную энергию на своем пути движения к аноду. Электроны, движущиеся в сильном электрическом поле, на своем пути к аноду станут ионизовать молекулы воздуха, что приведет к образованию электронной лавины, которая в конечном итоге попадает на анод. У анода, то есть в области положительного коронного разряда, протекают не только процессы ионизации электронным ударом, но и процессы возбуждения молекул воздуха и их продуктов диссоциации. Кванты света, испущенные такими молекулами (атомами), будут ионизовать в объеме газа новые молекулы. Образовавшиеся таким образом фотоэлектроны пополняют убыль электронов в области коронного разряда.
За пределами области положительного коронного разряда в межэлектродном воздушном промежутке находятся положительные ионы азота N2+, N+, которые под действием электрического поля медленно перемещаются к катоду. Эти положительные ионы создают положительный пространственный заряд, ограничивающий силу тока коронного разряда. Как и в случае отрицательной короны, при увеличении разности потенциалов между электродами толщина коронирующего слоя в положительной короне возрастает и при некоторой критической разности потенциалов наступает искровой пробой.
Сила тока коронного разряда определяется величиной сопротивления внешней области короны. Поэтому для нахождения вольтамперной характеристики надо решать уравнение Пуассона для внешней области короны. Полная система уравнений, описывающих распределение поля во внешней области коронного разряда, имеет вид:
, , , .
Обычно на практике пользуются простыми приближенными формулами, либо найденными эмпирически, либо выведенными на основе теоретических расчетов при значительном упрощении задачи.
Дейтш, решая задачу приближенно, вывел формулы характеристики короны для следующих случаев:
– провод – плоскость
,
где h – расстояние от провода до плоскости; r0 – радиус коронирующего провода; k – подвижность заряженных частиц (положительная k +=1.8·10–4 м2/B·сек, отрицательная k – =1.6·10–4 м2/B сек); U0 – напряжение возникновения короны;
– проводов радиуса r0, расположенных на равном расстоянии от плоскостей и на расстоянии d один от другого;
.
Константа А рассчитывается отдельно для каждого значения h и d.
Для любой конфигурации электродов ток коронного разряда можно представить следующим выражением
.
Прерывистые явления в коронном разряде
И положительная, и отрицательная корона сопровождается в воздухе характерным звуковым явлением – шипением. Это шипение носит несколько различный характер в случае положительной и отрицательной короны и при каждой из них изменяется с изменением силы коронного тока. Таким образом, уже непосредственное визуальное наблюдение коронного разряда указывает на ряд прерывистых явлений в короне. Прерывистый характер коронного разряда был обнаружен Тричелем. Коронный ток, как показал Тричель, слагается из периодических и правильно чередующихся импульсов. При повышении напряжения сила тока в каждом импульсе остается неизменной, а общая сила тока коронного разряда увеличивается за счет увеличения частоты чередования импульсов.
Каждый регулярный импульс представляет собой обычным образом развивающийся ряд лавин, сопровождаемой фотоионизацией в окружающем объеме газа. Как показали исследования, прерывистые явления тока коронного разряда наблюдались только в электроотрицательных газах и при наличии последних в смеси газов хотя бы в небольшом количестве.
Частота чередования импульсов Тричеля обуславливается, временем накопления и рассасывания пространственного заряда.
Применение коронного разряда в технике
Вольт-амперная характеристика тока коронного разряда данного промежутка зависит от геометрии промежутка, наполняющего его газа и состояния электродов. В некоторых газоразрядных приборах используется зависимость "критического потенциала" от одного из параметров разрядного промежутка (приборы для определения температуры, давления, влажности газа).
Отрицательный коронный разряд применяется для зарядки и последующего осаждения электрическим полем взвешенных в газе посторонних мелких частиц: пылинок, частиц дыма (аэрозолей) мелко распыленных продуктов и т.д. Такая аппаратура носит название электрофильтра.
Если через область с коронным разрядом проходят неодинаковые по размерам и физической природе частицы, то происходит их частичное разделение. Это явление используется в электросепараторах.
Коронный разряд также применяется для непрерывного и безинерционного анализа газовых смесей. В этом случае при изменении состава газа в разрядном промежутке изменяется напряжение коронного разряда.
Большое различие в подвижности положительных ионов и электронов в разрядном промежутке позволяет использовать коронный разряд также для выпрямления и стабилизации высокого напряжения.
Коронный разряд нашел также применение в экспериментальной ядерной физике. Счетчики медленных нейтронов (типа СНМ-9, СНМ-13) работают в режиме коронного разряда. Широкое применение коронный разряд находит в электрографии, в электроокраске, медицине, сельском хозяйстве, в промышленности для нанесения порошковых покрытий, в текстильной промышленности и т.д.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки. Установить ручку регулятора напряжения в положение, соответствующее нулевому напряжению.
2. Снять ВАХ отрицательного коронного разряда промежутка игла – плоскость для трех фиксированных расстояний между электродами: H1 = 5.5 мм; H2 = 6.5 мм; H3 = 8 мм.
3. Снять ВАХ отрицательного коронного разряда промежутка ряд игл – плоскость для двух значений расстояния между иглами в ряду b = 7.5 мм и b = 2.5 мм. В обоих случаях расстояние между электродами Н = 6.5 мм. Для каждого случая рассчитать ток с одного острия.
4. Снять ВАХ положительного коронного разряда для тех же электродов.
|
Рис. 5.1. Блок-схема лабораторной установки |
По указанию преподавателя с помощью осциллографа исследовать прерывистые явления коронного разряда с острия для отрицательной короны. Снять зависимость частоты и амплитуды колебаний тока коронного разряда от среднего значения тока для трех одиночных игл.
Содержание отчета
1. Цель работы. Схема лабораторной установки.
2. Таблицы с экспериментальными данными и графики полученных зависимостей.
3. Для полученных ВАХ коронного разряда промежутка острие -плоскость произвести расчет теоретических зависимостей и сравнить их с экспериментальными данными. Значения коэффициента А определяются из экспериментальных вольт-амперных характеристик.
4. Выводы по результатам исследований.
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ
Цель работы: ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.
Газоразрядная плазма – это ионизированный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой. Примером низкотемпературной плазмы является положительный столб тлеющего разряда и дуги низкого давления. Плазма положительного столба в осевом направлении однородна и стационарна во времени. Распределение электронов по скоростям является, как правило максвелловским, при этом хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением.
Основные параметры плазмы: концентрация, температура и скорость заряженных частиц, потенциал пространства и градиент потенциала, направленная скорость частиц могут быть определены с помощью метода электрических зондов, разработанного в 1924 году Ленгмюром.
Зонд – это вспомогательный металлический электрод, который вводится в плазменный объем для его исследования. Размеры зонда выбираются обычно достаточно малыми, чтобы можно было пренебречь падением потенциала вдоль зонда и искажениями поля, вносимыми зондом в исследуемый разряд. Применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от величины этого потенциала. Параметры плазмы определяются из вольтамперной характеристики зонда.
Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов .
На рис. 6.1.а представлена типичная зондовая характеристика, получаемая при погружении в плазму вспомогательного электрода. Ток частиц, поступающий на поверхность, зависит от приложенной разности потенциалов между плазмой и рабочей поверхностью зонда.
Большим отрицательным потенциалам зонда соответствует участок ab, когда от него отталкиваются практически все электроны. В этом случае вокруг зонда формируется слой положительного объемного заряда, поле внутри которого уменьшается от зонда к границе невозмущенной плазмы. Толщина слоя автоматически устанавливается такой, чтобы положительный заряд ионов нейтрализовал бы действие отрицательного потенциала зонда. За пределами этого слоя влияние зонда на плазму не ощущается.
|
а |
б |
|
Рис. 6.1. Зондовая характеристика и метод ее обработки. |
Электроны, приходящие из плазмы и не имеющие достаточной энергии для преодоления тормозящего поля отталкиваются, а положительные ионы, приходящие к оболочке и проникающие в нее, попадают в ускоряющее поле и перемещаются к зонду. Ток на зонд обусловлен исключительно положительными ионами.
В пределах области плазмы, непосредственно примыкающей к слою, окружающему зонд, концентрация ионов спадает по следующему закону: , при этом их скорость равна . Ионный ток на границе слоя пространственного заряда составляет величину , здесь S – площадь слоя окружающего зонд. При большой поверхности зонда его площадь можно принять равной площади слоя. Отсюда ионный ток насыщения на плоский зонд равен:
,
где ji – плотность беспорядочного ионного тока в плазме; S – приемная поверхность зонда.
В неподвижной плазме ток насыщения ионов на зонд связан лишь с ее эмиссионной способностью.
На внешней границе слоя объемного заряда существует переходная область, в которой находятся не только ионы, но и наиболее подвижные электроны плазмы. Толщина этой области значительно меньше толщины слоя при значительных отрицательных потенциалах зонда.
С уменьшением (по абсолютной величине) отрицательного потенциала, задаваемого на зонд, уменьшается и толщина слоя, но ионный ток на зонд при этом остается неизменным.
Крутой подъем характеристики на участке bd связан с появляющейся возможностью выхода из плазмы на зонд электронов, способных преодолеть действие тормозящего поля. Зависимость концентрации электронов от координаты, отнесенное к единице времени и единице поверхности зонда, имеет вид:
,
где n0 – концентрация электронов на границе слоя; Uст – потенциал изолированной стенки или плавающий потенциал плазмы; U0 – потенциал пространства в точке расположения зонда.
За счет попадающих на зонд электронов ток в цепи зонда уменьшается, так как часть заряда, отдаваемого зонду положительными ионами, компенсируется приходящими из плазмы электронами. При некотором значении потенциала токи на зонд выравниваются и в точке c потенциал становится равным нулю. В этом случае потенциал зонда равен потенциалу изолированной стенки называется плавающим потенциалом.
Величина электронного тока, протекающего в цепи зонда, зависит от величины потенциала:
.
При дальнейшем уменьшении потенциала ток на зонд становится преимущественно электронным и при этом быстро нарастает по закону Больцмана до тех пор, пока потенциал зонда не сравняется с потенциалом окружающей его плазмы. Потенциал зонда в точке излома – точка d – соответствует потенциалу пространства, т. е. плазмы в точке расположения зонда. При этом потенциале положительный слой объемного заряда вокруг зонда исчезает. Зонд становится как бы прозрачным для электронов и ионов. Они приходят к нему в процессе беспорядочного движения, не испытывая при этом ни притяжения, ни отталкивания. Ток на зонд равен разности плотностей беспорядочных электронного и ионного токов, умноженной на площадь зонда.
Из условия равенства токов можно найти величину потенциала плазмы:
.
Дальнейшее повышение положительного потенциала зонда приводит к быстрому излому в ходе зондовой характеристики – участок de. При дальнейшем повышении потенциала около зонда формируется уже электронная оболочка. Положительные ионы, входя в оболочку, испытывают действие поля зонда и выталкиваются обратно в плазму, а электроны, попадая в ускоряющее для них поле, уходят на зонд. Поскольку с ростом толщины оболочки ее поверхность почти не изменяется, неизменным остается и электронный ток на зонд – участок ef:
.
При рассмотрении изменения электронного тока на восходящем участке зондовой характеристики предполагают, что электроны имеют максвелловское распределение по скоростям. В этом случае число электронов, попадающих в единицу времени на единицу площади зонда перпендикулярно к его поверхности в интервале скоростей от до , равно:
.
При этом следует уточнить, что на зонд попадают только те электроны, у которых компонента скорости удовлетворяет соотношению . Следовательно, полное число электронов, достигающих зонда определяется интегрированием этого выражения в пределах от до .
Умножая данное выражение на заряд электрона, получаем плотность электронного тока на зонд при его потенциале относительно плазмы:
или после логарифмирования:
.
Полученное уравнение показывает, что зависимость логарифма плотности электронного тока на зонд от потенциала зонда (при отрицательных относительно плазмы потенциалах) должна иметь линейный характер (рис.5.1.б). Угол наклона этой прямой к оси абсцисс удовлетворяет соотношению:
,
откуда определяется температура электронов:
,
где – приращение логарифма электронного тока; – вызвавшее это приращение изменение потенциала зонда.
На практике логарифмируют не плотность электронного тока на зонд, а полный электронный ток на зонд.
То, что экспериментальные полулогарифмические характеристики действительно имеют прямолинейный участок, подтверждает правильность предположения о максвелловском характере распределения электронов по скоростям (энергиям) в плазме.
Зная температуру и плотность беспорядочного электронного тока в плазме, можно определить концентрацию электронов и равную ей концентрацию положительных ионов в плазме:
.
Для определения продольного градиента потенциала необходимо в плазме иметь два зонда с известным расстоянием между ними l, тогда
,
где Uп1, Uп2 – потенциалы плазмы в месте установки первого и второго зондов.
Для определения направленной скорости электронов необходимо иметь два зонда, тогда
,
где ie1 – ток первого зонда; ie2 – ток второго зонда.
Вместо допустимо применять при .
|
6.2. Схема лабораторной установки |
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе по изучению параметров плазмы низкого давления в разряде с накаленным катодом в парах ртути. Изучить схему лабораторной установки, состоящей из блока накала катода, блока разрядного напряжения, блока управления потенциалом зонда. Ознакомиться с расположением органов управления.
2. Прогреть катод в течение пяти минут. Ток накала при этом поддерживать постоянным. Включить анодную цепь. Установить заданную величину разрядного тока. (При выключении схемы сначала снимается анодное напряжение, а потом выключается цепь накала.)
3. Снять вольтамперные характеристики цилиндрических зондов изменяя потенциал зонда в пределах от – 30 В до 0 при нескольких значениях разрядного тока, указанных преподавателем. Диаметр зондов 1 мм, высота рабочей части 10 мм, расстояние между зондами 30 мм. Для регистрации тока в цепи зонда используется несколько милли- и микроамперметров с разными пределами измерений, так как при снятии зондовых характеристик ток изменяется на несколько порядков и, кроме того, меняет направление своего движения.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Цель работы: исследование основных электрических параметров газоразрядной индикаторной панели постоянного тока типа ГИП - 10000.
Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) представляют собой приборы интегрального типа, объединяющие в плоском корпусе большое число светоизлучающих элементов. ГИП используются для решения сложных информационных задач: отображения больших массивов знаковой информации, отображения гистограмм, графиков, а также видео информации с градациями яркости. Изображение формируется с помощью матричной структуры, состоящей из миниатюрных ячеек, находящихся на пересечении горизонтальных электродов строк и вертикальных столбцов. Для адресации светоизлучающих ячеек ГИП используется временное совпадение сигналов, подаваемых на электроды строк и столбцов. При двух координатной выборке управление матричным экраном, содержащим n элементов, осуществляется с помощью входов.
В настоящей работе исследуются параметры газоразрядной индикаторной панели типа ГИП-10000. Панель содержит десять тысяч индикаторных ячеек, образованных с помощью перфорированной диэлектрической пластины – матрицы. Диаметр отверстия в матрице 0.6 мм, а шаг 1.0 мм. Две взаимно перпендикулярные системы электродов – анодов и катодов – образуют столбцы и строки. Отверстия в матрицах совмещены в местах пересечения катодов и анодов. Таким образом, ячейки каждой строки имеют общие катоды, ячейки каждого столбца – общие аноды. Нагрузочные резисторы включаются в цепи внешних электродов. Параллельная работа газоразрядных ячеек с одним общим резистором невозможна, так как после возникновения разряда в одной из ячеек столбца напряжение на остальных ячейках, имеющих один внешний резистор, падает. Поэтому одновременно разряд может поддерживаться в ячейках только одной строки (столбца), вследствие чего индикаторное поле не запоминает информацию. В качестве газового наполнения обычно используется смесь Пеннинга на основе неона, дающая оранжево – красный цвет свечения.
|
Основными электрическими параметрами ГИП постоянного тока являются напряжение возникновения, поддержания и прекращения разряда. Возможные состояния определяются вольт-амперной характеристикой и нагрузочными кривыми, рис. 7.1. Из рисунка видно, что напряжение прекращения разряда Uпр зависит не только от вольт- |
Рис. 7.1. Вольт-амперная характеристика газоразрядной ячейки |
амперной характеристики, но и от наклона нагрузочной кривой (величины ограничительного сопротивления), то есть, является как параметром газоразрядной ячейки, так и схемы включения. Значения токов Imin и Imax определяют протяженность плато вольт-амперной характеристики.
Напряжение возникновения разряда Uв (напряжение зажигания) обычно превышает напряжение поддержания разряда Uп (напряжение горения). Благодаря этому обеспечивается работа газоразрядной ячейки в одном из двух состояний: «Включено» и «Выключено». Эта особенность может быть использована для получения в некоторых газоразрядных устройствах отображения электрической памяти. Интервал памяти определяется как . Режим памяти, однако, требует введения токоограничительных резисторов в каждую ячейку панели.
Если к панели приложено опорное напряжение (напряжение смещения) Uоп, превышающее напряжение поддержания разряда, но недостаточное для возникновения разряда, то отдельные ячейки могут быть переведены в состояние «включено» и «выключено» путем подачи соответствующих импульсов на пары электродов x и y (строк и столбцов). Поскольку каждая ячейка панели находится на пересечении двух взаимно перпендикулярных электродов x и y, воздействовать только на одну из них можно управляющим сигналом, состоящим из двух равных частей, суммирующихся с опорным напряжением.
В индикаторной панели, как в системе, состоящей из множества отдельных светоизлучающих элементов, наблюдается разброс электрических параметров – напряжений возникновения, поддержания и прекращения разряда, связанный с разбросом геометрических размеров конструктивных элементов. Поэтому нормальное функционирование панели при питании от источника постоянного смещения (опорного напряжения) и импульсов полувыборки Uимп можно записать в следующем виде:
, (1)
, (2)
, (3)
. (4)
Выполнение условия (1) обеспечивает зажигание разряда в ячейке с наибольшим напряжением возникновения разряда, условия (3) – гашение разряда в ячейке с наименьшим напряжением прекращения разряда. В целом, вышеприведенные условия работы панели обеспечивают зажигание и гашение отдельных ячеек при матричной схеме управления.
С момента приложения управляющих импульсов до момента установления в ячейках ГИП самостоятельного разряда проходит конечное время, называемое временем запаздывания возникновения разряда τзап. Это время состоит из статистического времени запаздывания τст и времени формирования разряда τф. Статистическое время задержки – это время между моментом приложения напряжения и началом протекания тока. Время формирования разряда определяется как время нарастания тока до стационарного значения, соответствующего самостоятельному разряду.
|
Рис. 7.2. Токовой импульс в газоразрядной ячейке |
После снятия управляющего напряжения плазма мгновенно не исчезает – начинается процесс нейтрализации зарядов, определяемый временем деионизации τд. Поэтому в газовом разряде имеет место эффект послесвечения. Форма токового импульса в газоразрядной ячейке приведена на рис. 7.2. |
Среднее статистическое время запаздывания τст зависит от относительного перенапряжения на промежутке . Кроме того, τст зависит от предварительной ионизации, поэтому после первого возникновения разряда время запаздывания обычно резко уменьшается. Время формирования разряда зависит от рода и давления наполняющего газа, межэлектродного расстояния и напряжения на промежутке.
Минимальная длительность управляющих импульсов τmin должна превышать τзап. Максимальная длительность импульсов определяется режимом работы индикаторной панели с матричной выборкой. Можно использовать следующие режимы работы:
- поэлементный, когда в данном интервале времени включена только одна ячейка;
- построчный, когда в данном интервале времени включены индицируемые ячейки одной строки;
- с запоминанием информации, когда ячейки остаются включенными и по прекращению действия управляющих импульсов, а прекращение разряда осуществляется путем подачи гасящих импульсов.Для получения немелькающего изображения в первых двух случаях требуется циклическое обновление информации с частотой, превышающей частоту мельканий (25…50 Гц).
Длительность импульсов сканирования определяется тактовой частотой и числом строк ny при развертке по строкам и числом столбцов nx при развертке по столбцам:
. (5)
(6)
где ny, nx – число строк и столбцов; f – частота кадров.
В режиме с запоминанием частота f может быть ниже частоты мельканий и определяется только необходимой скоростью обновления информации.
Рис.7.3. Схема лабораторной установки
В матричных панелях без встроенных в каждую ячейку резисторов наиболее целесообразно использовать режим построчной адресации. Средняя яркость в таком режиме записи информации в nx раз меньше мгновенной яркости. Поэтому число строк индикаторного поля и, следовательно, информационная емкость панели, ограничены. Наибольшее число строк ГИП постоянного тока без запоминания (с внешней адресацией) не превышает обычно 100…200.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка содержит индикаторную панель, встроенные блоки питания и измерительные приборы. Схема лабораторной установки приведена на рис.7.3. При поэлементном режиме включения панели (переключатель S1) с помощью кнопочного переключателя строк и столбцов обеспечивается выборка 100 ячеек панели, равномерно расположенных по индикаторному полю. Исследование ГИП проводится в двух режимах: режиме постоянного тока и в импульсном режиме. Переключение режимов питания производится переключателями S2 и S3.
В режиме постоянного тока на катоды выбранных ячеек подается отрицательное смещение (0…300 В) от источника питания постоянного тока Б5-50. Напряжение возникновения разряда измеряется с помощью источника питания Б5-50, напряжение поддержания разряда измеряются цифровым вольтметром Uп. Регулировка тока ячеек производится изменением напряжения источника постоянного тока и переключателем «нагрузка», с помощью которого в цепь выбранных ячеек подключаются ограничительные сопротивления от 0.5 до 3.2 мОм. Напряжение прекращения разряда, зависящее от величины ограничительного сопротивления, измеряется с помощью оцифрованного регулятора напряжения питания Б5-50.
В импульсном режиме питания на катоды выбранных ячеек подается импульсное напряжение регулируемой амплитуды (до 250 В) от лампового усилителя импульсов. С помощью генератора импульсов, используемого в качестве задающего генератора, производится измерение длительности, амплитуды и частоты следования импульсов. Источник питания Б5-50 обеспечивает подачу на электроды опорного напряжения. Двухлучевой осциллограф С1-69 позволяет наблюдать напряжение и ток ячеек панели в импульсном режиме питания.
Порядок выполнения работы
Привести схему лабораторной установки в режим питания постоянным током.
1. Измерить напряжение возникновения, напряжение поддержания (при одинаковых токах) и напряжение прекращения разряда в нескольких ячейках,
расположенных в различных концах индикаторной панели.
2. Снять ВАХ нескольких ячеек панели. Определить минимальное Imin и максимальное Imах значение токов.
3. Снять зависимость напряжения прекращения разряда от величины ограничительных сопротивлений для одной из ячеек. Положениям переключателя «нагрузка» 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют сопротивления 0.5 мОм; 0.8 мОм; 1.2 мОм; 1.5 мОм; 3.2 мОм.
4. Привести схему лабораторной установки в режим питания импульсным напряжением. Переключателем «нагрузка» установить минимальное сопротивление нагрузки (положение 1). Включить генератор импульсов и осциллограф.
5. Снять зависимость импульсного напряжения возникновения разряда от длительности импульсов для величины опорного напряжения 0 и 50 В. Импульсное напряжение измерять по осциллографу. Длительность импульсов менять в пределах 10…100 мкс. Рекомендуемая частота следования 1.2…2.2 кГц.
6. Снять зависимость времени запаздывания возникновения разряда от относительного перенапряжения при нулевом опорном напряжении. Сравнить величину статистического времени запаздывания с временем формирования разряда. Амплитуду импульсов менять через 20 В. Длительность импульсов установить в пределах 50…100 мкс. Рекомендуемая частота следования 1.2…2.2 кГц.
7. Снять зависимость времени запаздывания возникновения разряда от величины опорного напряжения для относительного перенапряжения 75%. Опорное напряжение менять от 0 до 120 В. Длительность импульсов установить в пределах 50…100 мкс.
Содержание отчета
1. Цель работы. Схему лабораторной установки.
2. Таблицы измеренных величин и графики полученных зависимостей.
3. Выводы по результатам работы.
42