В книге рассмотрены физические процессы и принципы конструирования газоразрядных приборов с холодным катодом. Первая часть книги посвящена элементарным процессам в газе, явлениям на электродах, механизму ^зажигания, процессам в таунсендовском и тлеющем разрядах. Во второй части разбираются принципы работы и вопросы конструирования газоразрядных приборов с холодным катодом: стабилитронов, тиратронов тлеющего разряда, декатронов и счетчиков частиц. Приведены основные характеристики и схемы включения этих приборов.
Книга представляет интерес для специалистов, работающих в области физики газового разряда, конструирования и применения газоразрядных приборов, а также может быть использована в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов, специализирующихся в области электровакуумных приборов.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Газоразрядные приборы с холодным катодом получили широкое распространение в современной радиоэлектронике, особенно в связи с развитием дискретной техники. Такие особенности, как холодный (ненакаливаемый) катод, малая потребляемая мощность, большая долговечность, наличие визуальной индикации, позволяют этим приборам успешно конкурировать в ряде областей электроники с полупроводниковыми приборами.
Отечественные книги, посвященные газоразрядным приборам с холодным катодом, в основном рассматривают характеристики этих приборов и вопросы схемных решений. В отличие от них предлагаемая читателю книга Актона и Свифта «Газоразрядные приборы с холодным катодом» описывает физические процессы и вопросы конструирования приборов. Книга состоит из двух частей: в первой даются сведения по физике газового разряда, причем особое внимание уделяется тем вопросам, которые имеют существенное значение для приборов с холодным катодом; во второй части рассматриваются практические вопросы расчета и конструирования приборов, а также связь характеристик приборов со схемами включения. Наиболее подробно в книге описаны приборы тлеющего разряда: стабилитроны, тиратроны и декатроны.
Последняя глава книги, посвященная счетчикам излучения, носит описательный характер и может служить только для общего знакомства °с вопросом.
5
Первая часть книги содержит подробный список зарубежной литературы по физике газового разряда, доведенный до 1961—1962 гг. Вторая часть книги ссылок на литературу не имеет. Для пополнения библиографии трудами советских специалистов и другими наиболее интересными работами, посвященными приборам с холодным катодом, в конце книги приведена дополнительная литература по основным разделам.
Книга будет полезна для специалистов, работающих в области физики газового разряда, конструирования и применения газоразрядных приборов, а также для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.
Канд. техн. наук Ф. Яблонский
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию.............. 5
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ
Введение.......................... 15
Глава первая. Основные процессы соударений. ... 16
-1. Поперечные сечения соударений.......... . 16
-2. Упругие соударения................. 17
-3. Упругие соударения электронов с атомами...... 18
-4. Упругие соударения положительных ионов с атомами 21
-5. Неупругие соударения электронов с атомами..... 23
Литература к гл. 1..................• . . 24
Глава вторая. Движение медленных электронов в газах ...........................
2-1. Расчет функции распределения электронов по энергиям
гиям......................... 24
-1. Введение................... 24
-2. Расчет коэффициента а............. 26
-3. Расчет коэффициента Ъ.........: . . 27
-4. Вычисление коэффициента g........... 28
---т-г--^---'" а........
-5. Определение F, и F, из условий равновесия
29
____ „ У „ , , „^ j*.mjL>utl раопивеСИН • . • /У
1-6. Определение функции распределения по энергиям 33 1-7. Уточнение функции распределения, учитывающее
неупругие соударения.............. 35
2-1-8. Расчет скорости дрейфа электронов....... 38
2-1-9. Расчет средней энергии электронов....... 40
2-1-10. Некоторыз другие уравнения, содержащие w,
и 7....................... 41
2-2. Диффузия электронов в электрическом поле..... 42
2-2-1. Коэффициент диффузии электронов....... 42
2-2-2. Уравнение непрерывности............ 46
2-2-3. Измерение we\D по диффузии облака электронов 47
2-2-4. Измерение we.............- - - 4Q
49
2-3. Диффузия электронного облака............ 51
2-3-1. Средняя энергия электронов............ 51
2-3-2. Скорость дрейфа электронов.......... 53
2-3-3. Средняя доля потерь энергии при соударениях f 54 2-3-4. Средняя длина свободного пробега электронов . . 55 2-4. Микроволновые методы исследования медленных электронов ........................ 55
2-4-1. Комплексная проводимость свободных электронов ...................... . 56
2-4-2. Высокочастотный пробой............. 57
2-4-3. Измерения ог/о;................. 59
2-4-4. Взаимодействие с полем............. 60
Литература к гл. 2..................... 61
Глава третья. Подвижность и диффузия положительных ионов в газах.................. 62
3-1. Подвижность ионов в газах с высоким потенциалом
ионизации...................... 62
3-1-1. Введение.................... 62
3-1-2. Элементарная теория подвижности........ 62
3-1-3. Видоизменения элементарной теории подвижности 65
3-1-4. Силы притяжения между ионами и молекулами . . 65
3-1-5. Элементарная теория подвижности малых ионов 66
3-1-6. Обобщенная теория подвижности малых ионов . , 68
3-1-7. Перезарядка.................. 70
3-1-8. Экспериментальные данные............ 71
3-2. Диффузия положительных ионов в газах....... 73
3-2-1. Связь коэффициента диффузии с подвижностью 73
3-2-2. Амбиполярная диффузия............. 74
3-3. Измерение подвижности ионов............ 76
3-3-1. Метод затворов ................ . 76
3-3-2. Определение kt в распадающейся плазме..... 78
3-3-3. Комплексная проводимость электронов в газах . . 81 3-3-4. Методика и результаты исследований распадающейся плазмы............•..... 82
3-3-5. Измерение ki по времени пролета ........ 85
3-4. Подвижность ионов в собственном газе........ 87
3-4-1. Видоизмененная теория Ланжевена........ 87
3-4-2. Экспериментальные данные............ 89
3-4-3. Скорость дрейфа ионов в собственном газе при
больших Ejpt.................. 90
3-5. Подвижность ионов в газовых смесях......... 92
3-5-1. Закон Бланка.................. 92
3-5-2. Отклонения от закона Бланка.......... 94
Литература к гл. 3...........•......... 95
Глава четвертая. Рекомбинация электронов и ионов
----.-..„ _„„„„„ ..... 96
и исследование распадающейся плазмы
4-1. Определение коэффициента реко 4-2. Возможные типы рекомбинации
4-1. Определение коэффициента рекомбинации ....... 96
--"........- ...... 97
4-3. Экспериментальное исследование электронно-ионной рекомбинации ...................... 99
43-1. Послесвечение в гелии.............. 100
4-3-2. Послесвечение в неоне. ............. 107
4-3-3. Особенности измерения послесвечения в тяжелых
одноатомных газах................ 107
4-3-4. Измерения в тяжелых инертных газах...... 109
4-3-5. Послесвечение в парах ртути.......... 110
4-3-6. Послесвечение в кислороде........... 110
4-3-7. Послесвечение в водороде............ 111
4-3-8. Послесвечение в азоте...........'. . . 113
4-3-9. Послесвечение в парах воды. . . • •...... 113
Литература к гл. 4.....................114
Глава пятая. Ионизация газа при соударениях
с электронами..................... 114
5-1. Размнэжгние электронов в однородных полях .... 114 5-2. Обратная диффузия электронов, эмиттируемых катодом .........................117
5-3. Расчет и экспериментальное определение коэффициента
ионазацчи электронами к);...............118
5-3-1. Расчет гц по балансу энергии......... . 120
5-3-2. Особенности экспериментального определения ^ 123 5-3-3. Экспериментальные данные о зависимости vjj =
= f (?//>„).................... 125
5-3-4. Сравнение теоретических И экспериментальных
значений vj;................... 127
5-4. Коэффициент ионизации •»], в смесях газов...... 128
5-5. Роль чистоты газа при измерениях vji........ . 132
Литература к гл. 5..................... 133
Глава шестая. Образование отрицательных ионов 134
6-1. Механизм прилипания................. 134
6-2. Вероятность и эффективное сечение прилипания .... 135 6-2-1. Электронный фильтр для измерения вероятности
прилипания................... 136
6-2-2. Обсуждение результатов измерений в кислороде 138 6-2-3. Микроволновый метод измерения вероятности прилипания .................. ... 139
6-3. Одновременное измергние коэффициентов ионизации и
прилипания......................139
Литература к гл. 6.....................142
Глава седьмая. Процессы вторичной ионизации . . . 142
7-1. Измерения в постоянном поле............ 142
7-1-1. Введение.................... 142
7-1-2. Классификация вторичных процессов....... 143
7-1-3. Вторичные процессы в газе........... 143
9
7-1-4. Зависимость I от Ua для случая катодного механизма вторачных явлений............. 144
7-1-5. Зависимость трех составляющих f от ?//>„ . . . 146
7-1-6. Измерения у в постоянном однородном поле . • 148
7-1-7. Точность измерения у.............. 150
7-1-8. Экспериментальные данные о зависимости Y °т
Ejp,, в постоянном однородном поле....... 151
7-2. Исследование вторичных явлений на катоде методом
измерения запаздывания зажигания разряда..... 155
7-2-1. Введение..................... 155
7-2-2. Теория определения у в миллисекундном диапазоне . . •.................... 156
7-2-3. Методика эксперимента . . ........... 160
7-2-4. Скорость разрушения и коэффициент диффузии
метастабилей.................. 161
7-2-5. Определение Yr/Ym............... 162
7-2-6. Теория определения f в микросекундном диапазоне ....................... 164
Литература к гл. 7..................... 169
Глава восьмая. Возникновение разряда....... 169
8-1. Напряжение зажиганая в однородном поле....... 169
8-1-1. Условие зажигания ............... 169
8-1-2. Закон Пашена.................. 171
8-1-3. Зависимость Us от Е/р,............. 172
8-1-4. Зависимость Us от paxas............ 173
8-1-5. Влияние материала катода на Us......... 173
8-1-6. Зажигание разряда в электроотрицательных газах 175 8-1-7. Влияние облучения газа на напряжение зажигания ....................... 176
8-2. Запаздывание зажигания разряда........... 178
8-2-1. Классификация различных видов запаздывания . . 178
8-2-2. Теория статистического времени запаздывания . . 179
8-2-3. Измерение статистического времени запаздывания 184
8-2-4. Теория времени формирования.......... 186
8-2-5. Измерение времени формирования........ 192
8-3. Пробой в неоднородном поле............. 194
8-3-1. Условие пробоя................. 194
8-3-2. Размножение электронов в неоднородном поле . . 196 8-3-3. Размножение электронов в поле коаксиальных цилиндров ..................... 198
8-3-4. Законы подобия при зажигании разряда между
коаксиальными цилиндрами........... 200
8-3-5. Процессы вторичной ионизации.......... 201
8-3-6. Применимость законов подобия......... 203
8-3-7. Влияние примесей............... 204
8-3-8. Электрод в виде тонкой проволоки ....... 206
8-3-9. Выводы.....................206
Литература к гл. 8..................• • • 206
10
Глава девятая. Самостоятельный разряд при малом
токе..........................207
9-1 Разряд между большими плоско-параллельными электродами ....................... 207
9-1-1. Вольт-амперная характеристика......... 207
9-1-2. Влияние пространственного заряда........ 208
9-1-3. Роль процессов ионизацзи, зависящих от г2 . . . 210
9-1-4. Снижение U, при большом г„.......... 212
9-1-5. Строгий расчет с учетом пространственного заряда...................... 214
9-2. Разряд между коаксиальными цилиндрическими электродами ...................... 215
9-2-1. Проволока—положительный электрод...... 215
9-2-2. Проволока—отрицательный электрод....... 220
Литература к гл. 9........."...........221
Глава десятая. Тлеющий разряд...........221
10-1. Общие свойства тлеющего разряда . . . . ,.....221
10-1-1. Введение....................221
10-1-2. Общая теория тлеющего разряда-.......223
10-1-3. Ошибки упрощенной теории . . . •.......225
10-1-4. Основные области тлеющего разряда......225
10-2. Катодная область тлеющего разряда.........226
10-2-1. Типы катодного падения............227
10-2-2. Оптические эффекты..............227
10-2-3. Теория катодного падения............228
10-2-4. Теория катодного падения для случая, когда преобладает электронная эмиссия из катода под
действием ионной бомбардировки ........ 234
10-2-5. Экспериментальные значения параметров разряда
с нормальным катодным падением потенциала . . 236 10-2-6. Катодное падение для случая, когда преобладает
фотонный механизм вторичной эмиссии . . . . • 239 10-2-7. Методы определения параметров катодного падения ......................240
10-2-8. Катодное тлеющее свечение и фарадеево темное
пространство .................. 242
10-2-9. Разряд с полым катодом............244
10-3. Положительный столб и анодная область тлеющего
разряда.....................245
10-3-1. Теория положительного столба.........245
10-3-2. Недостатки простой теории положительного
столба и сравнение теории с экспериментом . . . 250
10-3-3. Анодная область................251
10-4. Исследование плазмы тлеющего разряда с помощью
зондов.......................253
10-4-1. Введение....................253
10-4-2. Большие потенциалы зонда и отталкивание электронов .....................253
10-4-3. Малые потенциалы зонда и отталкивание электронов ..................... 257
10-4-4. Зонд, собирающий электроны.......... 260
Литература к гл. 10..................... 261
ЧАСТЬ и КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ
Г л а в а од н и II а д ца т а я. Вопросы, излагаемые во второй части, и расположение материала в ней . . . . 263
11-1. Задачи.......................263
11-2. Содержание второй части..............264
11-3. Расположение материала............... 265
Г л а ва две на дца т а я. Тлеющий разряде приборах
с холодным катодом..................266
12-1. Соударения между электронами и газовыми молекулами 266
12-1-1. Упругие соударения...............267
12-1-2. Неупругие соударения, приводящие к образованию
метастабилей .................. 268
12-1-3. Неупругие соударения, сопровождаемые излучением ......................269
12-1-4. Ионизация....................269
12-1-5. Прилипание электронов.............269
12-2. Условия горения разряда..............270 '
12-3. Зажигание.....................275
12-4. Возникновение пространственного заряда.....279
12-5. Плотность тока в тлеющем разряде........285
12-6. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда . . 288
12-7. Метастабильные атомы и коэффициент тг)......292
12-8. Тлеющий разряд в чистых инертных газах.....296
12-9. Принцип взаимодействия ..............298
12-10. Некоторые применения принципа взаимодействия . . 299
12-11. Пеннинговские смеси................301
12-12. Гасящие смеси, состоящие из инертных газов. . . . 304 12-13. Использование водорода в качестве гасящей примеси 305
Г л а ва т рина дцата я. Расчет параметров тлеющего
разряда........................ 306
13-1. Учет начальных энергий электронов......... 307
13-2. Расчет величин 1\т и % в чистых инертных газах . . 309
13-3. Расчет коэффициента if............... 312
13-4. Коэффициенты •/!„, и i\g для смесей газов...... 313
13-5. Сводные данные по величинам Y|m, i\g, Ui, U*, Ue и f 319
13-6. Значения /. Zg и. Zm................ 320
13-7. Зависимость Ua от рха............... 322
13-8. Инженерный расчет................. 323
13-8-1. Расчет напряжения горения........... 323
13-8-2. Расчет минимального напряжения зажигания . . 324
13-8-3. Расчет напряжения зажигания в общем случае 325
13-8-4. Расчет нормальной плотности тока.......326
Глава четырнадцатая. Стабилитроны тлеющего
разряда........................327
14-1. Статическая вольт-амперная характеристика..... 329
14-2. Стабилизация напряжения на. нагрузке, включенной
параллельно стабилитрону.............. 332
14-3. Стабилитроны с поджигающим электродом...... 336
14-4. Опорные стабилитроны .... ......... 337
14-5. Сравнение различных схем стабилизации....... 340
14-6. Дополнительные замечания............. 342
Глава пятнадцатая. Конструирование стабилитронов 344
15-1. Относительное напряжение зажигания........344
15-2. Изменение напряжения стабилизации (динамическое
сопротивление).................... 346
15-3. Максимальный ток................. 354
15-4. Сопротивление на переменном токе......... 356
15-5. Шумы........................ 358
15-6. Напряжение горения: выбор рода газа и поверхности
катода ....................... 364
15-7. Поверхность катода................. 367
15-8. Конструкции некоторых серийных стабилитронов . . . 374
Глава шестнадцатая. Тиратроны тлеющего разряда 377
16-1. Определения.................... 379
16-2. Принципиальная схема включения.......... 381
16-3. Входная цепь и ток зажигания........... 382
16-4. Входная цепь и время запаздывания......... 386
16-5. Гашение разряда..............• . . . 39i
16-6. Анализ схем методом фазовых траекторий...... 392
16-7. Самогасящаяся схема................ 39б
16-8. Классификация тиратронов т-леющего разряда .... 39д
Глава семнадцатая. Конструирование тиратронов
тлеющего разряда...................402
17-1. Напряжение зажигания ............... 403
17-2. Напряжение горения и рабочий ток......... 404
17-3. Ионизация в присутствии „слабого" пространственного заряда...................... 405
17-4. Зажигание разряда в основном промежутке..... 407
17-5. Время формирования................. 411
17-6. Статистическое запаздывание и внешнее освещение . . 414
17-7. Деионизация .................... 416
17-8. Примеры конструкций тиратронов тлеющего разряда 418
Глава восемнадцатая. Декатроны..........421
18-1. Двухимпульсный декатрон............. 422
18-2. Статические характеристики............ 426
18-3. Нарушения нормальной работы (сбои), связанные
с переносом разряда в обратном направлении .... 429
18-4. Дискриминационные сбои.............. 433
18-5. Правила достаточности............... 434
13
18-6. Неидеальность свойств декатрона.......... 438
18-7. Схемы включения декатронов............ 443
18-8. Конструкция декатрона............... 447
18-9. Одноимпульсные декатроны............ 452
18-10. Другие типы декатронов.............. 459
Г л а в а де в я т на д ц а т а я. Счетчики частиц....... 461
19-1. Ионизация внешним облучением и таунсендовский разряд ........................ 461
19-2. Основные процессы в счетчиках Гейгера...... 466
19-3. Счетчики Гейгера.................. 473
Литература к части II.................... 479
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ОБЩАЯ ТЕОРИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Цель первой части этой книги — дать достаточно подробный обзор явлений электрической проводимости в газах. Наиболее серьезное внимание обращено на процессы, которые происходят в газоразрядных приборах с холодным катодом. В эту часть вошли также и некоторые вопросы, не имеющие прямого отношения к основной теме книги, но необходимые для цельности изложения материала.
В вводной главе кратко обсуждаются основные процессы соударений в газах. Подробное изложение этого материала выходит за рамки настоящей книги; читателю, который интересуется этими вопросами, можно предложить монографию Г. Месси и Е. Бархопа «Электронные и ионные столкновения» {Л. 1]. Во 2 гл. рассматривается движение медленных электронов в газах. Эта глава в основном посвящена расчету функций распределения электронов по энергиям; кроме того, в ней приведен краткий обзор последних работ по исследованию медленных электронов с помощью микроволновой техники.
В двух следующих главах приведены сведения о коэффициентах подвижности и диффузии положительных ионов и об электронно-ионной рекомбинации, а также описаны работы по исследованию послесвечения разряда. Явления ионизации газов электронным ударом описаны в гл. 5; в гл. 6 кратко рассматривается прилипание электронов и образование отрицательных ионов. Глава 7 посвящена вторичным процессам ионизации, обусловливающим зажигание разряда. Процесс возникновения разряда обсуждается в гл. 8. В этих главах основное внимание обращено на явление пробоя при низких давлениях газа (меньше 500 мм рт. ст.); небольшая
15
Цена: 300руб.
