Газоразрядные приборы и газовые лазеры
Газоразрядные приборы — это приборы, основанные на использовании газового разряда.
К газоразрядным относятся следующие приборы:
с несамостоятельным разрядом — газотроны, тиратроны;
с тлеющим разрядом — газосветные лампы, газоразрядные ячейки газосветных индикаторных панелей, газовые лазеры, газовые стабилизаторы напряжения, декатроны и др.;
с дуговым автоэлектронным разрядом — ртутные выпрямители, игнитроны и др.
Газовый разряд (электрический разряд в газе) — это процесс прохождения электрического тока через газ. В нормальном состоянии газ не является проводником электричества. Однако в достаточно сильном электрическом поле (напряжением 50 кВ/см) в газе может возникнуть электрический разряд, например, в виде искры (искровой разряд) или дуги (дуговой разряд). Если же газ разрежен (до 5 мм рт. ст.), то при довольно низких напряжениях (50…100 В/см) возникает разряд, сопровождающийся умеренным током и свечением газа, так как под действием электрического поля имеющиеся в газе в небольшом количестве свободные электроны проходят больший путь до столкновения с молекулой газа, приобретая при этом большие скорость и кинетическую энергию. Этой энергии оказывается достаточно для того, чтобы вызвать ионизацию газа, вследствие чего будут появляться все новые и новые свободные электроны и положительные ионы, которые, передвигаясь от одного электрода к другому, будут переносить с собой электрические заряды.
Ионизованный газ является хорошим проводником и может пропускать большие токи. Образование ионов, а также соединения ионов и электронов в нейтральные атомы, которые все время происходят в газовом разряде, обычно сопровождаются свечением, характер которого зависит от рода атомов газа. Если напряжение источника питания разряда мало или если последовательно с прибором, в котором происходит газовый разряд, включено достаточно большое ограничивающее сопротивление, разряд будет иметь тлеющий характер, т.е. малую плотность тока.
Находят применение следующие приборы с тлеющим разрядом: газосветные осветительные лампы; газосветные индикаторные устройства и панели на газосветных ячейках; газовые лазеры; газовый стабилизатор напряжения; тиратрон с холодным катодом и др.
Газовый разрядник (газоразрядник) — устройство, предназначенное для замыкания электрической цепи при возникновении тлеющего или дугового газового разряда под действием электрического напряжения. В этот момент промежуток между электродами газоразрядника становится проводящим и в цепи начинает протекать ток. После того как напряжение на газоразряднике падает ниже значения, необходимого для поддержания разряда, ток в нем прекращается и цепь, в которую включен газоразрядник, разрывается.
Газоразрядники применяются главным образом в тех случаях, когда замыкание или размыкание цепи необходимо производить за столь короткое время, за которое механические выключатели не успеют сработать. Например, они устанавливаются для защиты электросетей от больших скачков напряжений при ударе молнии.
Газоразрядник с подогреваемым катодом и сеткой называется тиратроном. Напряжение на сетке меняет только момент включения тиратрона и не влияет на ток, протекающий в нем во включенном состоянии.
Газовый лазер (квантовый оптический генератор) — это прибор для генерации когерентного оптического излучения, использующий излучение тлеющего газового разряда.
В газовом лазере, как и в обычной лампе дневного света, имеется трубка из кварцевого стекла, заполненная определенным составом газа при низком давлении, и два электрода (анод и катод). На обоих торцах трубки находятся зеркала. При подаче на электроды высокого напряжения (5…15 кВ) в трубке возникает тлеющий разряд со свечением характерного для данного состава газа цвета.
Свечение газа означает, что при соударении электронов с атомами возникают возбужденные электроны, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают свет. Некоторые атомы и молекулы газов имеют метастабильные энергетические уровни, на которых электроны задерживаются несколько микросекунд. При этом возникает значительное количество атомов с инверсной заселенностью электронов на метастабильном уровне. При переходе с этого уровня на устойчивый нижний энергетический уровень электроны испускают излучение определенной длины волны, которое, распространяясь в среде с инверсной заселенностью, «сбрасывает» электроны, находящиеся в метастабильном состоянии. Эти электроны, переходя на нижний уровень, добавляют свое излучение пришедшей волне и усиливают ее. Таким образом, газовая среда в разряде усиливает излучение, а установленные на торцах трубки зеркала заставляют это излучение повторно проходить активную (усиливающую) газовую среду, накапливая при этом энергию. Если в одном из зеркал сделать отверстие или сделать это зеркало полупрозрачным, то часть энергии будет излучаться из лазера в пространство.
Для получения лазерного излучения необходимо выполнение следующих условий:
1. В используемой для генерации среде должны быть атомы, имеющие метастабильный энергетический уровень, на котором задерживаются электроны, причем переход электронов с этого уровня должен сопровождаться излучением в требуемом диапазоне (в видимой или инфракрасной области);
2. К области генерации должна подаваться энергия (электрический ток), и должны быть созданы условия перевода электронов на более высокий метастабильный энергетический уровень (“накачка” электронов);
3. Должны иметься зеркальные отражатели, образующие резонатор и обеспечивающие многократное прохождение луча в области генерации и усиления излучения.
Непрерывно излучающие лазеры имеют сравнительно низкую мощность излучения. Большая мощность излучения достигается в импульсе. Для получения импульсного излучения резонатор «включается» только на короткий момент времени. В этом случае в промежутке между импульсами идет накопление электронов на метастабильных уровнях, а в момент «включения» резонатора происходит лавинообразный «сброс» электронов с этих уровней, сопровождающийся быстрым ростом энергии излучения. Благодаря этому удается получить импульсы с мощностью излучения несколько киловатт и длительностью несколько пикосекунд.
Излучение лазера обладает необычными свойствами — оно когерентно, т.е. стабильно по фазе, имеет узкую спектральную полосу, плоский фронт и очень малую расходимость. Излучения лазера обладают также сравнительно большой мощностью или плотностью, позволяющей использовать их в технологических целях.
Наибольшее распространение в измерительной технике и медицине получили гелий-неоновые (HeNe) лазеры с длиной волны излучения 0,633 мкм (красного цвета, мощностью от 1 до 5 мВт). Используются также аргоновые (Ar) лазеры с длиной волны излучения 0,513 мкм (зеленого цвета, мощностью от 1 мВт до 5 Вт) и CO2-лазеры с длиной волны излучения 10,6 мкм (инфракрасного диапазона, мощностью от 10 Вт до 5 кВт). Благодаря большой мощности излучения СО2-лазер применяется для резки и сварки стальных листов, резки стеклянных строительных блоков и керамики, плавления тугоплавких и оптических стекол.
Благодаря своим особенностям лазеры находят широкое применение в научных исследованиях, приборостроении, различных технологических процессах, медицине, военной технике. Создание лазеров и когерентных оптических систем привело к появлению нового направления электронной техники — квантовой электроники.
Полупроводниковые диоды