Исследование приборов тлеющего разряда
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки. Установить движки реостатов и выключатели сопротивлений в положения, соответствующие минимальным значениям токов и напряжений на схеме. Включить питание схемы.
2. Измерить напряжение возникновения разряда лампы тлеющего разряда с плоским катодом Л. Снять вольтамперную характеристику 
, одновременно замеряя площадь катода, занятую разрядом. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток полного покрытия катода.
3. Измерить напряжение возникновения разряда линейного индикатора напряжения тлеющего разряда ИН-9. Снять вольтамперную характеристику , одновременно замеряя длину светящегося столба. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток, соответствующий максимальной длине столба.
4. Снять ВАХ нескольких стабилитронов (по указанию преподавателя).
5. По указанию преподавателя для двух режимов стабилизации выбрать стабилитрон, рассчитав балластное сопротивление и выставить на схеме полученное Rб и I. Проверить экспериментально расчетную рабочую точку.
6. Снять нагрузочные характеристики 
и стабилизационные характеристики 
для указанных режимов стабилизации.
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
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
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 порядкови, кроме того, меняет направление своего движения.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы. Схема лабораторной установки.
2. Таблицы экспериментальных данных.
3. Построенные зависимости 
и 
.
4. Рассчитанные параметры плазмы: потенциал плазмы в месте нахождения зондов, температуру электронного газа, концентрацию заряженных частиц, направленную скорость движения, продольную напряженность поля в положительном столбе.
5. Выводы по результатам исследований.
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
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.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРОВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
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
1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки. Установить движки реостатов и выключатели сопротивлений в положения, соответствующие минимальным значениям токов и напряжений на схеме. Включить питание схемы.
2. Измерить напряжение возникновения разряда лампы тлеющего разряда с плоским катодом Л. Снять вольтамперную характеристику , одновременно замеряя площадь катода, занятую разрядом. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток полного покрытия катода.
3. Измерить напряжение возникновения разряда линейного индикатора напряжения тлеющего разряда ИН-9. Снять вольтамперную характеристику , одновременно замеряя длину светящегося столба. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток, соответствующий максимальной длине столба.
4. Снять ВАХ нескольких стабилитронов (по указанию преподавателя).
5. По указанию преподавателя для двух режимов стабилизации выбрать стабилитрон, рассчитав балластное сопротивление и выставить на схеме полученное Rб и I. Проверить экспериментально расчетную рабочую точку.
6. Снять нагрузочные характеристики и стабилизационные характеристики для указанных режимов стабилизации.
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