5.2.2. Газоразрядные индикаторы

Действие приборов этого типа обусловлено возникновением свечения при электрическом разряде в газовой среде. Обычно используют режим тлеющего разряда (с холодным катодом).

Стеклянный баллон индикатора заполнен инертным газом (давление—порядка 100 гПа); пока энергия электронов, вылетающих из катода, мала, в индикаторе происходят упругие столкновения этих электронов с атомами газа. Однако с повышением анодного напряжения U энергия электронов постепенно увеличивается и, наконец, достигает значений, необходимых для ионизации атомов газа. Столкновения электронов с атомами становятся неупругими; в результате столкновений образуются добавочные электроны (которые, так же как и первичные, устремляются к аноду) и положительно заряженные ионы, движущиеся к катоду и выбивающие из него электроны вторичной эмиссии. Ток через лампу при этом возрастает, однако, поскольку подвижность положительных ионов значительно меньше подвижности электронов, вокруг катода создается область положительного пространственного заряда. При этом даже уменьшение напряжения по-прежнему сопровождается ростом тока, поскольку одновременно вследствие возрастания пространственного заряда ионов у катода увеличивается прикатодное поле. В результате на вольт-амперной характеристике появляется участок, соответствующий отрицательному сопротивлению.

Газоразрядные приборы обладают значительной инерционностью. Это связано с тем, что время запаздывания импульса тока в разрядном промежутке относительно импульса управляющего напряжения определяется как статистическими закономерностями вылета электронов из холодного катода, так и временем формирования электронной лавины. В то же время после прекращения действия анодного напряжения электроны и ионы рекомбинируют не мгновенно, что обусловливает существование некоторого времени запаздывания. В результате быстродействие подобных индикаторов, как правило, не превышает 1·10–3 с.

Основной газовой смесью, используемой в газоразрядных индикаторах, является смесь гелия с неоном (к ним иногда в малых количествах добавляют и другие инертные газы). Видимое излучение электрического разряда в этой смеси принадлежит оранжево-красной области спектра (добавление аргона приводит к сдвигу спектра в более коротковолновую область). Световая отдача индикаторов этого типа составляет 0,2—0,3 лм/Вт; в красной области спектра, где 1 Вт соответствует примерно 100 лм, энергетический выход оказывается равен 0,2—0,3%. В то же время яркость индикаторов может достигать 10000 кд/м2.

Для повышения светоотдачи и обеспечения многоцветное™ в газоразрядных индикаторах часто использут фотолюминофоры, преобразующие ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимое. Аналогичный механизм формирования светового потока используется в лампах дневного света, световая отдача которых может достигать в итоге 100 лм/Вт. Световая отдача газоразрядных индикаторных приборов, использующих свечение фотолюминофоров, заметно ниже (0,5—1 лм/Вт), при этом энергетический выход не превышает 1%.

Среди существующих газоразрядных индикаторов можно выделить приборы трех типов: знаковые индикаторы, индикаторные тиратроны и газоразрядные индикаторные панели (ГИП). В свою очередь, ГИП делятся на три подгруппы: ГИП постоянного тока с внешней адресацией, ГИП постоянного тока с самосканированием и ГИП переменного тока.

В знаковых индикаторах используется слабое свечение тлеющего разряда вблизи катода (свечение покрывает весь катод, который имеет форму отображаемого символа). Система независимых катодов (рис. 5.4) позволяет получать различные изображения. Возникающее при этом излучение выходит через сетчатый анод.

В отличие от знаковых индикаторов индикаторные тиратроны имеют несколько управляющих электродов — сеток и анодов, что позволяет более эффективно управлять электрическим разрядом. В приборах этого типа ультрафиолетовое излучение газа преобразуется в видимое при помощи фотолюминофора. В одном стеклянном баллоне индикатора могут размещаться несколько ячеек, свечение люминофора в каждой из которых имеет свой цвет.

Схема конструкции ГИП постоянного тока приведена на рис. 5.5. Подобная панель по существу является совокупностью большого числа двухэлектродных газоразрядных ячеек; свечение возникает лишь в ячейках, находящихся на пересечении тех полосок электродов, на которые подано напряжение. Для повышения стабильности работы панели между верхними и нижними электродами располагается диэлектрическая пластина с отверстиями, оси которых совпадают с перекрестиями электродов; разряд происходит в пространстве, ограниченном этими отверстиями. В газоразрядных панелях может использоваться как свечение самого разряда, так и излучение слоя люминофора.

Подпись: Рис. 5.4. Устройство знакомодели-рующего газораз¬рядного индикатора: 1—прозрачная часть ано¬да; 2 — ка-тоды, 3— сплошная  часть  анода

Подпись: Рис. 5.5. Конструкция   газоразрядной индикаторной панели посто¬янного тока с внешней адре¬сацией:
1—стеклянные пластины; 2—диэлек¬тричес¬кая матрица; 3—про¬зрачные  электроды

Особенностью ГИП постоянного тока с самосканированием является наличие внутренней развертки. Вдоль каждой строки такой панели периодически пробегает разряд, проводящий предварительную ионизацию газового промежутка ячеек; свечение самого разряда незаметно оператору. Если теперь на какую-либо из ячеек подается и управляющее напряжение, то возникает разряд. К достоинствам панели этого типа относятся большая однородность и стабильность возникающего разряда, относительная простота системы управления.

В отличие от панелей рассмотренных типов, электроды ГИП переменного тока покрывают тонким слоем диэлектрика, в связи с чем через панель может протекать лишь переменный ток. На поверхности диэлектрика, осуществляющего емкостную связь между электродами и газом, способен накапливаться заряд; напряженность возникающего за счет этого электрического поля может быть как параллельна, так и антипараллельна напряженности электрического поля, прикладываемого к соответствующему элементу ячейки. Если возбуждающее напряжение U складывается с разностью потенциалов Uн, создаваемой накопившимся зарядом, в ячейке возникает электрический разряд, который в итоге приведет к локальной перезарядке диэлектриков. Общее напряжение уменьшится при этом до значения UUн (при соответствующем выборе U таком, чтобы U<UT<U+Uн где UT—напряжение зажигания тлеющего разряда) и разряд погаснет. После перемены полярности напряжения U процесс повторится, в результате ячейка будет периодически испускать импульсы света. В то же время те ячейки, которым не было предварительно сообщено напряжение Uн, не будут зажигаться вовсе. Таким образом, рассматриваемая ГИП обладает свойством запоминать информацию, что оказывается важным при конструировании матричных экранов. В заключение добавим, что газоразрядные индикаторы обладают значительным (порядка 10 000 ч) сроком службы, который может быть еще повышен, например, введением в состав газовой смеси паров ртути. В последнем случае, однако, несколько сужается температурный диапазон работы приборов, составляющий обычно (без добавок Hg) от —60 до +70° С.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.