Gasfylld tub - Gas-filled tube

En kompakt lysrör är en hushållsapplikation av ett gasfylld rör

Ett gasfylld rör , även allmänt känt som ett urladdningsrör eller tidigare som ett Plücker- rör , är ett arrangemang av elektroder i en gas i ett isolerande , temperaturbeständigt hölje . Gasfyllda rör utnyttjar fenomen relaterade till elektrisk urladdning i gaser och fungerar genom jonisering av gasen med en applicerad spänning som är tillräcklig för att orsaka elektrisk ledning av de underliggande fenomenen i Townsend-urladdningen . En gasurladdningslampa är ett elektriskt ljus som använder ett gasfylld rör; dessa inkluderar lysrör , metallhalogenlampor , natriumånglampor och neonljus . Specialiserade gasfyllda rör som krytroner , tyratroner och ignitroner används som växlingsanordningar i elektriska apparater.

Spänningen som krävs för att initiera och upprätthålla urladdning beror på trycket och sammansättningen av påfyllningsgasen och rörets geometri. Även om kuvertet vanligtvis är glas använder kraftrör ofta keramik och militära rör använder ofta glasfodrad metall. Både varmkatod och kallkatodtyp påträffas.

Gaser i bruk

Väte

Väte används i rör som används för mycket snabb omkoppling, t.ex. vissa tyratroner , dekatroner och krytroner , där mycket branta kanter krävs. Väteens uppbyggnad och återvinning är mycket kortare än i andra gaser. Väte-tyratroner är vanligtvis varmkatod. Väte (och deuterium) kan lagras i röret i form av en metallhydrid , upphettad med hjälpfilament; väte genom att värma ett sådant lagringselement kan användas för att fylla på rengjord gas och till och med för att justera trycket efter behov för en tyratronoperation vid en given spänning.

Deuterium

Deuterium används i ultravioletta lampor för ultraviolett spektroskopi , i neutrongeneratorrör och i speciella rör (t.ex. crossatron ). Den har högre nedbrytningsspänning än väte. I snabbväxlande rör används det istället för väte där högspänningsdrift krävs. För en jämförelse har den vätefyllda CX1140-tyratronen anodspänning på 25 kV, medan den deuteriumfyllda och annars identiska CX1159 har 33 kV. Vid samma spänning kan deuteriumtrycket vara högre än för väte, vilket möjliggör högre stigningshastigheter för stigande ström innan det orsakar överdriven anodförlust. Betydligt högre toppkrafter kan uppnås. Dess återhämtningstid är dock cirka 40% långsammare än för väte.

ädelgaser

Ädelgas urladdningsrör; från vänster till höger: helium , neon , argon , krypton , xenon

Ädelgaser används ofta i rör för många ändamål, från belysning till omkoppling. Rena ädelgaser används i kopplingsrör. Ädelgasfyllda tyratroner har bättre elektriska parametrar än kvicksilverbaserade. Elektroderna genomgår skador av joner med hög hastighet. De neutrala atomerna i gasen saktar ner jonerna genom kollisioner och minskar energin som överförs till elektroderna genom jonstöt. Gaser med hög molekylvikt, t.ex. xenon, skyddar elektroderna bättre än lättare, t.ex. neon.

  • Helium används i helium-neonlasrar och i vissa tyratroner klassade för höga strömmar och höga spänningar. Helium ger ungefär lika kort avjoniseringstid som väte, men tål lägre spänning, så det används mycket mindre ofta.
  • Neon har låg tändspänning och används ofta i lågspänningsrör. Urladdning i neon avger relativt starkt rött ljus; neonfyllda kopplingsrör fungerar därför också som indikatorer och lyser rött när de slås på. Detta utnyttjas i dekatronrören , som fungerar som både räknare och skärmar. Dess röda ljus utnyttjas i neonskyltar . Används i lysrör med hög effekt och kort längd, t.ex. industriella belysningsrör. Har högre spänningsfall jämfört med argon och krypton. Dess låga atommassa ger bara lite skydd för elektroderna mot accelererade joner; ytterligare siltrådar eller plattor kan användas för att förlänga livslängden för anoden. I lysrör används den i kombination med kvicksilver.
  • Argon var den första gasen som användes i lysrör och används fortfarande ofta på grund av dess låga kostnad, höga effektivitet och mycket låga slående spänning. I lysrör används den i kombination med kvicksilver. Det användes också i tidiga likriktarrör ; första tyratroner härstammar från sådana argonfyllda rör.
  • Krypton kan användas i lysrör istället för argon; i den applikationen minskar den totala energiförlusterna på elektroderna från cirka 15% till 7%. Spänningsfallet per lamplängd är dock lägre än med argon, vilket kan kompenseras med mindre rördiameter. Kryptonfyllda lampor kräver också högre startspänning; detta kan lindras med t.ex. 25% -75% argon-krypton-blandning. I lysrör används den i kombination med kvicksilver.
  • Xenon i rent tillstånd har hög genombrottsspänning, vilket gör det användbart i växelslangar med högre spänning. Xenon används också som en komponent i gasblandningar när produktion av ultraviolett strålning krävs, t.ex. i plasmaskärmar , vanligtvis för att excitera en fosfor . Den våglängd som produceras är längre än med argon och krypton och tränger igenom fosforerna bättre. För att sänka joniseringsspänningen används neon-xenon eller helium-xenon; över 350  Torr (47  kPa ) har helium lägre nedbrytningsspänning än neon och vice versa. Vid koncentrationer på 1% och mindre av xenon blir Penning-effekten signifikant i sådana blandningar, eftersom det mesta av xenonjonisering sker genom kollision med exciterade atomer av den andra ädelgasen; vid mer än få procent xenon joniserar urladdningen xenon direkt på grund av att de flesta energierna i elektronerna spenderas på direkt jonisering av xenon.
  • Radon , trots att den är en ädelgas, är farligt radioaktiv och dess mest stabila isotop har en halveringstid på mindre än fyra dagar. Följaktligen används det inte vanligtvis i elektroniska enheter.
  • Penningsblandningar används där lägre joniseringsspänning krävs, t.ex. i neonlamporna , Geiger – Müller-rören och andra gasfyllda partikeldetektorer . En klassisk kombination är cirka 98–99,5% av neon med 0,5–2% av argon, som används i t.ex. neonlökar och i monokroma plasmaskärmar .

Elementära ångor (metaller och icke-metaller)

  • Kvicksilverångor används för applikationer med hög ström, t.ex. lampor, kvicksilverbågsventiler , antändningselement . Kvicksilver används på grund av sitt höga ångtryck och låga joniseringspotential. Kvicksilver blandat med en inert gas används där energiförlusterna i röret måste vara låga och rörets livslängd ska vara lång. I blandningar av kvicksilverinert gas transporteras urladdningen initialt främst av den inerta gasen; den frisatta värmen tjänar sedan till att avdunsta tillräckligt med kvicksilver för att nå önskat ångtryck. Likriktare med låg spänning (hundratals volt) använder mättad kvicksilverånga i kombination med en liten mängd inert gas, vilket möjliggör kallstart av rören. Högspänningslikriktare (kilovolt och mer) använder ren kvicksilverånga vid lågt tryck, vilket kräver att rörets maximala temperatur underhålls. Det flytande kvicksilveret fungerar som en kvicksilverbehållare och fyller på ångorna som förbrukas under utsläppet. Omättad kvicksilverånga kan användas, men eftersom den inte kan fyllas på är livslängden för sådana rör mindre. Ångtryckets starka beroende av kvicksilvertemperatur begränsar de miljöer som kvicksilverbaserade rör kan arbeta i. I kvicksilverlampor med lågt tryck finns det ett optimalt kvicksilvertryck för högsta effektivitet. Fotoner som sänds ut av joniserade kvicksilveratomer kan absorberas av närliggande icke-joniserade atomer och antingen raderas eller så att atomen avstrålas utan strålning, för högt kvicksilvertryck orsakar därför förlust av ljus. För lågt kvicksilvertryck leder till för få atomer närvarande för att få joniserade och utstråla fotoner. Den optimala temperaturen för lågtryckskvicksilverlampor är vid cirka 42 ° C, när det mättade ångtrycket av kvicksilver (närvarande som en droppe på cirka 1 mg flytande kvicksilver i röret, som en behållare som kompenserar för förluster genom sanering) når detta optimala. I lampor avsedda för drift vid högre omgivningstemperaturer och vid ett bredare temperaturområde finns kvicksilver i form av en amalgam med t.ex. vismut och indium ; ångtrycket över amalgam är lägre än över flytande kvicksilver. Kvicksilver används i lysrör som en källa för synligt och ultraviolett ljus för att stimulera fosfor ; i den applikationen används den vanligtvis tillsammans med argon, eller i vissa fall med krypton eller neon. Kvicksilverjoner avjoniseras långsamt och begränsar kopplingshastigheten för kvicksilverfyllda tyratroner. Jonbombardemang med kvicksilverjoner med till och med relativt låga energier förstör också gradvis oxidbelagda katoder.
  • Natriumångor används i natriumlampor .
  • Svavelångor används i svavellampor .
  • Ångor av många metaller, ensamma eller tillsammans med ädelgas, används i många lasrar .

Andra gaser

Andra gaser i utloppsrör; från vänster till höger: väte , deuterium , kväve , syre , kvicksilver

Isolerande gaser

I speciella fall (t.ex. högspänningsomkopplare) behövs gaser med goda dielektriska egenskaper och mycket höga nedbrytningsspänningar. Högt elektronegativa element, t.ex. halogener , föredras eftersom de snabbt rekombineras med jonerna som finns i urladdningskanalen. Ett av de mest populära valen är svavelhexafluorid , som används i speciella högspänningsapplikationer. Andra vanliga alternativ är torrt kväve och halokolväten .

Gasrörets fysik och teknik

Spänningsströmegenskaper för elektrisk urladdning i neon vid 1 Torr (130 Pa), med två plana elektroder åtskilda av 50 cm.
A: slumpmässiga pulser av kosmisk strålning
B: mättnadsström
C: lavin Townsend urladdning
D: självhållbar Townsend urladdning
E: instabil region: corona urladdning
F: sub-normal glöd urladdning
G: normal glöd urladdning
H: onormal glöd urladdning
I: instabil region: glödbågsövergång
J: elektrisk båge
K: elektrisk båge
AD-regionen kallas en mörk urladdning; det finns viss jonisering, men strömmen är under 10 mikroampere och det produceras ingen signifikant mängd strålning.
DG-regionen uppvisar ett negativt differentieringsmotstånd.
FH-regionen är ett område med glödutsläpp; plasma avger en svag glöd som upptar nästan hela rörets volym; det mesta av ljuset avges av upphetsade neutrala atomer.
IK-regionen är en region med bågurladdning; plasman koncentreras i en smal kanal längs rörets mitt; en stor mängd strålning produceras.

Den grundläggande mekanismen är Townsend urladdning, vilket är den ihållande multipliceringen av elektronflöde genom jonstöt när ett kritiskt värde av elektrisk fältstyrka för gasens densitet uppnås. När det elektriska fältet ökar påträffas olika urladdningsfaser såsom visas i den medföljande ritningen. Den använda gasen påverkar dramatiskt rörets parametrar. Nedbrytningsspänningen beror på gassammansättning och elektrodavstånd; beroenden beskrivs av Paschens lag .

Gastryck

Gastrycket kan ligga mellan 0,001 och 1 000 Torr (0,13-130 000 Pa); oftast används tryck mellan 1–10 torr. Gastrycket påverkar följande faktorer:

  • nedbrytningsspänning (även kallad tändningsspänning)
  • strömtäthet
  • Driftspänning
  • backfire spänning
  • rörets livslängd (rör med lägre tryck tenderar att ha kortare livstid på grund av förbrukning av gasen)
  • katod förstoftning , reducerad vid högre tryck

Över ett visst värde, ju högre gastryck, desto högre antändningsspänning. Högtrycksbelysningsrör kan kräva några kilovoltsimpuls för antändning när det är kallt, när gastrycket är lågt. Efter uppvärmning, när den flyktiga föreningen som används för ljusutsläpp förångas och trycket ökar, kräver återladdning av urladdningen antingen betydligt högre spänning eller minskning av det inre trycket genom att svalna lampan. Till exempel kan många natriumånglampor inte tändas omedelbart efter att de har stängts av. de måste svalna innan de kan tändas igen.

Gasen tenderar att användas under rörrörelsen, av flera fenomen som kollektivt kallas sanering . Gasatomerna eller molekylerna adsorberas på elektrodernas ytor. I högspänningsrör kan de accelererade jonerna tränga in i elektrodmaterialet. Nya ytor, bildade genom förstoftning av elektroderna och avsatta på t.ex. rörets inre ytor, adsorberar också lätt gaser. Icke-inerta gaser kan också reagera kemiskt med rörkomponenterna. Väte kan diffundera genom vissa metaller.

För avlägsnande av gas i vakuumrör används getters . För påfyllning av gas till gasfyllda rör används påfyllningsmedel . Oftast används påfyllningsmedel med väte; ett glödtråd tillverkat av en väteabsorberande metall (t.ex. zirkonium eller titan) finns i röret och genom att reglera dess temperatur justeras förhållandet mellan absorberat och desorberat väte, vilket resulterar i kontroll av vätetrycket i röret. Metallfilamentet fungerar som en vätelagring. Detta tillvägagångssätt används i t.ex. väte-tyratroner eller neutronrör. Användning av mättad kvicksilverånga gör det möjligt att använda en pool av flytande kvicksilver som en stor lagring av material; Atomerna som förlorats genom sanering fylls automatiskt på genom avdunstning av mer kvicksilver. Trycket i röret är dock starkt beroende av kvicksilvertemperaturen, som måste kontrolleras noggrant.

Stora likriktare använder mättad kvicksilverånga med en liten mängd inert gas. Den inerta gasen stöder utsläppet när röret är kallt.

Kvicksilverbågsventilens strömspänningsegenskaper är starkt beroende av temperaturen på det flytande kvicksilveret. Spänningsfallet i förspänningen framåt minskar från cirka 60 volt vid 0 ° C till något över 10 volt vid 50 ° C och förblir sedan konstant; spänningen för omvänd förspänning ("båg-bak") sjunker dramatiskt med temperaturen, från 36 kV vid 60 ° C till 12 kV vid 80 ° C till ännu mindre vid högre temperaturer. Räckvidden är därför vanligtvis mellan 18–65 ° C.

Gasrenhet

Gasen i röret måste hållas ren för att bibehålla de önskade egenskaperna; även liten mängd föroreningar kan dramatiskt ändra rörvärdena; närvaron av icke-inerta gaser ökar i allmänhet nedbrytning och brännande spänningar. Förekomsten av föroreningar kan observeras genom förändringar i gasens glödfärg. Luft som läcker in i röret introducerar syre, som är mycket elektronegativt och hämmar produktionen av elektriska laviner. Detta gör att urladdningen ser blek, mjölkig eller rödaktig ut. Spår av kvicksilverångor lyser blåaktigt och döljer den ursprungliga gasfärgen. Magnesiumånga färger urladdningen grön. För att förhindra utgasning av rörde komponenter under drift, en bake-out krävs före fyllning med gas och försegling. Noggrann avgasning krävs för högkvalitativa rör; till och med så lite som 10 −8  torr (≈1 μPa) syre räcker för att täcka elektroderna med monomolekylärt oxidskikt på några timmar. Icke-inerta gaser kan avlägsnas av lämpliga getters . för rör som innehåller kvicksilver måste getters som inte bildar amalgam med kvicksilver (t.ex. zirkonium men inte barium ) användas. Katodförstoftning kan användas avsiktligt för att få bort icke-inerta gaser; vissa referensrör använder molybdenkatoder för detta ändamål.

Rena inerta gaser används där skillnaden mellan antändningsspänningen och brännspänningen måste vara hög, t.ex. i kopplingsrör. Rör för indikering och stabilisering, där skillnaden måste vara lägre, tenderar att fyllas med Penning-blandningar ; den lägre skillnaden mellan tändning och brännande spänning möjliggör användning av lägre strömförsörjningsspänningar och mindre seriemotstånd.

Belysning och display gasfyllda rör

Fluorescerande belysning , CFL-lampor , kvicksilver- och natriumurladdningslampor och HID-lampor är alla gasfyllda rör som används för belysning.

Neonlampor och neonskyltar (varav de flesta inte är neonbaserade idag) är också gasfyllda rör med lågt tryck.

Specialiserade historiska lågtrycksgasfyllda röranordningar inkluderar Nixie-röret (används för att visa siffror) och Decatron (används för att räkna eller dela pulser, med display som sekundär funktion).

Xenon-blixtlampor är gasfyllda rör som används i kameror och stroboskoplampor för att producera ljusa blixtar.

De nyligen utvecklade svavellamporna är också gasfyllda rör när de är heta.

Gasfyllda rör i elektronik

Eftersom tändningsspänningen beror på jonkoncentrationen som kan sjunka till noll efter en lång period av inaktivitet, är många rör grundade för jontillgänglighet:

  • optiskt, av omgivande ljus eller av en 2-watts glödlampa, eller av en glödurladdning i samma kuvert,
  • radioaktivt, genom att tillsätta tritium till gasen, eller genom att belägga kuvertet inuti,
  • elektriskt, med ett keep-alive eller primer elektrod

Kraftenheter

Några viktiga exempel inkluderar tyratron- , krytron- och ignitronrör , som används för att växla högspänningsströmmar. En specialiserad typ av gasfylldt rör kallat ett gasutsläppsrör (GDT) är tillverkat för användning som överspänningsskydd för att begränsa spänningsflödet i elektriska och elektroniska kretsar.

Datorrör

Den Schmitt-trigger effekten av negativ differentiell resistans -regionen kan utnyttjas för att realisera timers, avslappnings oscillatorer och digitala kretsar med neonlampor , trigger rör , relä rör , dekatrons och nixierör .

Tyratroner kan också användas som trioder genom att manövrera dem under tändspänningen, så att de kan förstärka analoga signaler som en självsläckande superregenerativ detektor i radiokontrollmottagare .

Indikatorer

Det fanns speciella neonlampor förutom nixierör:

  • Tuneon tidig inställningsindikator, ett glasrör med en kort trådanod och en lång trådkatod som delvis lyser; glödlängden är proportionell mot rörströmmen
  • Fosforerad neonlampa
  • Luminiscent trigger tube, används som spärrindikatorer eller pixlar punktmatrisskärmar
    • Avtryckarrör med direkt glöd
    • Fosforerat avtryckarrör

Bullerdioder

Hot-katod , gas-urladdningsbrusdioder fanns tillgängliga i normala radioröret glashöljen för frekvenser upp till UHF , och så länge, tunna glasrören med en normal bajonett glödlampa fäste för filamentet och en anod toppkåpa , för SHF frekvenser och diagonalt införande i en vågledare .

De fylldes med en ren inert gas som neon eftersom blandningar gjorde utgångstemperaturberoende. Deras brännande spänning var under 200 V, men de behövde optisk priming av en glödande 2-watts lampa och en spänningsökning i 5-kV-området för antändning.

En miniatyr- tyratron hittade en ytterligare användning som en ljudkälla, när den användes som en diod i ett tvärgående magnetfält.

Spänningsregulatorrör

I mitten av 1900-talet användes ofta spänningsregulatorrör .

Förfluten mätning

Katodförstoftning tas fördel av i Time Totalizator , en metallång coulometer Baserad förfluten tid mätare där det förstoftade metall avsätts på en samlare element vars motstånd därför minskar långsamt.

Lista över -tronrör

Se även

Referenser

externa länkar