ГАЗОРАЗРЯ́ДНЫЕ ПРИБО́РЫ

ГАЗОРАЗРЯ́ДНЫЕ ПРИБО́РЫ (ион­ные при­бо­ры), класс элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­ров, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на ис­поль­зо­ва­нии разл. ви­дов элек­три­че­ских раз­ря­дов в га­зах.

Про­стей­ший Г. п. пред­став­ля­ет со­бой ди­од (с на­ка­лён­ным или хо­лод­ным ка­то­дом), элек­тро­ды ко­то­ро­го по­ме­ще­ны в стек­лян­ный или ке­ра­мич. бал­лон, за­пол­нен­ный раз­ре­жен­ным инерт­ным га­зом или па­ра­ми рту­ти. При по­да­че на элек­тро­ды на­пря­же­ния элек­тро­ны, эми­ти­руе­мые на­ка­лён­ным ка­то­дом, стал­ки­ва­ясь на пу­ти к ано­ду с ато­ма­ми (мо­ле­ку­ла­ми) на­пол­няю­ще­го Г. п. га­за, от­да­ют им свою энер­гию. При не­ко­то­ром зна­чении при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния энер­гия элек­тро­нов ста­но­вит­ся дос­та­точ­ной для воз­бу­ж­де­ния и ио­ни­за­ции ато­мов. Воз­ни­ка­ет элек­трич. раз­ряд. Об­ра­зо­вав­шие­ся по­ло­жи­тель­ные ио­ны га­за ком­пен­си­ру­ют от­ри­ца­тель­ный про­стран­ст­вен­ный за­ряд элек­тро­нов, по­это­му Г. п. по срав­не­нию с ва­ку­ум­ным элек­трон­ным при­бо­ром име­ет ма­лое внутр. со­про­тив­ле­ние и спо­со­бен про­пус­кать то­ки до 10⁴ А. Мо­мен­том воз­ник­но­ве­ния раз­ря­да в Г. п. мож­но управ­лять с по­мо­щью до­пол­нит. элек­тро­дов (се­ток или под­жи­гаю­щих элек­тро­дов). Фор­ма раз­ря­да и его свой­ст­ва за­ви­сят от дав­ле­ния га­за, ти­па ка­то­да, кон­ст­рук­тив­ных осо­бен­но­стей при­бо­ра, си­лы про­пус­кае­мо­го то­ка и др. фак­то­ров. Осн. ви­ды ис­поль­зуе­мо­го раз­ря­да: ду­го­вой, тлею­щий, ис­кро­вой и ко­рон­ный.

Г. п. не­са­мо­стоя­тель­но­го ду­го­во­го раз­ря­да (раз­ряд гас­нет при вы­клю­че­нии внеш­не­го ис­точ­ни­ка) име­ют на­ка­ли­вае­мый ка­тод и на­пол­ня­ют­ся инерт­ны­ми га­за­ми или во­до­ро­дом при дав­ле­нии по­ряд­ка 10 Па. К та­ким Г. п. от­но­сят­ся га­зо­тро­ны, ти­ра­тро­ны и др. Па­де­ние на­пря­же­ния в них при пря­мом вклю­че­нии со­став­ля­ет 10–20 В (в им­пульс­ном ре­жи­ме 100–200 В). При сме­не по­ляр­но­сти па­де­ние на­пря­же­ния рез­ко воз­рас­та­ет и мо­жет дос­ти­гать со­тен ки­ло­вольт. В Г. п. са­мо­стоя­тель­но­го ду­го­во­го раз­ря­да обыч­но ис­поль­зу­ет­ся жид­ко­ме­тал­лич. ка­тод (ртут­ные вен­ти­ли и др.) ли­бо (ре­же) са­мо­ка­лящий­ся ка­тод (ар­ко­тро­ны). При­бо­ры ду­го­во­го раз­ря­да на­хо­дят при­ме­не­ние, напр., в ка­че­ст­ве ком­му­та­то­ров то­ка в им­пульс­ных схе­мах, в сва­роч­ных ап­па­ра­тах, в ка­че­ст­ве вен­ти­лей в вы­пря­ми­те­лях то­ка. 

Г. п. тлею­ще­го раз­ря­да (ста­би­ли­тро­ны, ти­ра­тро­ны и др.) име­ют хо­лод­ный (ча­ще все­го мо­либ­де­но­вый или ни­ке­ле­вый) ка­тод и на­пол­ня­ют­ся сме­сью инерт­ных га­зов при дав­ле­нии по­ряд­ка 10³ Па. Си­ла то­ка не пре­вы­ша­ет де­сят­ков мил­ли­ам­пер. В та­ких Г. п. эмис­сия элек­тро­нов с ка­то­да воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те по­па­да­ния на ка­тод по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных час­тиц (ио­нов), фо­то­нов и воз­бу­ж­дён­ных ато­мов га­за-на­пол­ни­те­ля. Дей­ст­вие при­бо­ров ос­но­ва­но на ис­поль­зо­ва­нии свойств тлею­ще­го раз­ря­да (по­сто­ян­ст­ва па­де­ния на­пря­же­ния на элек­тро­дах в ши­ро­ких пре­де­лах из­ме­не­ния то­ка и др.). При­бо­ры тлею­щего раз­ря­да при­ме­ня­ют­ся гл. обр. для ста­би­ли­за­ции на­пря­же­ния, ком­му­та­ции в сла­бо­точ­ных це­пях, а так­же в ка­че­ст­ве ин­ди­ка­то­ров.

В Г. п. ис­кро­во­го раз­ря­да (ис­кро­вых раз­ряд­ни­ках и др.) ис­поль­зу­ет­ся крат­ко­вре­мен­ный ду­го­вой или тлею­щий раз­ряд (элек­трич. ис­кра) – обыч­но в сре­де ме­ж­ду од­но­тип­ны­ми не­на­ка­лён­ны­ми элек­тро­да­ми. Элек­тро­ды из­го­тов­ля­ют из ту­го­плав­ко­го ме­тал­ла (напр., W), ино­гда с до­бав­ле­ни­ем щё­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов (напр., Ва) и ра­дио­ак­тив­ных эле­мен­тов. Та­кие Г. п. на­пол­ня­ют­ся инерт­ны­ми га­за­ми или сме­сью га­зов при дав­ле­нии 10² Па и бо­лее. При по­да­че на элек­тро­ды при­бо­ра на­пря­же­ния, дос­та­точ­но­го для про­боя га­зо­во­го про­ме­жут­ка, в нём за очень ко­рот­кое вре­мя (по­ряд­ка 10^–9 с) раз­ви­ва­ет­ся элек­трич. раз­ряд. При этом внутр. со­про­тив­ле­ние умень­ша­ет­ся от со­тен ме­га­ом до до­лей ома. При­бо­ры ис­кро­во­го раз­ря­да при­ме­ня­ют­ся гл. обр. для за­щи­ты разл. ра­дио­уст­ройств или ли­ний свя­зи от пе­ре­на­пря­же­ний, вы­зван­ных, напр., гро­зо­вы­ми раз­ря­да­ми.

Г. п. ко­рон­но­го раз­ря­да (ста­би­ли­тро­ны и др.) ха­рак­те­ри­зу­ют­ся силь­ной не­од­но­род­но­стью элек­трич. по­ля ме­ж­ду дву­мя элек­тро­да­ми (напр., при ко­ак­си­аль­ной фор­ме элек­тро­дов на­пря­жён­ность по­ля у ано­да обыч­но во мно­го раз вы­ше, чем у ка­то­да). В этих ус­ло­ви­ях раз­ряд не пе­ре­кры­ва­ет весь ме­ж­элек­трод­ный про­ме­жу­ток – ио­ни­за­ция воз­ни­ка­ет лишь в об­лас­ти, при­мы­каю­щей к ано­ду. При­бо­ры ко­рон­но­го раз­ря­да на­пол­ня­ют­ся ча­ще все­го во­до­ро­дом при дав­ле­нии по­ряд­ка 10⁴ Па. На­пря­же­ние на элек­тро­дах прак­ти­че­ски не за­ви­сит от си­лы то­ка в диа­па­зо­не от еди­ниц до со­тен мик­ро­ам­пер.

Все ви­ды га­зо­во­го раз­ря­да со­про­во­жда­ют­ся све­че­ни­ем. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли раз­ряд­ные ис­точ­ни­ки све­та, ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ко­то­рых яв­ля­ет­ся стро­го оп­ре­де­лён­ный спек­траль­ный со­став из­лу­че­ния. Воз­бу­ж­дён­ные во вре­мя раз­ря­да ато­мы (мо­ле­ку­лы) га­за че­рез ко­рот­кое вре­мя воз­вра­ща­ют­ся в нор­маль­ное со­стоя­ние, из­лу­чая при этом кван­ты све­та оп­ре­де­лён­ной энер­гии. Эти Г. п. мо­гут при­ме­нять­ся в ка­че­ст­ве эта­ло­нов оп­тич. из­лу­че­ния с за­дан­ной дли­ной вол­ны. Из­вест­ны так­же раз­ряд­ные ис­точ­ни­ки све­та, даю­щие, напр., силь­ное УФ-из­лу­че­ние. Све­че­ние га­за тлею­ще­го раз­ря­да ис­поль­зу­ет­ся в га­зо­раз­ряд­ных ин­ди­ка­то­рах. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние ЭВМ при­ве­ло к соз­да­нию та­ко­го ви­да Г. п., как га­зо­раз­ряд­ные ин­ди­ка­тор­ные па­не­ли.

Осо­бую груп­пу со­став­ля­ют га­зо­раз­ряд­ные СВЧ-при­бо­ры (Г. СВЧ-п.), в ко­то­рых плаз­ма раз­ря­да по­сто­ян­но­го то­ка или вы­со­ко­час­тот­но­го раз­ря­да ис­поль­зу­ет­ся в ка­че­ст­ве эле­мен­та СВЧ-це­пи. Газ, на­хо­дя­щий­ся в ра­бо­чем про­стран­ст­ве Г. СВЧ-п., ио­ни­зу­ет­ся под дей­ст­ви­ем при­ло­жен­но­го из­вне по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния ли­бо при по­сту­п­ле­нии СВЧ-сиг­на­ла, мощ­ность ко­то­ро­го пре­вы­ша­ет по­ро­го­вую ве­ли­чи­ну. Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность та­ких Г. п. – кон­ст­рук­тив­ное объ­е­ди­не­ние с СВЧ-трак­том (вол­но­во­да­ми, ко­ак­си­аль­ны­ми ли­ния­ми, ре­зо­на­то­ра­ми). В за­ви­си­мо­сти от функ­цио­наль­но­го на­зна­че­ния раз­ли­ча­ют Г. СВЧ-п. управ­ляю­щие (за­щит­ные, ком­му­ти­рую­щие), ге­не­ра­тор­ные (шу­мо­вые), све­то­из­лу­чаю­щие и др. 

Дей­ст­вие боль­шин­ст­ва Г. СВЧ-п. ос­но­ва­но на дис­пер­си­он­ных свой­ст­вах плаз­мы, оп­ре­де­ляю­щих про­хо­ж­де­ние элек­тро­маг­нит­ной вол­ны по СВЧ-трак­ту. От­но­сит. ди­элек­трич. про­ни­цае­мость плаз­мы ε при не­из­мен­ной ра­бо­чей час­то­те элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний f умень­ша­ет­ся при по­вы­ше­нии кон­цен­тра­ции элек­тро­нов n, что да­ёт воз­мож­ность управ­лять фа­зо­вой ско­ро­стью вол­ны в ли­нии пе­ре­да­чи, со­дер­жа­щей плаз­му. При боль­ших кон­цен­тра­ци­ях n и низ­ких дав­ле­ни­ях га­за (для ко­то­рых эф­фек­тив­ная час­то­та со­уда­ре­ний элек­тро­на с мо­ле­кула­ми га­за γ_эф ма­ла по срав­не­нию с ра­бо­чей час­то­той) ве­ли­чи­на ε ста­но­вит­ся от­ри­ца­тель­ной. В ре­зуль­та­те элек­тро­маг­нит­ное по­ле не про­ни­ка­ет в про­стран­ст­во, за­ни­мае­мое плаз­мой. Плаз­ма ве­дёт се­бя по­доб­но ме­тал­лич. про­вод­ни­ку, от­ра­жая па­даю­щую вол­ну (см. Скин-эф­фект).

Ак­тив­ная про­во­ди­мость плаз­мы σ , обу­слов­лен­ная со­уда­ре­ния­ми элек­тро­нов с мо­ле­ку­ла­ми га­за, име­ет мак­си­мум при дав­ле­нии га­за p₀, для ко­то­ро­го γ_эф=2πf. Обыч­но p₀ для сан­ти­мет­ро­во­го диа­па­зона волн со­став­ля­ет 1–10 гПа; с по­вы­ше­ни­ем ра­бо­чей час­то­ты дав­ле­ние p₀ рас­тёт при­мер­но по ли­ней­но­му за­ко­ну. При зна­чит. мощ­но­стях и ам­пли­ту­дах СВЧ-по­ля про­яв­ля­ют­ся не­ли­ней­ные эф­фек­ты, свя­зан­ные с рос­том кон­цен­тра­ции и темп-ры плаз­мы. Даль­ней­шее повы­ше­ние мощ­но­сти при­во­дит к за­жи­га­нию в Г. СВЧ-п. са­мо­сто­ятель­но­го СВЧ-раз­ря­да. За­ви­си­мость про­во­ди­мо­сти плаз­мы от кон­цен­тра­ции элек­тро­нов по­зво­ля­ет управ­лять мощ­но­стью, по­гло­щае­мой в плаз­ме, и ос­лаб­ле­ни­ем про­хо­дя­ще­го СВЧ-сиг­на­ла. Све­че­ние и на­грев плаз­мы, про­ис­хо­дя­щие в ре­зуль­та­те по­гло­ще­ния ею энер­гии СВЧ-из­лу­че­ния, ис­поль­зу­ют­ся в плаз­мо­тро­нах, не­ко­то­рых ис­точ­ни­ках све­та и др.

Сре­ди Г. СВЧ-п. наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли СВЧ-раз­ряд­ни­ки, ис­поль­зуе­мые гл. обр. в ан­тен­ных пе­реклю­ча­те­лях РЛС. СВЧ-раз­ряд, воз­ни­каю­щий в раз­ряд­ни­ках, соз­да­ёт ус­ло­вия для ав­то­ма­тич. пе­ре­клю­че­ния пе­ре­дат­чи­ка и при­ём­ни­ка РЛС при ра­бо­те на об­щую ан­тен­ну. Од­но­вре­мен­но обес­пе­чи­ва­ет­ся за­щи­та чув­ст­ви­тель­но­го эле­мен­та при­ём­ни­ка РЛС от воз­дей­ст­вия сиг­на­лов собств. пе­ре­дат­чи­ка и сиг­на­лов со­сед­них стан­ций.

К Г. СВЧ-п., в ко­то­рых плаз­ма соз­да­ёт­ся са­мо­сто­ятель­ным СВЧ-раз­ря­дом, от­но­сят­ся так­же ин­ди­ка­то­ры уров­ня мощ­но­сти (про­тя­жён­ность об­лас­ти све­че­ния раз­ря­да и её про­во­ди­мость по посто­ян­но­му то­ку в та­ких при­бо­рах од­но­знач­но свя­за­ны с ве­ли­чи­ной мощ­но­сти, про­хо­дя­щей по трак­ту и от­ветв­ляе­мой в ин­дика­тор) и без­элек­трод­ные вы­со­ко­час­тот­ные лам­пы, ис­поль­зуе­мые для спек­траль­но­го ана­ли­за. 

К Г. СВЧ-п., ис­поль­зую­щим раз­ряд по­сто­ян­но­го то­ка, от­но­сят­ся, например, СВЧ-ком­му­та­то­ры и СВЧ-фа­зов­ра­ща­те­ли, в ко­то­рых управ­ле­ние мощ­но­стью или фа­зой СВЧ-сиг­на­ла дос­ти­га­ет­ся не­пре­рыв­ным или дис­крет­ным из­ме­не­ни­ем ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти или про­во­ди­мо­сти плаз­мы, за­пол­няю­щей уча­сток СВЧ-трак­та. Ши­ро­кое при­ме­не­ние на­хо­дят Г. СВЧ-п., иг­раю­щие роль эта­лон­ных ге­не­ра­то­ров шу­мо­вых ко­ле­ба­ний, спектр ко­то­рых при­бли­жа­ет­ся к бе­ло­му с шу­мо­вой темп-рой бо­лее 10⁴ К.

В ка­че­ст­ве га­зо­во­го на­пол­не­ния Г. СВЧ-п. обыч­но ис­поль­зу­ют­ся инерт­ные га­зы, во­до­род, а для по­вы­ше­ния бы­ст­ро­дей­ст­вия – так­же хлор, па­ры во­ды и др. Дол­го­веч­ность Г. СВЧ-п. ог­ра­ни­че­на из­ме­не­ни­ем дав­ле­ния и со­ста­ва га­зо­во­го на­пол­не­ния и дос­ти­га­ет не­сколь­ких ты­сяч ча­сов. По воз­мож­но­стям ми­ниа­тю­ри­за­ции и ин­те­гра­ции, а так­же по бы­ст­ро­дей­ст­вию Г. СВЧ-п., как пра­ви­ло, ус­ту­па­ют по­лу­про­вод­ни­ко­вым при­бо­рам (р–i–n-дио­дам, тран­зи­сто­рам и др.); по ве­ли­чи­не ра­бо­чей мощ­но­сти Г. СВЧ-п. пре­вос­хо­дят ПП ана­ло­ги при­бли­зи­тель­но на три по­ряд­ка.