Возникновение электронной лавины

 

Примерно 40–50 лет назад, то есть, когда электрическое освещение только начинало вытеснять керосиновую лампу, наука уже стала подготовлять замену электрической лампочке.

Физики исследовали явления, происходящие в разреженном газе под воздействием потока электронов. В стеклянной трубке, наполненной разреженным газом – аргоном или неоном, атомы этих газов беспорядочно движутся, непрерывно сталкиваясь между собой и ударяясь о стенки трубки. Эта хаотичная толчея представляет собой обычное тепловое движение. При температуре, которую называют комнатной, атомы аргона движутся со скоростью около 350 метров в секунду.

Если к электродам трубки приложить напряжение, то на атомы газа это особого «впечатления» не произведет. Атомы – электрически нейтральны. Положительный заряд ядра атома уравновешен электронами, образующими оболочку атома, и нейтральный атом ни к катоду, ни к аноду не притягивается. Иное дело – электроны.

Движение электронов в металлической нити катода так же беспорядочно и хаотично, как и движения атомов в газе. Электроны вылетают из катода в окружающее пространство. Но, выскочив за пределы катода, электрон тотчас же попадает во власть электрического поля и мчится к аноду, постепенно убыстряя свой полет.

Электрон легок, он более, чем в 70 тысяч раз легче атома аргона. Налетев на атом аргона, электрон обычно отскакивает, как мячик, не теряя своей скорости и меняя только направление движения, атом же аргона вообще почти «не чувствует» толчка.

Но так обстоит дело только, когда скорость электрона при столкновении незначительна. Если же напряжение в трубке велико, а давление газа мало, электрон от столкновения до столкновения успевает набрать большую скорость, тогда его удар об атом приобретет другой характер. Электрон нарушит оболочку атома аргона и выбьет из нее электрон.

Ударивший электрон при этом потеряет значительную часть скорости. Зато свободными оказываются уже два электрона. И оба они, набирая скорость, летят дальше, наталкиваясь на другие атомы и выбивая из них новые электроны. Количество электронов возрастает лавиной.

Атом, лишившийся одного из электронов, становится ионом, то есть он теряет электрическое равновесие – приобретает положительный заряд. Этот положительный заряд заставляет ионизированный атом двигаться к катоду.

Ионы тяжелы, медлительны, им мешают постоянные столкновения с другими атомами, и они пробираются к катоду не спеша.

В конце концов ион достигает катода. Ударившись о него, ион захватывает недостающий ему электрон и отходит от катода, чтобы вновь в виде нейтрального атома продолжать беспорядочный бег в стеклянном баллоне.

Некоторые ионы налетают на катод со сравнительно большой скоростью. Эти ионы, ударяясь о катод, не только захватывают электроны, нужные им для восстановления своей оболочки, но и вдобавок вышибают из катода свободные электроны. Эти освобожденные электроны летят к аноду и по пути создают новые партии ионов.

Если быстрых ионов много, в газе возникают все новые и новые лавины электронов, и ток в трубке быстро возрастает. Если же быстрых ионов мало, мгновенный ток, возникший от одиночного электрона, сам собой угаснет. Практически, трубка не будет проводить ток.

 

Свечение разреженного газа

 

Электроны, сталкиваясь с атомами, не всегда ионизируют их. Гораздо чаще такие столкновения влекут за собой иные последствия. Свободный электрон, ударившись об электронную оболочку атома, не разрушает ее; атом не становится ионом, но один из электронов его внешней оболочки силой толчка отбрасывается на большее расстояние о г ядра. Он переходит на более высокий уровень энергии.

Обычно электрон не может долго оставаться на высоком уровне, когда есть для него свободное место на более низком. Электрон возвращается на прежний уровень, и атомы, у которых были «повреждены» или «возбуждены» электронные оболочки, переходят в свое нормальное состояние и отдают полученную ими при столкновениях энергию, испуская световые кванты. Газ, по которому течет ток, светится.

Электронные оболочки атомов различных химических элементов неодинаковы. Они отличаются друг от друга числом электронов и их размещением на разных расстояниях от ядра. Поэтому атомы каждого химического элемента дают особый, свойственный только им свет. На глаз их свечение отличается по цвету, а призма разлагает их свет на ряд характерных для каждого элемента спектральных линий. Так, например, пары ртути излучают зеленовато‑фиолетовый свет, пары натрия – желтый, газ аргон – розовый, неон – оранжевый и т. д.

Если в цепь газоразрядной трубки включено значительное внешнее сопротивление, ток не может достигнуть большой силы. Он заставляет газ светиться, но почти не нагревает его. Перед нами типичный случай люминесценции – холодного свечения.

Но стоит уменьшить сопротивление во внешней цепи, чтобы ток возрос. Тогда газ станет нагреваться, электроды накаливаться, и холодный разряд переходит постепенно в горячий – образуется электрическая дуга. При дуговом разряде свечение происходит и за счет люминесценции газа и за счет сильного нагрева его.

Ртутные лампы при сравнительно небольшом расходе энергии дают много света. К сожалению, их свет обладает крайне неприятным зеленовато‑фиолетовым оттенком и кроме того содержит много ультрафиолетовых лучей, невидимых, но вредных для глаз. Ртутные лампы оказались полезными в светокопировальных аппаратах, потому что их свет сильно действует на копировальную бумагу и обеспечивает быструю копировку.

Осветительные ртутные лампы, несмотря на их мертвенно‑синий свет, ввел на своих предприятиях Форд, известный автомобильный фабрикант и покровитель фашистских организаций. Применение ртутных ламп резко снизило расходы на освещение цехов. То, что ртутные лампы дают свет, необычайно вредный для зрения, Форда интересовало меньше всего. Но вскоре в цехах, где ввели «фордовское освещение», у рабочих начали болеть глаза; ожоги зрительного нерва обрекали рабочих на слепоту. Только неоднократные забастовки, направленные против «ядовитого света», вынудили Форда заменить слепящие лампы обыкновенными.

Непригодные для освещения, ртутно‑кварцевые лампы оказались полезными в медицине. Их называют лампами «горного солнца» или просто «кварцем». Врачи стали применять их для лечебных целей. Колбы таких ламп делают из кварца, так как кварц очень прозрачен для ультрафиолетовых лучей.

Человеку для сохранения здоровья нужен солнечный свет, особенно его ультрафиолетовая часть. Зимой люди не получают необходимой им порции солнечных лучей: у них начинается «световое голодание», которое служит причиной многих заболеваний.

В Советском Союзе в рудниках, угольных шахтах, на строительстве тоннелей, или в цехах, где люди работают исключительно при искусственном свете, а также в школах, ремесленных училищах, расположенных в северных широтах, устраивают специальные фотарии.

Фотарий – это как бы столовая для питания человеческого организма ультрафиолетовыми лучами. В фотариях горят лампы «горного солнца», их излучение дает человеку ультрафиолетовые лучи, необходимые для укрепления организма. Разумеется, когда применяют ртутно‑кварцевые лампы для лечебных целей, то глаза защищают специальными очками (рис. 82).

Рис. 82. Лечение «горным солнцем» – светом ртутнокварцевых ламп.

 

Лампами «горного солнца» снабжены в Советском Союзе все детские лечебные учреждения. Лучами этих ламп лечат рахит и многие другие заболевания, вызываемые «световым голоданием».

 

Победа русского света

 

Газосветные трубки, наполненные неоном; аргоном, гелием, парами натрия, украсили улицы и витрины магазинов огнями разноцветных вывесок и реклам.

Рис. 83. Газосветные трубки приспособили для рекламных надписей и освещения витрин.

 

Но эти осветительные приборы излучают цветной свет, и поэтому все попытки заменить электрическую лампочку – газосветной потерпели неудачу. Ни один газ и никакая смесь газов не дают нормального белого света.

Пытаясь создать новые светильники, изобретатели меняли давление газов в трубках; вместо того, чтобы откачивать газ, создавая разрежение, накачивали его в лампу, доводя давление до 20, 30 и даже до 100 атмосфер.

При давлении в 100 атмосфер яркость аргонортутных ламп превышает яркость Солнца, но свет остается все равно неприятным, зеленовато‑фиолетовым. Ртутные лампы высокого давления нашли применение в прожекторных установках, но для комнатного освещения они совершенно непригодны.

Белый свет испускают только твердые или жидкие тела, и поэтому изобретение белых газосветных ламп казалось совершенно невозможным делом. Ведь для того, чтобы заставить вещество в газосветной трубке светиться, его надо превратить в пар, а превратившись в пар, оно неминуемо теряет способность излучать белый свет. Это был тупик, препятствие, которое кроется в самой природе вещества.

Однако непреодолимость этого препятствия оказалась кажущейся. Выход из тупика нашел в 1931 году академик С. И. Вавилов.

Советские физики, продолжая труды русских изобретателей, создавших электрическое освещение, положили начало новой эпохе в светотехнике. В 1938 году появились первые люминесцентные лампы дневного и белого света.

Лампа дневного света – это стеклянная трубка диаметром от 15 до 50 миллиметров и длиной в 40 сантиметров и более. В трубку введено несколько миллиграммов ртути и небольшое количество аргона. Аргон в лампе нужен для лучшего использования электрической энергии в разряде, свечение же разряда дают в основном пары ртути.

Лампочка питается переменным током обычного «городского» напряжения в 127 вольт.

Разряд в лампе поддерживается электронами, вылетающими из раскаленных электродов. Электроды лампы предварительно накаливают электрическим тонком. Как только электроды прогреются и возникнет интенсивный разряд, особое реле автоматически выключает ток накала. В дальнейшем температура электродов поддерживается за счет ударов ионов о поверхности электродов.

В такой трубке светятся пары ртути, но их ультрафиолетовое излучение не выходит наружу. Оно целиком остается в трубке, а глаз видит свет, испускаемый твердым веществом – люминофором, которым покрыта внутренняя поверхность трубки.

В этом‑то и состоит основная идея С. И. Вавилова: цветное излучение газового разряда превращается в белый свет с помощью люминофоров – веществ, которые способны светиться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Люминофоры были известны раньше, ими покрывали экраны осциллоскопов, стрелки компасов и самосветящиеся циферблаты и пр.

Состав смеси люминофоров можно подобрать так, что она будет испускать «дневной» свет, то есть свет, подобный свету ясного дня (солнце плюс голубое небо), или белый свет, похожий на свет, рассеянный облаками. Люминофор служит в трубке световым трансформатором, он поглощает одни лучи и испускает другие, нужные нам. Хотя свет паров ртути очень богат ультрафиолетовыми лучами, но эти вредные для зрения лучи полностью поглощаются люминофором и стеклом. Мягкое матово‑белое свечение люминофоров в этих лампочках совершенно безвредно и приятно для глаз.

Лампы «дневного» света втрое экономичнее электрической лампочки.

Лампы «белого» света дают свет более «теплый», с легким желтоватым оттенком; они в четыре раза экономичнее электрических лампочек, так как преобразуют в свет 10–12 % потребляемой энергии.

Новые источники света быстро завоевали всеобщее признание. У нас в Советском Союзе лампы «дневного» света спустились в шахты, освещают заводские цехи, музеи, выставки, витрины магазинов. Новые лампы уже начали вытеснять лампочку накаливания.

 

Лампы «черного» света

 

Лампы «белого» света не дают ультрафиолетовых лучей. Оказалось возможным создать лампы, которые, наоборот, не дают видимого света, а испускают только ультрафиолетовые лучи. Эти лампы действительно черные, они сделаны из черного стекла, и заметить – горит такая лампа или не горит – может только опытный человек.

Конструкция ламп «черного» света разработана тоже под руководством академика С. И. Вавилова. Первая лампа этого типа, построенная советскими учеными, называлась «Аида» (рис. 84).

Рис. 84. Лампа «Аида».

 

Последующие выпуски черных ламп обозначаются маркой «ЧРК», что значит: черная ртутно‑кварцевая (рис. 85).

Рис. 85. Лампа «черного света».

 

По своему устройству «ЧРК» – обычная ртутно‑кварцевая лампа, в которой светятся пары ртути.

Эта лампа помещена внутри колбы из специального сорта стекла, так называемого «увиолевого», прозрачного для ультрафиолетовых лучей. Чтобы сделать колбу непрозрачной для видимых лучей, к стеклу примешивают окиси никеля и кобальта. Такое стекло не пропускает видимого света, но оно прозрачно для ультрафиолетового излучения.

Освещать комнату лампами «черного» света – бесполезно. Темноты они не рассеют. Но эти лампы могут заставлять светиться люминофоры и некоторые другие вещества и делать их видимыми.

Урок физики, посвященный люминесценции и «черному» свету, учитель может вести при черных лампах в полной темноте. Обыкновенный мел, смешанный со светящимся веществом – люминофором, будет чертить на классной доске яркие цветные линии, и все написанное будет прекрасно видно.

Географическая карта, обработанная растворами светящихся красок, засверкает под ультрафиолетовыми лучами желтовато‑зеленой сушей и голубыми морями. Всякая бумага слегка светится под ультрафиолетовыми лучами, а родаминовые чернила оставят на ней огненные, оранжево‑красные строчки. Нафтионовые чернила дадут светящийся фиолетовый след. Благодаря светящимся чернилам и карандашам, ученики будут видеть записанное, решать задачи, чертить и рисовать, хотя в классе будет царить темнота.

Составами, которые светятся при освещении их лампами «черного» света, можно окрашивать мебель, стены, двери, ткани. Яркость свечения зависит от концентрации раствора, а цвет можно подобрать любой: белый, золотисто‑желтый, розовый, оранжево‑красный, коричневый, желтовато‑зеленый, изумрудный, голубой, сине‑фиолетовый. Ткани, пропитанные такими составами, позволяют шить очень нарядные, светящиеся, лучезарные платья.

Рецепты таких волшебных красок разработаны советскими учеными Д. П. Лазаревым и Е. М. Брумбергом.

В лампе «дневного» света люминофор наносится на внутреннюю поверхность самой лампы, и поэтому она светится. Для пользования лампой «черного» света люминофором покрывают те предметы, какие нужно видеть в темноте. В этом своеобразие лампы «черного» света.

Лампы «черного» света стали теперь необходимой принадлежностью сценического оборудования. Театральные декорации и костюмы, раскрашенные разноцветными люминофорами, в лучах черных ламп сверкают и искрятся, позволяя создавать феерические, сказочно‑великолепные картины. С помощью ламп «черного» света возможны эффектные постановки фантастических картин подводного царства в опере «Садко» или сцен из «Конька‑Горбунка».

 

Огонек горит светлее,

Горбунок бежит скорее,

Вот уж он перед огнем,

Светит пале словно днем;

Чудный свет кругом струится,

Но не греет, не дымится.

Диву дался тут Иван,

«Что, – сказал он, – за шайтан?

Шапок с пять найдется свету,

А тепла и дыма нету;

Эко – чудо‑огонек!»

 

Сказочный чудо‑огонек создан советской наукой. «Не нужно обладать особым даром предвидения, – пишет академик С. И. Вавилов, – чтобы предсказать заранее то недалекое время, когда „холодный“ свет станет для каждого из нас столь же неизбежным и привычным предметом обихода, каким является электрическая лампа накаливания. „Холодный“ свет – это единственное рациональное решение светотехнической проблемы, это освобождение от проторенной дороги тепловых источников света, на которую толкает нас природа, это овладение природой, ее переделка. „Холодный“ свет – это неотъемлемая часть культурной жизни будущего коммунистического общества».

 

Лампа с «дверцей»

 

Разрядная трубка, наполненная разреженным газом или парами ртути, послужила прообразом не только для газосветных ламп, но и для многих других важных приборов. Среди них большое значение имеют различного рода выпрямители переменного тока.

Двухэлектродная лампа с раскаленным катодом, наполненная разреженным газом или парами ртути, как и вакуумная электронная лампа, обладает способностью пропускать ток только в одном направлении – от катода к аноду.

Однако сила тока, который пропускает вакуумная электронная лампа, ограничивается величиной термоэлектронной эмиссии – числом электронов, выходящих из раскаленного катода в единицу времени (секунду). Силу тока в лампе можно увеличить во много раз, если наполнить лампу разреженным газом или парами ртути. Тогда ток будет передаваться не только электронами, вылетающими из катода, но и значительно большим числом электронов и ионов, возникающих благодаря ионизации газа. Такая лампа с двумя электродами и газовым наполнением названа газотроном.

Особенно сильный ток дают ртутные лампы с дуговым разрядом, называемые ртутными выпрямителями. У них катодом служит поверхность жидкой ртути, легко отдающая электроны при дуговом разряде.

Академик В. Ф. Миткевич еще в 1903–1905 годах исследовал явление дугового разряда и указал, что его можно использовать для выпрямления переменного тока.

Первые высоковольтные ртутные выпрямители промышленного типа построил в 1918 году в Нижегородской лаборатории В. П. Вологдин.

Разработанные советскими учеными, ртутные выпрямители пропускают токи силой до 6000 ампер. Такие выпрямители применяются на промышленных предприятиях, на радиостанциях, и всюду, где необходим постоянный ток большой силы. Так, например, не все знают, что трамваи получают ток не непосредственно с электрической станции, а от ртутных выпрямителей с дуговым разрядом, которые помещаются на трамвайных подстанциях и преобразуют переменный ток в постоянный. Моторами постоянного тока легче управлять, так как они меняют направление вращения при изменении направления тока, легко давая и передний и задний ход.

Введение третьего электрода – сетки – обращает газотрон в новый прибор – тиратрон, действие которого до известной степени похоже на действие вакуумного триода. Но вместе с тем между обеими лампами есть и существенное различие.

На сетку в тиратроне подается отрицательное напряжение. Пока оно достаточно велико, электроны, едва вылетев из катода, сразу же вынуждены возвращаться обратно. Они не успевают столкнуться с атомами газа, а если сталкиваются, то все равно оказываются не в состоянии их ионизировать: скорость движения электронов для этого еще слишком мала и ток через лампу не идет.

Если постепенно уменьшать отрицательное напряжение, то наступит момент, когда часть электронов прорвется сквозь сетку. Эти «счастливцы» попадут в сильное электрическое поле анода и получат необходимый разбег. На длинном пути от сетки до анода почти каждый из прорвавшихся электронов встретит какой‑нибудь атом газа и ионизирует его. Число свободных электронов резко увеличится, начнется лавинная ионизация. Ток резко возрастет, мгновенно дойдя до максимального. Если теперь вновь увеличить на сетке отрицательное напряжение до первоначальной величины, ток отнюдь не прекратится. Наоборот, он будет идти с прежней силой.

Тиратрон – это лампа с «дверцей». Но «дверца» эта весьма своеобразна: ее легко открыть, а закрыть не удается.

Чем же объясняется такое резкое отличие тиратрона от вакуумного триода, который, как известно, способен очень тонко регулировать силу анодного тока? Отличие объясняется именно наличием газа в тиратроне. Когда через лампу проходит сильный ток, в газе появляется много положительных ионов. Они, еще не дойдя до катода, окружают проволоки отрицательно заряженной сетки, притягиваются к ней, образуют вокруг проволочек сетки нечто вроде чехла и своими положительными зарядами нейтрализуют ее действие.

Между такими заэкранированными проволоками продолжают свободно проходить электроны, летящие к аноду. Ток продолжает идти, хотя на сетку и подано, как будто достаточно большое отрицательное напряжение. Его сила будет зависеть только от мощности источника тока и от сопротивления в цепи. Напряжение на электродах лампы при этом сильно снизится, а мощность, затрачиваемая на газовый разряд – неизбежные потери – станет наименьшей.

Чтобы прекратить ток, нужно либо разомкнуть цепь, либо дать отрицательное напряжение на анод. Тогда он притянет к себе положительные ионы от сетки и оттолкнет электроны к катоду. Ионизация прекратится, сетка лишится экранирующих ее ионов, и тиратрон будет вновь заперт – «дверца» закроется.

Тиратрон часто служит для выпрямления тока. При этом на его катод и анод подается переменное напряжение. При переменном токе не требуется разрывать цепь анода, так как при каждом периоде на аноде появляется отрицательное напряжение. Переменный ток сам приводит тиратрон к готовности для работы. «Дверца» закрывается – ток прекращается в тот момент, когда переменное напряжение на аноде, пройдя через нуль, станет отрицательным.

При обычном переменном токе в 50 периодов, ток всегда запирается 50 раз в секунду, а отпирается только при соответствующем уменьшении отрицательного напряжения на сетке. В этом случае он пропускает своеобразный пульсирующий выпрямленный ток.

При помощи сетки можно регулировать среднюю силу этого выпрямленного тока. Он проходит толчками, импульсами, за те полупериоды, при которых на анод подается положительное напряжение. Так как это напряжение возрастает не сразу, а постепенно, в течение каждого рабочего полупериода, то чем большее отрицательное напряжение подадим мы на сетку, тем позже будет прорываться поток электронов сквозь сетку в эти полупериоды, тем короче будут промежутки времени, когда ток идет, и сила проходящего через лампу тока в среднем будет меньше. Таким образом тиратрон может и выпрямлять переменный ток и регулировать его силу.

Весьма важное значение имеет тиратрон как пусковое реле для всевозможных автоматических устройств. Весьма малое уменьшение отрицательного напряжения на сетке тиратрона приводит к образованию анодного тока большой мощности. Иначе говоря, ничтожное изменение напряжения на сетке приводит к включению сильного тока, ранее запертого тиратроном.