Газоразрядные приборы и газовые лазеры

Газоразрядные приборы — это приборы, основанные на использовании газового разряда.

К газоразрядным относятся следующие приборы:

с несамостоятельным разрядом — газотроны, тиратроны;

с тлеющим разрядом — газосветные лампы, газоразрядные ячейки газосветных индикаторных панелей, газовые лазеры, газовые стабилизаторы напряжения, декатроны и др.;

с дуговым автоэлектронным разрядом — ртутные выпрямители, игнитроны и др.

Газовый разряд (электрический разряд в газе) — это процесс прохождения электрического тока через газ. В нормальном состоянии газ не является проводником электричества. Однако в достаточно сильном электрическом поле (напряжением 50 кВ/см) в газе может возникнуть электрический разряд, например, в виде искры (искровой разряд) или дуги (дуговой разряд). Если же газ разрежен (до 5 мм рт. ст.), то при довольно низких напряжениях (50…100 В/см) возникает разряд, сопровождающийся умеренным током и свечением газа, так как под действием электрического поля имеющиеся в газе в небольшом количестве свободные электроны проходят больший путь до столкновения с молекулой газа, приобретая при этом большие скорость и кинетическую энергию. Этой энергии оказывается достаточно для того, чтобы вызвать ионизацию газа, вследствие чего будут появляться все новые и новые свободные электроны и положительные ионы, которые, передвигаясь от одного электрода к другому, будут переносить с собой электрические заряды.

Ионизованный газ является хорошим проводником и может пропускать большие токи. Образование ионов, а также соединения ионов и электронов в нейтральные атомы, которые все время происходят в газовом разряде, обычно сопровождаются свечением, характер которого зависит от рода атомов газа. Если напряжение источника питания разряда мало или если последовательно с прибором, в котором происходит газовый разряд, включено до­статочно большое ограничивающее сопротивление, разряд будет иметь тлеющий характер, т.е. малую плотность тока.

Находят применение следующие приборы с тлеющим разрядом: газосветные осветительные лампы; газосветные индикаторные устройства и панели на газосветных ячейках; газовые лазеры; газовый стабилизатор напряжения; тиратрон с холодным катодом и др.

Газовый разрядник (газоразрядник) — устройство, предназначенное для замыкания электрической цепи при возникновении тлеющего или дугового газового разряда под действием электрического напряжения. В этот момент промежуток между электродами газоразрядника становится проводящим и в цепи начинает протекать ток. После того как напряжение на газоразряднике падает ниже значения, необходимого для поддержания разряда, ток в нем прекращается и цепь, в которую включен газоразрядник, разрывается.

Газоразрядники применяются главным образом в тех случаях, когда замыкание или размыкание цепи необходимо производить за столь короткое время, за которое механические выклю­чатели не успеют сработать. Например, они устанавливаются для защиты электросетей от больших скачков напряжений при ударе молнии.

Газоразрядник с подогреваемым катодом и сеткой называется тиратроном. Напряжение на сетке меняет только момент включения тиратрона и не влияет на ток, протекающий в нем во включенном состоянии.

Газовый лазер (квантовый оптический генератор) — это прибор для генерации когерентного оптического излучения, использующий излучение тлеющего газового разряда.

В газовом лазере, как и в обычной лампе дневного света, имеется трубка из кварцевого стекла, заполненная определенным составом газа при низком давлении, и два электро­да (анод и катод). На обоих торцах трубки находятся зеркала. При подаче на электроды высокого напряжения (5…15 кВ) в трубке возникает тлеющий разряд со свечением характерного для данного состава газа цвета.

Свечение газа означает, что при соударении электронов с атомами возникают возбужденные электроны, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают свет. Некоторые атомы и молекулы газов имеют метастабильные энергетические уровни, на которых электроны задерживаются несколько микросекунд. При этом возникает значительное количество атомов с инверсной заселенностью электронов на метастабильном уровне. При переходе с этого уровня на устойчивый нижний энергетический уровень электроны испускают излучение определенной длины волны, которое, распространяясь в среде с инверсной заселенностью, «сбрасывает» электроны, находящиеся в метастабильном состоянии. Эти электроны, переходя на нижний уровень, добавляют свое излучение пришедшей волне и усиливают ее. Таким образом, газовая среда в разряде усиливает излучение, а установленные на торцах трубки зеркала заставляют это излучение повторно проходить активную (усиливающую) газовую среду, накапливая при этом энергию. Если в одном из зеркал сделать отверстие или сделать это зеркало полупрозрачным, то часть энергии будет излучаться из лазера в пространство.

Для получения лазерного излучения необходимо выполнение следующих условий:

1. В используемой для генерации среде должны быть атомы, имеющие метастабильный энергетический уровень, на котором задерживаются электроны, причем переход электронов с этого уровня должен сопровождаться излучением в требуемом диапазоне (в видимой или инфракрасной области);

2. К области генерации должна подаваться энергия (электриче­ский ток), и должны быть созданы условия перевода электронов на более высокий метастабильный энергетический уровень (“накачка” электронов);

3. Должны иметься зеркальные отражатели, образующие резонатор и обеспечивающие многократное прохождение луча в области генерации и усиления излучения.

Непрерывно излучающие лазеры имеют сравнительно низкую мощность излучения. Большая мощность излучения достигается в импульсе. Для получения импульсного излучения резонатор «включается» только на короткий момент времени. В этом случае в промежутке между импульсами идет накопление электронов на метастабильных уровнях, а в момент «включения» резонатора происходит лавинообразный «сброс» электронов с этих уровней, сопровождающийся быстрым ростом энергии излучения. Благодаря этому удается получить импульсы с мощностью излучения несколько киловатт и длительностью несколько пикосекунд.

Излучение лазера обладает необычными свойствами — оно когерентно, т.е. стабильно по фазе, имеет узкую спектральную полосу, плоский фронт и очень малую расходимость. Излучения лазера обладают также сравнительно большой мощностью или плотностью, позволяющей использовать их в технологических целях.

Наибольшее распространение в измерительной технике и меди­цине получили гелий-неоновые (HeNe) лазеры с длиной волны излучения 0,633 мкм (красного цвета, мощностью от 1 до 5 мВт). Используются также аргоновые (Ar) лазеры с длиной волны излучения 0,513 мкм (зеленого цвета, мощностью от 1 мВт до 5 Вт) и CO2-лазеры с длиной волны излучения 10,6 мкм (инфракрасного диапазона, мощностью от 10 Вт до 5 кВт). Благодаря большой мощности излучения СО2-лазер применяется для резки и сварки стальных листов, резки стеклянных строительных блоков и керамики, плавления тугоплавких и оптических стекол.

Благодаря своим особенностям лазеры находят широкое применение в научных исследованиях, приборостроении, различных технологических процессах, медици­не, военной технике. Создание лазеров и когерентных оптических систем привело к появлению нового направления электронной техники — квантовой электроники.

Полупроводниковые диоды