Gáztöltésű csövek
Bozó Balázs

A gáztöltésű csövek tulajdonképpen kisülődiódák (kételektródos kisülőcső). A kisülődióda egy nemes gázzal megtöltött üvegcső, amelyekbe elektródokat helyeznek el. A gázkisülés alkalmával sugárzási emisszió lép fel, amelynek jelentős része - a kisülő gáz alkalmas megválasztásával - az emberi szem számára érzékelhető hullámhossz tartományba esik. Ezt a fénysugárzást használják a fénycsövekben, vagy a neon-reklámcsövekben, kijelző megjelenítő csövekben is. A gázkisülés árama gáztöltésű eszközökben az elektródfeszültség függvényében A rarázsfénykisülés jellemző karakterisztikái A dióda búráján belül két fémelektródot találunk a katódot és az anódot, a búra belsejében kisnyomású gáz található. Az elektródok és a gáz anyagi minősége, valamint a gáz nyomása jelentős szerepet játszik a kisülésben. A dióda jelleggörbéje az 1. ábrán látható. A dióda alap áramkörében egysoros ellenállás található, az ellenállás áramkorlátozó szerepet játszik, illetve biztosítja az áramgenerátoros meghajtást. Visszatérve a jelleggőrbére látható, hogy a feszültséget 0V-tól kezdve fokozatosan növelve azt a gyújtási feszültségig az áram csak a környezetben mindenkor fellelhető nagy energiájú részecskék (pl. kozmikus sugárzás) gyönge ionizációs hatásának eredményeképen jelenik meg. A csőben lévő elektromos tér hatására a pozitív töltésű ionok a katód, az elektronok pedig az anód felé áramolnak. A feszültség növelésével egyre több töltéshordozó éri el az elektródákat, mivel vándorlási sebességük növekedésével rekombinációjuk mértéke csökken. Bizonyos feszültségtől kezdve újabb fizikai jelenség lép be a folyamatba: az egyre nagyobb mozgási energiára szert tevő elektronok ionizálják az útjukba kerülő semleges gázatomokat és a folyamat lavina jelleggel felgyorsul. A töltéshordozók sokszorozódása következtében meredeken megemelkedik az áram. Közeledve a gyújtási ponthoz a jelleggörbén, a katód előtti tér egyre jobban feldúsul ionokban az elektronok nagyobb mozgása következtében. A tértöltés megoszlása tehát csövön belül nem egyenletes. Az ionok feldúsulása miatt a katód közelében virtuális anód alakul ki, ami megnöveli a katód előtt a térerősséget, aminek következtében a katódból kilépő szekunder elektronok a katódhoz közelebb eső tartományban is képesek ionizációt létrehozni. A virtuális anód mintegy közeledik a katódhoz, és tovább növeli az áramot. A folyamat önmagát gerjeszti és egyre függetlenebbé válik a külső feszültségtől. A gyújtási pontban tehát a cső begyújt, és mivel a katód közelében az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek a semleges gázatomok gerjesztésére, megjelenik a normál glimkisülés, vagy parázsfény kisülés. A csövön átfolyó áram mindaddig nő ameddig a cső teljesen be nem gyújt és el nem éri a G pontot. A katód az ionok bombázása miatt jelentősen felmelegszik, és anyagától függően kisebb-nagyobb mértékben termikus elektronokat is emittál. Ekkor a kisülés az úgynevezett abnormális parázsfény-kisülésbe, más néven ívkisülésbe megy át. Elektronlavina és ütközéses ionizáció A normál parázsfény kisüléskor a csövön belül több, különböző fényességű tartomány különíthető el. A cső világos és sötét tartományait, az ábra szemlélteti. A gáztöltésű kijelzőcsövek szempontjából elsősorban a legstabilabb, erős fényt adó negatív parázsfény kisülésnek van jelentősége. A pozitív oszlop fényét inkább a fénycsövekben hansználják a fényporok gerjesztésre, illetve az olyan kijelzőkben, ahol a látható fényt ugyancsak gerjesztett fénypor szolgáltatja. A cső geometriájának és a gáznyomásnak alkalmas megválasztásával lehet biztosítani, hogy a kijelzésre szánt csöveknél a negatív parázsfény érvényesüljön. A begyújtáshoz és a kioltáshoz is idő szükséges, esetenként a kioltási feszültségnél kisebb feszültséggel is vissza gyújtható a cső a kioltási időn belül, gyújtva azt. A gáztöltésű kijelzők működésének és szerkezeti kialakításának a Peschen-törvény képezi alapját. Ennek értelmében azonos gáztöltet és azonos katódanyag esetén a gyújtófeszültség a p gáznyomás és a d elektróda távolság függvénye: Uf=f(pd). Gázok minimális gyújtási feszültsége különféle katódanyagok esetén. Katódanyag Hélium Neon Argon Kripton Xenon Al 185 160 154 131 151 Au-Cs-O 62 58       Ba 145 130 92 102 82 Cu   218 216 203 255 Fe   244 270   120 Mg 160 150 122 116   Mo 184 155 128     Na     94     Ni 223   174     Pt     195     Cs   64       Stabilizátorcsövek Stabilizátorcsövek karakterisztikái; a) stabilizátorcső kapcsolása; b) stabilizátorcső karakterisztikája A leggyakoribb stabilizátorcsövek két elektródát tartalmaznak, ezeket többnyire neon vagy hélium keverékével töltik meg. Nagy felületű elektródát helyeznek el a búrán belül. Amely többnyire hengeres kialakítású: ez a katód. A henger alakú katód tengelyvonalában helyezkedik el az anód. Az elektródák anyaga rendszerint nikkel. A katód és a gáz anyagát úgy szokás megválasztani, hogy a stabilizátor elektródjai között normális katódesésnél fellépő feszültségkülönbség egyenlő legyen a stabilizálandó feszültséggel. A cső működése; a potenciáleloszlásnak megfelelően, a kisülési csőben jellegzetes fényjelenségek játszódnak le, amelyek a katód-anód távolságtól függetlenül állandóan jelen vannak a ködfényréteg elejéig. A katódesésnek van a legjelentősebb szerepe a kisülésben, minthogy ezen a szakaszon gyorsulnak fel az elektronok az ionizációs energiának megfelelő mértékre. A katód felületét beborító ködfény területe a kisülés áramerősségével arányos. Amikor a katódködfény a katód egész felületét beborította, az áramerősség az áramsűrűség révén növelhető. Az áramsűrűség növeléséhez meg kell növelni az ionok sebességét, amit katódesés, vagyis az elektródák közötti feszültség növelésével érhetünk el. Tehát eddig a szakaszig fog stabilizálni a cső. A cső katód-anód távoláságát úgy állítják be, hogy a pozitív oszlop a kisülésben nem vesz részt, tehát a cső csak a normál ködfénykisülés tartományban dolgoznak. Az Ugy gyújtófeszültség elérése után a cső katód-anód feszültsége hirtelen az égési feszültség értékére esik vissza. Ennek fő oka az, hogy a cső gyújtásakor a potenciáleloszlás a cső belsejében hirtelen megváltozik. A csövön átfolyó áram függvényében a stabilzátor katód-anód feszültség stabilizálási célokra, vagy feszültség stabilizátorokban refenerencia csőként használható. A stabilizáló hatás annál jobb, minél jobban megközelíti az áramfeszültség jelleggörbe középső része a vizszintes egyenest. A jelleggörbe középső szakasza a következő egyenlettel írható le: U=Ué+∆IRb, ahol Rb a cső váltakozó áramú belső ellenállása. Gyűjtemény bemutatása Parázsfénylámpák (glimmlámpák) A glimmlámpák relatív fényereje és kiviteli formái; a) különféle glimmlámpák fényereje; b) jelzőlámpa; c) póluskereső lámpa; d) miniatűr jelzőlámpa; e) szubminiatűr lámpa; f) csavarhúzóban alkalmazott feszültségjelző lámpa (fázisceruza) A stabilizátorcsövek és a parázsfénylámpák között működésbeli és elvi különbség nincs. Felépítésükben kissé eltérnek egymástól. A katód felülete nem olyan nagy, mint a stabilizátorcsövek esetén. Így az áram függvényében a katódfelületét előbb beborítja a katódködfény. Stabilizálási célokra gyakorlatilag alkalmatlan, mivel nagyon szűk az az áram tartomány, amelyen belül a feszültség állandónak mondható. A ködfénylámpa öregedése nagy mértékben függ a ködfénylámpán átfolyó áram erősségétől. Nagy áramerősséggel égetve a ködfénylámpát, a megnövekedett sebességű pozitív ionok olyan nagy mozgási energiára tesznek szert, hogy könnyű szerrel szét roncsolják a fémelektródákat, ezért a lámpa belseje feketedést mutat. A feketedéssel, vagy a katódporlással együtt járó jelenség a cső keményedése, vagyis a gyújtási feszültségének rohamos megnövekedése, mivel ilyenkor a cső gáznyomása is csökken. Relécsövek A normális ködfénykisülés tartományában dolgozó hidegkatódos gázkisülési cső három elektródát tartalmaz. A különlegesen preparált katód aránylag kisméretű sík lemez. Az anód vékony huzal, amelyre a katódhoz képest a gyújtáshoz szükséges feszültségnél jóval kisebb feszültséget kapcsolnak. A katódnak az anód felőli oldalán helyezik el a gyújtást beindító elektródát. A csőben kisnyomású (20- 40 Torr) nemesgázkeverék van. Ha az indítóelektródára segédanódra bizonyos nagyságú pozitív gyújtófeszültséget adunk, a katódból elektronok lépnek ki, amelyek az anódfeszültség jelenléte esetén előidézik a főkisülést. Egyes típusok két indítóelektródát is alkalmaznak, így ezeket két különböző áramkörből lehet vezérelni. A relécső vagy a kapcsolócső egy változata az ábrán látható. Az elektródák közötti rés a főrésből (a katód-anód) és a gyújtórésből (katód-gyújtóelektróda) áll. A gyújtórés részét képezi a főrésnek. Ha a gyújtórésen nem folyik áram, akkor a főrésen át folyó áram elhanyagolható mindaddig, amíg az anód el nem éri a főrés gyújtófeszültségét. A főrés gyújtófeszültségét elérve, a csőben az ionizáció eléri az önfenntartáshoz szükséges értéket. A cső anód-katód feszültsége leesik az Uaé égésfeszültség értékére. Ez az égésfeszültség független a csövön átfolyó áramtól, amelynek nagyságát a külső ellenállás korlátozza. Az ábrán a relécső transzfer áram-anód-gyújtófeszültség karakterisztikáját, valamint gyújtási karakterisztikája látható. Az ábra jól mutatja, hogy transzfer áram nélkül a cső 290V anódfeszültséggel gyújt, de már 100µA-nál az anód gyújtófeszültsége leesik 107V-ra. Biztonságos működést lehet elérni, ha 150V-os feszültséget kapcsolunk egy külső korlátozó ellenálláson keresztűl az anódra és a transzfer áramot 100µA-ra korlátozzuk. A relécsövek felépítése. a) belső elvi felépítés; b) a relécső elektróda-elrendezése; c) kapcsolási elv A relécső karakterisztikái Túlfeszültség-levezetők Túlfeszültség-levezők kivitele és alkalmazása. a) túlfeszültség-levezetők rajzjelei; b)üveg kivitel; c) kerámia kivitel A túlfeszültség-levezetők olyan gáztöltésű elektroncsövek, amelyek az elektronikai készülékeknél a nagyfeszültségű vezetékek és az áramkörök közötti esetleges átütés korlátozására, illetve megakadályozására szolgálnak. Ezáltal vagyoni, illetve személyi károsodást előznek meg. Felépítésük szerint üvegcsövek vagy kerámia ballonba forrasztott elektródákból állnak. A cső kisnyomású nemesgáztöltetű, így az egymáshoz közelre helyezett elektródák között a megengedettnél nagyobb feszültség fellépésekor a csőben kisülés jön létre, ezáltal a cső jó vezetőösszeköttetést létesít az átütés helyén, amikor is a veszélyes túlfeszültség megszüntével a csőben is megszűnik a kisülés, így újra szigetelővé válik. A túlfeszültség védelme sokféle feszültségtartományba válhat szükségessé, így ezen csövek legjellemzőbb adata, hogy milyen feszültségen következik be a kisülés. Gyakoriak a 230V körüli típusok, de ezen érték felett több ezer voltig is találunk túlfeszültség-levezetőket. További fontos paraméterük a levezetett maximális átütési áram, a beglimmelés, a gyújtási feszültsége, saját kapacitásuk és a szigetelő ellenállásuk. Villanócsövek Villanócsövek kivitele és üzemi kapcsolása. a) villanócsövek kiviteli formája és fejbekötése; b) egyszerű fényképészeti villanócső-kapcsolás A villanócsövek többnyire fényképészeti célokra alkalmazott hidegkatódos xenongáz-töltésű csövek. Jellegzetességük a rendkívűl kicsi ionizációs feszültségük. A csőnek anódja, aktívált katódja és gyújtóeletródája van. Kisüléskor a gyújtóelektróda több kV-os feszültsége elektronokat és ionokat termel, ezáltal a gáz vezetőképessége megnövekszik és a villanócsőre kapcsolt kondenzátor töltése a csövön át lavinaszerűen kisül. A kisülés alatt nagy mennyiségű ion és elektron keletkezik, ezáltal a csőben levő és jól szigetelő xenonból alig néhány ohm ellenállású plazma képződik. A plazmában az ionok a katód, az elektronok pedig az anód felé repülnek. Ilyenkor a részecskék ütköznek, ami további ionizációhoz, illetve gerjesztéshez vezet. Gerjesztéskor az atomtörzshöz kötött elektronok magasabb energianívóra kerülnek, ezáltal az egész atom energiát vesz fel. Amint a leszakított elektronok visszatérnek az atomtörzshöz, illetve a gerjesztett elektronok visszaesnek alapállapotukba, a felvett energiájukat egyidejűleg látható fény alakjában kisugározzák. Ez a fény a xenongáz nyomásától függő, összefolyó sávos szinképű, amelynek színöszetétele hasonló a nap átlagos fényéhez. A plazmakisülés ezredmásodperces nagyságrendű időtartam alatt megy végbe, majd a xenonionok elektronjaikkal rekombinálódnak, a plazmaállapot megszűnik és a gáz a kisülés előtti állapotba kerül vissza. Ez a folyamat elvileg akárhányszor megismételhető, mert a xenon nem fogy el, és nem károsodik. A gázok - mint tudjuk - általában nem folytonos, hanem vonalas színképet mutatnak, azaz fényükben csak egyes kitüntetett hullámhosszak vannak képviselve. Nem túl kis gáznyomás esetén a diszkrét színképvonalak kiszélesednek és sávokká alakulnak át. Bizonyos nyomástól kezdve a sávok egybefolynak, és ilyenkor a villanócső fénye szilárd testekéhez hasonlóan mindenféle színt tartalmaz. Ezek együttese fehér szín benyomását kelti, és sugárzása a nap fényéhez hasonló, jól megközelíti az 5800K-es fekete test sugárzását, bár a kék színtartomány erősebb a Nap fényénél. A xenongázt megfelelő nyomáson (10-2 Torr) - esetleg egyéb gázokkal is keverve -, kvarcüveg csőbe forrasztják. A cső két végébe anódot és katódot kivezető elektródákat forrasztanak. A nagyfeszültségű gyújtóelektróda (huzal) a cső külső falán helyezkedik el. A cső alakja többféle lehet. Az egyenes, rúd alakú csöveken kívűl van U, V, W és kör alakú is. A villanócső hossza a kisütőfeszültségtől függ, nagyobb feszültségekhez hosszabb cső kell. Helykímélés céljából a túl hosszú csöveket gyakran spirál alakúra képezik ki. Különösen a tudományos munkákban, közeli tárgyak fényképezesékor célszerű, ha a megvillágítás minden oldalról egyenletes, árnyékmentes. Ilyen fényt adnak a gyűrű alakú villanócsövek. A villanócsövek jellemző értékét a csőben kisütött Ws értékben ([Ws] = W·s) adják meg. Az adott működtető feszültség és a megengedett Ws érték eléréséhez a szükséges kondenzátort a következő összefüggéssel lehet meghatározni: C = 2Ws / U2 µF. (Az U kV-ban) A kisülési csövet rendszerint plexiüvegből készült vékony búrába foglalják. Ez megvédi a szennyeződésektől, ujjlenyomatoktól és ugyanakkor áramütés ellen is véd. A villanócsövek élettartama szinte korlátlan; legalább 20000 villanást is kibírnak. Hasonló felépítésűek a stroboszkóp-célra szolgáló villanócsövek is. Egyéb, gáztöltésű cső: Gáztöltésű stabilizátor csövek. - gyűjtemény bemutatása. A Nixie cső - Működésük, alkalmazásuk pl. órának. Nixie csöves óra, 1kijelzős óra - V2.0 teljes dokumentáció, 1kijelzős óra. Nixie csöves óra - V3.0 tejles leírás, és egységcsomag. A Plazmapanel megjelenítők - Az önletapogató plazmapanel, és egy kivezérlésmérő alkalmazás. Plazma Bárgráf - HDD indikátor és kivezérlés mérő (IN-13). Geiger-Müller-féle számlálócső - digitális kijelzésű dózis mérő (SBM-20). Önfenntartó kisülésű csövek. (Higanygőz egyenírányítók, ignitron, szenditron) Izzókatódos gáztöltésű csövek. (gáztöltésű egyenírányítók, gazotron, tirátron)

Felhasznált irodalom:

[1] Dr. Szentiday Klára - Mészáros Sándor:	Információ és képmegjelenítő eszközök. (Budapest Marktech Kft. ISBN: 9632145674)
[2] Mészáros Sándor, Garai László:	Különleges elektroncsövek (Műszaki Könyvkiadó 1982)