Спиратрон как газоразрядный прибор¶

Спиратрон — газоразрядный ионный прибор, в котором электрический разряд используется для управления током в вакуумной или газонаполненной среде, а его работа основана на явлении спирального (вихревого) движения электронов или ионов в скрещённых электрическом и магнитном полях. Название происходит от греческого «спейра» (виток, спираль) и суффикса «-трон», традиционного для электровакуумных приборов. Спиратроны относятся к классу ионных приборов с холодным катодом и применялись преимущественно как быстродействующие переключающие элементы, выпрямители и датчики в схемах автоматики и радиотехники середины XX века.

¶История и происхождение

Развитие спиратронов связано с общим прогрессом газоразрядной электроники в 1920–1940-х годах. После создания тиратронов и других ионных приборов с сеточным управлением возникла потребность в элементах, способных работать при высоких напряжениях и обеспечивать резкое переключение тока. Идея использования магнитного поля для закручивания разряда в спираль позволила повысить эффективность управления ионизационными процессами.

В 1930-х годах в СССР и за рубежом велись работы по созданию газоразрядных приборов с магнитным управлением. Спиратроны как отдельный тип приборов оформились к 1940-м годам, когда были разработаны конструкции с коаксиальными электродами и аксиальным магнитным полем. В послевоенный период они нашли применение в устройствах релейной защиты, счётчиках импульсов и схемах формирования сигналов. С развитием полупроводниковой техники в 1960-х годах спиратроны, как и большинство ионных приборов, были постепенно вытеснены транзисторами и тиристорами.

¶Устройство и принцип работы

Типичный спиратрон представляет собой герметичный баллон, заполненный инертным газом (неоном, аргоном или их смесями) при пониженном давлении. Основные элементы конструкции:

• Катод — обычно холодный, эмитирующий электроны под действием сильного электрического поля или вторичной ионно-электронной эмиссии;
• Анод — электрод, к которому прикладывается высокое напряжение;
• Управляющие электроды — один или несколько, задающие условия зажигания разряда;
• Магнитная система — постоянный магнит или катушка, создающая аксиальное магнитное поле.

Принцип действия основан на взаимодействии заряженных частиц со скрещёнными электрическим и магнитным полями. Электроны, эмитируемые катодом, под действием поля движутся по спиральным траекториям, что увеличивает длину их пути и вероятность ионизации молекул газа. При достижении определённого напряжения возникает самостоятельный разряд, и прибор переходит в проводящее состояние. Магнитное поле позволяет управлять моментом зажигания и удерживать разряд в заданной области.

Ключевая особенность спиратрона — резкая нелинейность вольт-амперной характеристики: до момента зажигания ток крайне мал, после пробоя он возрастает скачкообразно. Это свойство делает прибор пригодным для коммутации и формирования импульсов.

¶Классификация

Спиратроны различают по нескольким признакам:

Отдельно выделяют так называемые спиратронные счётчики, в которых разряд последовательно перемещается между несколькими электродами, что позволяет подсчитывать импульсы. Такие приборы были предшественниками декатронов — многоэлектродных газоразрядных счётчиков.

¶Применение

В период активного использования (1940–1960-е годы) спиратроны применялись в следующих областях:

• Импульсная техника — формирование коротких импульсов большой амплитуды;
• Счётчики и делители частоты — регистрация числа событий, деление частоты следования импульсов;
• Релейная защита и автоматика — быстродействующая коммутация цепей;
• Индикация — визуальное отображение состояния схемы за счёт свечения разряда;
• Стабилизация напряжения — использование нелинейности характеристики для ограничения напряжения.

Благодаря способности работать при высоких напряжениях и устойчивости к перегрузкам спиратроны применялись в устройствах, где полупроводниковые элементы того времени были недостаточно надёжны.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам спиратронов относились:

• простота конструкции и отсутствие накала в приборах с холодным катодом;
• высокая стойкость к импульсным перегрузкам;
• резкая пороговая характеристика, удобная для коммутации;
• устойчивость к радиационному воздействию.

Недостатки:

• ограниченное быстродействие из-за инерционности газового разряда;
• разброс параметров зажигания между экземплярами;
• зависимость характеристик от температуры и внешних полей;
• сравнительно короткий срок службы из-за распыления электродов.

¶Место в истории электроники

Спиратроны принадлежат к обширному семейству газоразрядных ионных приборов, куда входят тиратроны, газотроны, декатроны, неоновые лампы и знаковые индикаторы. Их развитие стимулировало исследования в области физики газового разряда и магнитного управления плазмой. С появлением тиристоров и транзисторов, обладающих меньшими габаритами, большим быстродействием и сроком службы, промышленный выпуск спиратронов был прекращён. В настоящее время они представляют преимущественно исторический и учебный интерес, а отдельные образцы сохраняются в музеях и коллекциях электронной техники.