氖灯是如何助力自供电式航天电子设备的

作者： Art Pini

回到那个昏暗的年代，当约翰·肯尼迪担任美国总统时，我作为一名电子技术员制造用于航空航天的加速和高度检测装置。这些装置的独特之处在于它们是依靠核电池自行供电的。这种电池基于捕捉氪 85 (Kr85) 发射的 β 粒子（电子）——氪的放射性同位素。你能够想象到，可用功率是几分之一毫瓦。事实上，这些电池将产生大约 600 pA 的恒定电流。这些设备中使用的有源元件是非常普遍的氖灯——现由 Interlight 提供的 WX-EGA2-0，类似历史久远的 NE2 灯（图 1）。

图 1：老旧的 NE-2 氖灯现已变成了 Interlight WX-EGA2-0，类似于在自供电航空安全设备中用作有源电压敏感型开关的氖灯。（图片来源：Interlight）

更现代的设备是 Lumex Optical Components Inc. 提供的 GT-NE4H1125T 或者 GT-NG6H1825T。

氖灯是对电压敏感的设备。在低电压下，氖灯基本是熄灭的，只有很小的电流流过。这种模式下，这种灯对光和静电有些敏感，所以被封闭在金属屏蔽罩中。随着所施加电压的增大，灯内的气体发生离子化，此时流经灯的电流迅速增大并开始发光。此时，灯上的电压近似稳定。如果电流不受限，灯会在其电极之间产生电弧，电流迅速增大，设备处于开启状态。由于这些特性，氖灯可用作开关或稳压器。

让我们以对海拔高度敏感的执行器为例说明这一点（图 2）。

图 2：一个自供电（核电池）的高度敏感执行器可以使用氖灯作为有源设备。（图片来源：Art Pini）

核电池由充满 Kr85 的玻璃安瓿组成。铜填充管是核电池的阳极。玻璃安瓿外部是两个半球形的电镀铜套。这些部件形成了一个双阴极元件。低海拔时空气充满了阴极之间的间隙，来自 Kr85 的辐射使空气电离，将两个半球有效地连接在一起。电容器 C1 和 C2 由核电池充电。

我们将氖灯称作冷阴极气体二极管，它有几个用途。D3 与其串联电阻 R2 起构成一个稳压器，可使 C1 和 C2 上的电压保持恒定。随着海拔的升高，间隙中的的气压降低，直至间隙变得不导电。此时，稳压器从 C1 断开。随着稳压器脱离电路，电池的恒流输出使得从 C1 进入电感 L1 的电压升高。由此产生的脉冲被施加到二极管 D2 的屏蔽层上，使其导通。这就把 C2 上储存的电荷倾泻到输出端。输出端可以根据需要给继电器通电或激发电爆。因此，氖灯作为稳压器和有源开关运行。

制造和测试这些功耗极低的设备是一个相当大的挑战。组装和测试室必须保持干净、干燥。所有的表面都需要用酒精清洗；即便一个指纹也能形成短路。电容器是定制的，使用特氟隆或玻璃电介质，其最小绝缘电阻为 1015 Ω。关键测量仪器是静电电压计和静电计。

需要指出的是，在设备密封之前所做的大部分设备测试都是在红色的暗室灯下进行的。

结语

正如我们讨论的那样，插线板上的氖灯看起来不起眼，但其能力比看上去要强大得多。氖灯还可用作稳压器或击穿开关，这在功率极低的应用中特别有用。