氖燈對自供電式航太電子裝置有何助益

在約翰‧甘迺迪擔任美國總統期間的黯淡年代，我擔任一名電子技術員，負責製造航太應用的加速和高度感應裝置。這些裝置的獨特之處在於可由核電池自行供電。這種電池的原理是擷取氪 85 (Kr85)，也就是氪的放射性同位素，放射出的 β 粒子 (電子)。可想而知，可用的功率大約僅有幾分之一毫瓦。事實上，這些電池可產生大約 600 pA 的恆定電流。這些裝置使用的主動元件是常見的氖燈，例如 Interlight 公司目前還有供貨的老式 NE2 燈 WX-EGA2-0 (圖 1)。

圖 1：Interlight WX-EGA2-0 是 老式 NE-2 氖燈的現行版本，與自供電式航太安全裝置中當作主動壓敏開關的氖燈類似。(圖片來源：Interlight)

也有其他更現代化的元件，例如 Lumex Optical Components Inc. 的 GT-NE4H1125T 或 GT-NG6H1825T。

氖燈屬於壓敏裝置。施加低電壓時，基本上是熄滅的，因為通過的電流很小。在此模式下，這些燈對光線與靜電相對敏感，因此需封裝在金屬屏蔽罩中。隨著施加電壓增加，燈泡內部的氣體會發生電離，通過燈泡的電流會迅速增加讓燈泡開始發光。此時，整個燈泡的電壓幾乎恆定。如果電流不加限制，燈泡的電極之間會形成電弧，電流會迅速增加，裝置就會處於導通狀態。基於這些特性，氖燈可以當作開關或穩壓器。

為了展示工作原理，我們將以高度敏感型致動器為例說明 (圖 2)。

圖 2：自供電式 (核電池) 高度敏感型致動器可以使用氖燈作為主動元件。(圖片來源：Art Pini)

這種核電池由充滿 Kr85 的玻璃安瓿所組成。銅質填充管是電池陽極。兩個半球形銅質護套電鍍在安瓿的外側，構成雙陰極元件。隨著低海拔的空氣填充陰極之間的空隙，Kr85 釋放的輻射會讓空氣發生電離，有效地接起兩個半球。電容 C1 和 C2 由核電池充電。

氖燈，又稱冷陰極氣體二極管，有多種用途。D3 與其串聯電阻 R2 可構成穩壓器，在 C1 和 C2 上保持恆定電壓。隨著海拔高度增加，間隙中的空氣壓力會降低，直至間隙不導電為止。此時，穩壓器會與 C1 斷開。當穩壓器脫離電路時，電池的恆定電流輸出會將 C1 的電壓增加並進入電感 L1。產生的脈衝會施加至二極體 D2 的屏蔽罩上，使其導電。這會導致 C2 上儲存的電荷轉儲至輸出端子。此輸出可視需求讓繼電器通電，或引發爆炸性電爆。因此，氖燈可當作穩壓器和主動開關。

製造並測試這些超低功率的裝置具有相當難度。組裝和測試室都必須無塵且乾燥。所有表面都要用酒精清潔；指紋會引起短路。需採用鐵氟龍或玻璃介電質客製化的電容，且最小絕緣電阻應為 10¹⁵ Ω。主要的測量儀器為靜電伏特計和靜電計。

此外，在裝置密封之前所進行的大部分元件測試，都是在暗室紅光下進行。

結論

如前所述，電源排插上那不起眼的氖燈，遠比表面看起來更有用。還可當作穩壓器或故障開關，尤其適用於功率極低的應用。