Глава 3. электровакуумные приборы 3.1. электронно-управляемые лампы

Электровакуумными приборами (ЭВП) на­зывают устройства, в которых электрический ток со­здается потоком электронов или ионов, движущихся в высоком вакууме или инертной газовой среде. ЭВП под­разделяются на электронно-управляемые лампы (ЭУЛ), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), газоразрядные при­боры (ГРП) и фотоэлектрические (фотоэлектронные) приборы.

В ЭУЛ электрический ток создается за счет движения в высоком вакууме (давление газа составляет всего 1,33 ( ) Па ( мм рт. ст.)) электро­нов от одного электрода к другим. Простейшей ЭУЛ является диод.

Диод.В диоде содержится всего два электрода: катод и анод. Катод является источником свободных электронов. Для выхода электронов из катода им необходимо со­общить дополнительную энергию, называемую работой выхода. Эту энергию электроны получают при нагрева­нии катода электрическим током. Испускание нагретым катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией.

Отрицательный пространственный заряд, образован­ный вылетевшими из катода электронами, создает у его поверхности электрическое поле, которое препятствует выходу электронов из катода, образуя на их пути по­тенциальный барьер.

На анод подается положительное относительно катода напряжение, которое уменьшает потенциальный барьер у поверхности катода. Электроны, энергия которых до­статочна для преодоления потенциального барьера, уходят из области пространственного заряда, попадают в ускоряющее электрическое поле анодного напряжения и движутся к аноду, создавая анодный ток. С увеличе­нием анодного напряжения увеличивается и анодный ток диода.

При отрицательном анодном напряжении потенциаль­ный барьер у поверхности катода увеличивается, энергия электронов оказывается недостаточной для его преодо­ления, и ток через диод не протекает. В этом заключается важная особенность диода — его односторонняя электри­ческая проводимость.

На рис. 3.1 показаны условные обозначения диодов и схемы их подключения к источнику анодного напря­жения.

Триод.В отличие от диода триод имеет три электрода: катод, анод и сетку (рис. 3.2, а, б). Сетка располагается

между катодом и анодом в непосредственной близости от катода. Если на сетку подать отрицательное напряже­ние (рис. 3.2, в), то потенциальный барьер у катода увели­чится, а анодный ток уменьшится. При некотором отри­цательном напряжении сетки, называемом напряжением запирания U_CK.зan, анодный ток уменьшится до нуля. Если же на сетку подать положительное напряжение (рис. 3.2, г), то образованное им электрическое поле между катодом и сеткой приведет к уменьшению потенциального барьера и увеличению анодного тока.

Ввиду того, что сетка расположена к катоду ближе, чем анод, поданное на нее напряжение влияет на потен­циальный барьер и анодный ток триода значительно силь­нее, чем такое же по значению анодное напряжение. Поэтому в триоде управление анодным током осущест­вляют изменением сеточного напряжения, а не анодного.

Основными характеристиками триода являются се­мейства статических анодно-сеточных (передаточных) характеристик , снятых при различных анодных напряжениях U_aк (рис. 3.3, а), и анодных (выходных) характеристик I_а = f(U_ак), снятых при различных напря­жениях сетки (рис. 3.3, б).

Недостатками триода являются большая проходная емкость (емкость между сеткой и анодом) и малый статический коэффициент усиления. Эти недостатки устра­няются введением в ЭУЛ второй сетки.

Тетрод. Это четырехэлектродная электронно-управляе­мая лампа, содержащая катод, анод и две сетки (рис. 3.4, а). Первая сетка, расположенная вблизи катода, используется, как и в триоде, для управления анодным током и называется управляющей. Вторая сетка, рас­полагаемая между первой сеткой и анодом, является своеобразным экраном между этими электродами. В ре­зультате экранирующего действия второй сетки значи­тельно уменьшается проходная емкость лампы и влияние анодного напряжения на

Потенциальный барьер у поверхности катода. Поэтому для создания направленного движения электронов от катода к аноду на вторую сетку, называемую экранирующей, подают положительное напряжение U_c2k, которое равно или несколько меньше, чем анодное. При этом часть электронов попадает на экранирующую сетку и создает ток I_с2 этой сетки.

Электроны, попадающие на анод, выбивают из него вторичные электроны. При (а такие случаи имеют место при работе тетрода) вторичные электроны притягиваются экранирующей сеткой, что приводит к уве­личению тока экранирующей сетки и уменьшению анод­ного тока. Это явление называют динатронным эффектом. Для устранения динатронного эфекта, огра­ничивающего рабочую область ЭУЛ, между анодом и экранирующей сеткой создают потенциальный барьер для вторичных электронов. Такой барьер образуется при увеличении плотности электронного потока за счет его фокусировки в лучевых тетродах (рис. 3.4, б) или при введении между экранирующей сеткой и анодом третьей сетки, имеющей, как правило, нулевой потенциал.

Пентод. Пятиэлектродную ЭУЛ называют пентодом (рис. 3.4, я). Нулевой потенциал третьей сетки, которая называется антидинатронной пли защитной, обеспечи­вается за счет электрического соединения ее с катодом.

Основными характеристиками тетродов и пентодов являются семейства статических анодных (выходных) при и сеточно-анодных при характеристик, которые снимаются при постоянном напряжении U_c2к и строятся на одном графике (рис. 3.5).

Лампы, содержащие более трех сеток, называют многосеточными. В одном баллоне может распола­гаться не одна электродная система, а две и более. Такие ЭУЛ называются комбинированными (двойные диоды, триоды, тетроды и пентоды; триод-пентоды и т. п.).

Параметрами, характеризующими усилительные свой­ства ЭУЛ, яляются:

крутизна анодно-сеточной характеристики

внутреннее (дифференциальное) сопротивление

статический коэффициент усиления

Параметры S, и , называемые дифференциальными, связаны между собой соотношением .

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) на­зывают электронные электровакуумные приборы, в кото­рых используется сконцентрированный в виде луча поток электронов. Эти приборы имеют форму трубки, вытя­нутой в направлении движения луча. Основными элемен­тами ЭЛТ являются стеклянный баллон, или колба, элект­ронный прожектор, отклоняющая система и экран (рис. 3.6).

Баллон 7 служит для поддержания в ЭЛТ необходи­мого вакуума и защиты электродов от механических и

климатических воздействий. Часть внутренней поверх­ности баллона покрывают графитовой пленкой 8, назы­ваемой аквадагом. На аквадаг подают положительное относительно катода напряжение.

Электронный прожектор предназначен для создания сфокусированного электронного потока (луча) с требуе­мой плотностью тока. Он состоит из термоэлектронного катода 2, внутри которого находится подогреватель 1, управляющего электрода 3, называемого модулятором, первого 4 и второго 5 анодов. Модулятор и аноды выпол­нены в виде полых цилиндров, соосных с цилиндрическим катодом.

Модулятор подключается к источнику отрицательного напряжения, регулируемого в пределах от нуля до не­скольких десятков вольт. На аноды подаются положитель­ные напряжения: несколько сотен вольт на первый и не­сколько киловольт — на второй.

Между модулятором и первым анодом образуется неоднородное электрическое поле, которое фокусирует все электроны, вылетевшие из катода и прошедшие через отверстие модулятора, в некоторой точке на оси ЭЛТ в полости первого анода. Такое электрическое поле на­зывают электростатической линзой.

Между первым и вторым анодами образуется вторая электростатическая линза. В отличие от первой, коротко­фокусной, она является длиннофокусной: ее фокус распо­лагается на оси ЭЛТ в плоскости экрана 9.

Изменение напряжения модулятора приводит к изме­нению числа электронов, способных преодолеть потен­циальный барьер у катода и попадающих в ускоряющее электрическое поле первого анода. Следовательно, на­пряжение модулятора определяет плотность электронного луча и яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Фокусировка луча на экране ЭЛТ достигается измене­нием неоднородного электрического поля второй электро­статической линзы путем изменения напряжения первого анода.

Отклоняющая система служит для направления сфо­кусированного электронного луча в любую точку экрана. Это достигается воздействием на электронный луч по­перечного электрического или магнитного поля.

При отклонении электронного луча электрическим полем (электростатическое отклонение) отклоняющие на­пряжения подводятся к двум расположенным взаимно перпендикулярно парам параллельных пластин 6. Элект­ронный луч, проходя между пластинами, отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Пластины, электрическое поле между которыми отклоняет электрон­ный луч в горизонтальном направлении, называют гори­зонтально-отклоняющими или X-пластинами, а в верти­кальном — вертикально-отклоняющими или Y-пластинами.

Основным параметром электростатической отклоняю­щей системы является чувствительность к отклонению S,, определяемая как отношение отклонения светящегося пятна на экране ЭЛТ к отклоняющему напряжению. Для современных ЭЛТ S_Э = 0,1 ...3 мм/В.

Наряду с электростатическим применяется и магнит­ное отклонение электронного луча. Отклоняющее магнит­ное поле создается током, проходящим через две пары расположенных взаимно перпендикулярно на горловине ЭЛТ катушек.

Экраны 9 электронно-лучевых трубок, используемых для преобразования электрических сигналов в световые, покрыты специальным составом — люминофором, кото­рый светится при попадании на него сфокусированного потока электронов. В качестве люминофоров используются сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка (виллемит), вольфраматы кальция и кадмия. Такие экраны называются люминесцентными.

На свечение люминофора затрачивается лишь часть энергии электронного луча. Остальная энергия луча пере­дается электронам экрана и вызывает вторичную элект­ронную эмиссию с поверхности экрана. Вторичные элект­роны притягиваются аквадагом, который обычно электри­чески соединяется со вторым анодом.

Экраны ЭЛТ, применяемых для получения цветного изображения, содержат зерна люминофоров с синим, красным и зеленым свечениями — триады, расположенные в определенном порядке. В горловине трубки находятся три автономных электронных прожектора. Они располо­жены таким образом, что их электронные лучи пересе­каются на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей устанавливается теневая маска, в ко­торой имеется большое количество отверстий. После про­хождения через отверстия в маске каждый из электрон­ных лучей попадает на свой элемент триады (рис. 3.7).

Вследствие смешивания трех цветов различной яркости получается свечение требуемого цвета.

Кроме люминесцентных, бывают диэлектрические экраны. Электронный луч, перемещаясь по такому экрану, создает на его участках различные заряды, т. е. своеоб­разный потенциальный рельеф, который может сохра­няться длительное время. Диэлектрические экраны при­меняются в запоминающих ЭЛТ, получивших название потенциалоскопы.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия газоразрядных приборов (ГРП) основан на электрических явлениях, происходящих в га­зовой среде.

Баллоны ГРП наполняются инертными газами (нео­ном, аргоном, гелием и др.), их смесями, водородом или парами ртути. В обычных условиях большинство атомов и молекул газа являются электрически нейтральными и газ является хорошим диэлектриком. Повышение темпе­ратуры, воздействие сильных электрических полей или частиц с высокими энергиями вызывает ионизацию газа. Ионизация газа, возникающая при соударении быстролетящих электронов с нейтральными атомами газа, называется ударной. Она сопровождается появле­нием свободных электронов и положительных ионов, что приводит к значительному увеличению электропровод­ности газа. Сильно ионизированный газ называют элект­ронно-ионной плазмой или просто плазмой.

Наряду с процессом ионизации газа существует и обратный процесс, называемый рекомбинацией. Так как энергия электрона и положительного иона в сумме больше, чем энергия нейтрального атома, то при рекомби­нации происходит выделение части энергии, которое со­провождается свечением газа.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе. Вольт-ампер­ная характеристика газоразрядного промежутка приве­дена на рис. 3.8.

При напряжении U₃, называемом напряжением зажи­гания, ионизация газа приобретает лавинообразный ха­рактер. Сопротивление газоразрядного промежутка анод — катод резко уменьшается, и в ГРП возникает тлеющий разряд (участок CD). Напряжение горения U_r, поддерживающее тлеющий разряд, несколько меньше, чем напряжение зажигания. При тлеющем разряде по­ложительные ионы движутся к катоду и, ударяясь о его поверхность, увеличивают число вылетающих из него электронов за счет нагревания и вторич-

ной электронной эмиссии. Поскольку внешний ионизатор при этом не тре­буется, тлеющий разряд называется самостоятельным в отличие от разряда на участке АВ, который требует для своего появления внешнего ионизатора (космического з­лучения, термоэлектронной эмиссии и т. д.) и называется несамостоятельным. При значи­тельном увеличении тока в ГРП возникает дуговой разряд (уча­сток EF). Если дуговой разряд поддерживается термоэлект­ронной эмиссией катода за счет его нагрева ударяющимися о поверхность положительными ионами, разряд называют само­стоятельным. Если же термоэлектронная эмиссия катода создается его нагревом от внешнего источника напряжения, то дуговой разряд на­зывают несамостоятельным.

Тлеющий разряд, сопровождающийся свечением газа, используется в неоновых лампах, газоразрядных знако­вых и линейных индикаторах, стабилитронах и некоторых других ГРП.

Газоразрядные индикаторы.Знаковые газоразрядные индикаторы состоят из газонаполненного баллона, десяти катодов н одного общего анода. Катоды имеют форму цифр, букв или других знаков. К аноду и одному из като­дов через ограничительный резистор подается напряже­ние. Между этими электродами возникает тлеющий раз­ряд, который имеет форму катода. Коммутируя различ­ные катоды, можно высвечивать различные знаки. Более универсальными являются сегментные знаковые индика­торы. Так, сегментный индикатор тлеющего разряда ИН-23, состоящий из 13 сегментов, позволяет при соот­ветствующей коммутации катодов-сегментов высветить любую цифру от 0 до 9, букву русского или латинского алфавита.

Линейные газоразрядные индикаторы (ЛГИ) отобра­жают информацию о напряжении или токе в цепи в виде светящихся точек или линий. Положение точки и длина линии пропорциональны напряжению или току в цепи. Электродная система ЛГИ имеет удлиненную цилиндри­ческую форму.

Газоразрядный стабилитрон.Стабилитрон (рис. 3.9, а) имеет два электрода — катод 1, выполненный в виде полого цилиндра, и анод 3 в виде тонкого стержня, рас­положенного по осп катода. Для уменьшения напряжения зажигания с внутренней стороны катода привари­вается небольшой штырек 2, называемый поджигающим электродом

Работа стабилитрона тлеющего разряда основана на поддержании на его электродах почти постоянного напря­жения горения при изменении протекающего через стаби­литрон тока в значительных пределах (участок CD на рис. 3.8).

Стабилитроны применяются для стабилизации напря­жения в цепях постоянного тока.

Тиратрон.Более сложным ГРП является тиратрон. Он содержит катод, анод и один или несколько управ­ляющих электродов, называемых сетками. Тиратрон мо­жет находиться в двух устойчивых состояниях: непрово­дящем и проводящем. На рис. 3.9, б показано устройство тиратрона с холодным катодом типа МТХ-90. Тиратрон состоит из цилиндрического катода 1, стержневого метал­лического анода 2 и металлической сетки 3, выполненной в виде шайбы. При подаче на сетку небольшого положи­тельного относительно катода напряжения между сеткой и катодом возникает вспомогательный «тихий» разряд. При подаче на анод положительного напряжения разряд переносится на анод. Чем больше ток вспомогательного разряда в цепи сетки, тем меньше напряжение зажигания тиратрона. После возникновения разряда между катодом и анодом изменение напряжения сетки не влияет на силу тока тиратрона, и прекратить ток через тиратрон можно уменьшением анодного напряжения до значения, меньшего напряжения горения.

Тиратроны тлеющего разряда потребляют очень малую энергию, работают в большом интервале температур, не чувствительны к кратковременным перегрузкам, готовы к мгновенному действию. Благодаря этим качествам они применяются в импульсных устройствах, генераторах, не­которых узлах счетно-решающих устройств, в релейной аппаратуре, устройствах индикации и др.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

К электровакуумным и газоразрядным фотоэлектри­ческим приборам относятся фотоэлементы и фотоумно­жители, принцип работы которых основан на использо­вании внешнего фотоэффекта.

Фотоэлемент (рис. 3.10) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (электровакуумный фотоэле

мент) или которая заполнена инертным газом (газоразрядный фотоэлемент) Он состоит из анода и фотокатода Фотокатодом является внутренняя по­верхность колбы 3 (за исключением небольшого участка — окна 1), покры­тая слоем серебра, поверх которого на­несен слой оксида цезия. Анод 4 выпол­нен в виде кольца, чтобы не создавать препятствия световому потоку. Анод и катод снабжены выводами 6, прохо­дящими через пластмассовый держа­тель 5 колбы.

При освещении фотокатода свето­вым потоком из него выбиваются элект­роны. Если на анод подано положитель­ное относительно катода напряжение, выбитые из фотокатода электроны будут притягиваться к аноду, создавая в его цепи фототок I_ф. Зависимость фототока от светового потока Ф называется световой ха-

рак­теристикой фотоэлемента. Фототок зависит также от на­пряжения U, приложенного между фотокатодом и анодом. Эту зависимость называют анодной ВАХ. В ней имеется ярко выраженный участок насыщения, на котором фототок мало зависит от анодного напряжения (рис. 3.11, а)

У газоразрядных фотоэлементов увеличение напряжения U вызывает ионизацию газа и рост фототока (рис. 3.11, б).

Вследствие малого значения фототока (до нескольких десятков микроампер у вакуумных фотоэлементов и не­скольких единиц микроампер у газоразрядных фотоэле­ментов) фотоэлементы обычно используются с ламповыми или транзисторными усилителями.

Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют ЭВП, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается за счет вторичной электронной эмиссии. В стеклянном баллоне ФЭУ (рис 3.12), в котором под­держивается высокий вакуум, кроме фотокатода К и анода А имеются дополнительные электроды, являющиеся эмит­терами вторичных электронов и называемые динодами. Число динодов в ФЭУ может достигать 14. На диноды по­даются положительные напряжения, причем по мере удаления от фотокатода значения напряжений динодов возрастают. Напряжение между соседними динодами составляет около 100 В. При освещении фотокатода с его поверхности вылетают электроны, которые ускоряются электрическим удаления полем первого

динода и попадают на пер­вый динод, выбивая из него вторичные электроны. Число последних в несколько раз превышает число электронов, вылетевших из фотокатода. Под действием электрического поля между первым и вторым динодами электроны, выле­тевшие из первого динода, попадают на второй динод D2, выбивая из него вторичные электроны. Число вторичных электронов, выбитых из динода D2, в несколько раз больше числа попавших на него электронов. Таким об­разом, увеличение числа вторичных электронов происхо­дит на каждом диноде. Следовательно, в ФЭУ происходит многократное усиление фототока катода, что позволяет применять их для измерения очень малых световых по­токов. Выходной ток ФЭУ достигает нескольких десятков миллиампер.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните принцип управления анодным током в ЭУЛ с помощью напряжения управляющей сетки.

2. Назовите основные части ЭЛТ с электростатическим управле­нием лучом и поясните их назначение.

3. Назовите основные тины газоразрядных приборов и области
их применения.

4. Дайте краткую характеристику внешнего фотоэффекта. Каким
образом это явление используется в фотоэлементах и фотоумножителях?