Общая характеристика. режимы работы
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра телевидения и управления (ТУ)
В.Ф. Коновалов
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
Учебное пособие
Введение
Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения студентами специальностей 201400 «Аудиовизуальная техника», 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 230700 «Сервис электронных систем безопасности» раздела курса «Электроника» «Приборы вакуумной электроники», вынесенного на самостоятельную проработку.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический баллон, в который заключена система электродов (рис. 1.1). Электрический ток в лампе создается потоком свободных электронов, испускаемых катодом. Помимо катода, в лампе имеется анод, который принимает электроны. В лампах с числом электродов три и более между катодом и анодом помещают одну или несколько сеток. Током управляют с помощью электрического поля, создаваемого напряжениями, приложенными между электродами лампы. Из баллона лампы частично удален воздух. Разрежение остаточного газа внутри баллона устанавливается равным 10-6 мм. рт. столба или менее. При таком давлении в приборе среднестатистическая длина свободного пробега электрона получается большей, чем расстояние между электродами. Это означает, что вероятность столкновения электрона с молекулами остаточного газа в пределах междуэлектродного - промежутка мала и ионизация газа отсутствует. Ток в лампе будет чисто электронным. В процессе эксплуатации давление внутри прибора может повыситься из-за выделения газа электродами лампы или в результате просачивания воздуха через спаи баллона . Для поддержания вакуума на заданном уровне внутрь баллона вводят газопоглотитель. Он связывает остаточный газ и стабилизирует давление внутри прибора в течение гарантированного срока службы.
Электронные лампы работают в условиях электрических, механических и климатических внешних воздействий. В соответствии с этим различают электрические, механические и климатические режимы работы ламп и вообще электронных приборов. Условия режима определяются его параметрами. Для электрического режима параметрами, например, являются токи электродов и напряжения между ними, а также частота приложенного напряжения; для механического режима параметрами могут быть ускорение и интенсивность вибраций и ударов; для климатического режима — соответственно давление, влажность и температура окружающей среды.
Специальными стандартами или техническими условиями устанавливаются номинальный и предельный режимы работы электронных приборов. Номинальный режим характеризует условия работы, на которые рассчитана данная лампа. Предельный режим определяет максимально или минимально допустимые параметры лампы.
К электродам ламп, работающих в радиотехнических устройствах, можно подключать источники как постоянных, так и переменных напряжений. Условия работы лампы существенным образом зависят от частоты переменного напряжения. В связи с этим различают три вида "электрического режима: статический, динамический и квазистатический. Если напряжения на электродах лампы постоянны, режим работы называют статическим. В этом случае все параметры режима остаются неизменными. Режим, при котором хотя бы один из параметров меняется во времени, называется динамическим. Если параметры меняются настолько медленно, что режим работы лампы в любой момент времени несущественно отличается от статического, и для лампы остаются справедливыми с определенной степенью точности законы статического режима, то такой режим называется квазистатическим. В динамическом режиме связи между параметрами, характерные для статического режима, нарушаются.
Динамический режим не следует отождествлять с режимом нагрузки или рабочим режимом, когда в цепь одного из электродов лампы включают резисторы, колебательные контуры и другие элементы, которые называют нагрузкой. Существо определения статического, квазистатического и динамического режимов не зависит от того, включена нагрузка или нет. Различие в режимах обусловлено физическими законами протекания тока между электродами при изменении частоты приложенного напряжения. В статическом режиме электрон пролетает рабочее пространство лампы при строго постоянных напряжениях на электродах. В квазистатическом режиме один из параметров, например, напряжение, за время пролета электрона изменяется настолько мало, что этим изменением можно пренебречь. Тогда можно считать, что электрон пролетел рабочее пространство при почти неизменном напряжении, и в этом отношении квазистатический режим несущественно отличается от статического. В динамическом режиме за время пролета электрона напряжение, приложенное к электродам, может измениться существенно. Это повлияет на величину и характер тока между электродами. Динамический режим имеет место в приборах, работающих на сверхвысоких частотах.
ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Для работы электронной лампы необходимо наличие электронов в междуэлектродном промежутке. Процесс выхода электронов из твердых или жидких тел называется электронной эмиссией. Причиной эмиссии могут быть нагрев тела, световое излучение, приложение электрического поля, бомбардировка тела заряженными частицами. В соответствии с характером воздействия на тело различают следующие виды электронной эмиссии:
–термоэлектронная эмиссия, обусловленная нагревом тела, испускающего электроны;
–вторичная электронная эмиссия (сокращенно вторичная эмиссия), обусловленная исключительно поглощением энергии падающих на эмигрирующую поверхность электронов;
–электростатическая (автоэлектронная) эмиссия, обусловленная наличием у поверхности тела сильного электрического поля;
–фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием светового излучения, поглощенного телом.
В электронной лампе электроны, необходимые для ее работы, возникают в результате термоэлектронной эмиссии. Работе лампы также сопутствует вторичная эмиссия. Остальные виды эмиссии либо отсутствуют вовсе, либо проявляются несущественно.
Термоэлектронная эмиссия
Для получения нужного количества электронов катоду сообщают тепловую энергию путем нагрева его до определенной температуры. Эта энергия затрачивается на преодоление сил, препятствующих выходу электрона из катода, и называется работой выхода.
Согласно выводам, полученным Ферми и Дираком, распределение электронов по энергетическим уровням внутри металла выражается дифференциальной кривой распределения энергии. Кривая, построенная на основании формулы
(1.1)
приведена на рис. 1.2. Здесь – число электронов в 1 см3 металла, имеющих при абсолютной температуре энергию в интервале ; – постоянный коэффициент; – постоянная Больцмана; – уровень Ферми – максимальное значение энергии электронов в металле при температуре абсолютного нуля .
На рис. 1.2 сплошной кривой показано распределение электронов по энергетическим уровням при температуре абсолютного нуля. При этой температуре внутри металла имеются электроны с энергиями от нуля до максимальной . Значение называют внутренней работой выхода. Пусть полная работа выхода электрона равна . Тогда при разогреве металла до температуры распределение электронов по энергетическим уровням изменится и в соответствии с выражением (1.1) будет графически выражаться пунктирной линией. При этом количество электронов с энергиями, равными и меньшими , уменьшится, но появится значительное количество электронов с энергиями, большими и . Последние и образуют эмиссионный ток.
Разность энергий называется внешней работой выхода или просто работой выхода. Это значение энергии определяет необходимую температуру нагрева катода. Электроны, покидая катод, оставляют его заряженным положительно (рис. 1.3) с величиной заряда . Положительный заряд ионизированного атома в соответствии с принципом зеркального отображения располагают по нормали к линии раздела катод – вакуум на таком же расстоянии, как и электрон. Электрон и положительный заряд движутся в разные стороны. Взаимодействие между ними определяется законом Кулона. Кулонова сила будет постоянной и наибольшей на междуатомном расстоянии, а затем будет ослабляться обратно пропорционально квадрату расстояния. Можно считать, что энергия выхода расходуется на преодоление потенциального барьера , а работа – на преодоление потенциального барьера . Потенциальный барьер объясняется наличием у катода облака электронов, образующих поверхностный пространственный заряд.
Количественная оценка эмиссионного тока для металлических катодов дана Дэшманом, который рассматривал термоэлектронную эмиссию как процесс испарения электронов с поверхности металла и использовал в своих выводах классические законы термодинамики. Проверка его вывода на основании статистики Ферми дает близкие, подтверждающие результаты.
Формула Дэшмана для плотности эмиссионного тока имеет следующий вид:
, (1.2)
где — плотность эмиссионного тока; — постоянная, зависящая от типа металла и его химической чистоты; — работа выхода, — постоянная Больцмана.
На рис. 1.4 изображена теоретическая эмиссионная характеристика, построенная для вольфрамового катода ( ; ). Она показывает изменение плотности тока эмиссии в зависимости от температуры катода. При температурах, меньших 2000К, ток эмиссии пренебрежимо мал, а после 2000К он резко возрастает. При T = 2500К можно получить удельную эмиссию порядка 0,5 А с одного квадратного сантиметра поверхности.
Теоретическая эмиссионная характеристика дает представление о максимальном отборе тока с поверхности катода без учета влияния электрического поля в междуэлектродном пространстве.
Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию ранее в расчет не принималось. Однако такое поле увеличивает электронную эмиссию. Увеличение термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля, приложенного к катоду, называется эффектом Шоттки. Сущность этого эффекта поясняется рис. 1.5, на котором кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой , где – потенциал, соответствующий полной работе выхода , а линия 2 – внешнее ускоряющее поле, приложенное к катоду. Если алгебраически сложить ординаты кривой 1 и линии 2, то получим результирующую кривую 3.
Из нее видно, что следовательно, и . Таким образом, приложение внешнего ускоряющего поля уменьшает работу выхода и, значит, при неизменной температуре ток термоэлектронной эмиссии возрастает.