Вакуумные приборы физика кратко

Обновлено: 03.07.2024

Вакуумный диод состоит из катода К в виде тонкой прямой нити и анода А, часто представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр (рис 1.1). Катод и анод впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум.

При неизменном токе накала, т.е. при неизменной температуре катода, сила анодного тока зависит от анодного напряжения. При постепенном повышении анодного напряжения сила анодного тока Iа растет (рис. 1.2) до определенного значения Iн, после чего она остается неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напряжения.

Наибольший ток, возможный при данной температуре катода, называют током насыщения.

График (рис. 1.2) называют вольтамперной характеристикой диода.

Пояснение к графику. При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком, который отталкивает вылетающие из катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному числу электронов удается долететь до анода; поэтому при Uа = 0 сила анодного тока Iа немногим больше нуля. Для того чтобы Iа = 0, нужно приложить к аноду небольшое отрицательное напряжение. Поэтому вольт-амперная характеристика диода начинается немного левее начала координат.

С увеличением положительного анодного напряжения увеличивается число электронов, переносимых на анод, и электронное облако около катода постепенно уменьшается. Когда оно полностью исчезает, т. е. когда все термоэлектроны, вылетающие из катода, достигают анода, сила анодного тока перестает расти и он становится током насыщения.

Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих за 1 с. из катода, т. е. нужно повысить температуру катода, усилив ток накала. На рис. 1.3 приведены вольт-амперные характеристики диода при различных температурах катода, причем T1

Рассмотренный выше катод прямого накала не пригоден при нагреве катода переменным током, так как в этом случае возникают колебания анодного тока, вызванные небольшими периодическими изменениями температуры нити катода. От этого недостатка свободен диод с катодом косвенного накала (подогревным). Его условное обозначение дано на рис. 1.4. Подогревной катод состоит из керамической трубочки, внутри которой помещен проводник-нагреватель, питаемый переменным током. На трубочку надет массивный никелевый цилиндрик, испускающий при нагревании электроны. Он покрыт оксидным слоем, уменьшающим работу выхода электрона. Достаточно большая масса катода обеспечивает постоянство его температуры. В настоящее время катоды косвенного накала применяют и в других электронных лампах.

Двухэлектродная электронная лампа пропускает ток только в одном направлении. Поэтому ее используют в качестве выпрямителя переменного тока. Диод, действующий как выпрямитель, называют кенотроном.

Через кенотрон ток протекает лишь в течение одной половины периода переменного тока, когда в диоде он направлен от анода к катоду. На рис. 1.5 приведен график выпрямленного тока: по оси абсцисс отложено время, по оси ординат — сила тока. Такой ток называют однополупериодным пульсирующим.

Если в цепь включить два кенотрона или кенотрон с двумя анодами, то можно использовать оба полупериода переменного тока. Изменение силы двухполупериодного выпрямленного тока со временем показано на рис. 1.6.

Вакуумный триод.

Трехэлектродная лампа, или триод, содержит кроме катода и анода еще третий электрод — управляющую сетку. Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку C, окружающую прямолинейный катод. Ось цилиндрического анода совпадает с осью катода и сетки (рис. 2.1). Условное изображение триода и принцип его включения для усиления анодного тока показаны на рис. 2.2. Здесь А—анод лампы; К—ее катод; С—сетка; БА—анодная батарея; БС — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и катодом; R — потребитель тока.

Сетка расположена ближе к катоду, чем анод, и на пути катод — сетка на электроны действует суммарное поле: созданное между анодом и катодом и создаваемое между сеткой и катодом. Во время работы лампы лишь часть электронов попадает на сетку и движется к катоду по внешней цепи, образуя сеточный ток.

Электронная пушка.

Электронно-лучевая трубка.

Схема устройства электроннолучевой трубки представлена на рис. 4.1. В ее узкий конец вмонтирована электронная пушка П, состоящая из термокатода К, анода А и нескольких металлических колец. Электроны вылетают из катода, нагреваемого электрическим током, а электрическое поле металлических колец (фокусирующего устройства) сводит их в узкий пучок—электронный луч. Широкое дно Э электроннолучевой трубки покрыто слоем флуоресцирующего вещества и служит экраном. Под действием ударов попадающих на него электронов экран светится, и в том месте, куда попадает электронный луч, появляется обычно зеленое светлое пятнышко F.

Между электронной пушкой и экраном помещены управляющие электроды, образующие два конденсатора: C1 и С2. Электрические поля заряженных конденсаторов взаимно перпендикулярны. Поле конденсатора С1 отклоняет луч в горизонтальном направлении, поле конденсатора С2 — в вертикальном. Изменяя напряжение на пластинах каждого из конденсаторов, можно отклонить электронный луч в любом направлении так, что пятнышко возникает на экране на различных расстояниях от его центра. В центр экрана электроны попадают, когда конденсаторы не заряжены.

В некоторых типах электроннолучевых трубок отклонение электронного пучка производится магнитным полем. При этом вместо отклоняющих пластин действуют две взаимно перпендикулярные пары катушек, расположенные снаружи трубки. Каждая пара катушек создает перпендикулярное лучу магнитное поле.

Электроннолучевые трубки имеют огромное практическое значение. Их применяют в радиолокационных установках, телевизорах, электронных микроскопах и других приборах. Без электронного осциллографа не обходится ни одна физическая лаборатория, им широко пользуются в медицине, биологии и т. д. Электронная пушка работает в современной рентгеновской трубке, в электронном микроскопе. Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело, используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме.

Электронный осциллограф.

Рентгеновская трубка.

Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми электронами. Для получения интенсивного пучка этих лучей Рентген (в 1895 г. открыл эти лучи) построил специальную трубку, состоящую из хорошо откачанного стеклянного шара (рис. 6.1), в который впаяны три металлических электрода: катод К в виде сферической чашечки, анод А и антикатод АК. Электроны, вылетающие нормально к поверхности катода, попадают в его центр кривизны С, лежащий на антикатоде, изготовленном из тугоплавкого металла. Антикатод установлен под углом 45° к катоду для наиболее удобного использования выходящих из него рентгеновских лучей. Накапливание на антикатоде отрицательного электрического заряда могло бы привести к прекращению работы трубки, поэтому он соединен с анодом.

В современных рентгеновских трубках (рис. 6.2) роль катода выполняет электронная пушка — вольфрамовая спираль, нагреваемая током и служащая источником свободных электронов. Фокусировка электронного пучка производится цилиндром Ц.. Антикатод трубки является одновременно анодом. Такие трубки работают устойчивее, чем первая модель.

На рентгеновскую трубку любой конструкции подается напряжение в несколько десятков киловольт.

Рентгеновские лучи широко используют в медицине, технике и научных исследованиях. Приведем несколько примеров. При помощи рентгеновских лучей можно получить на флуоресцирующем экране или на фотографической пленке изображение не только костей, но и внутренних органов человека (например, желудка). Облучение этими лучами применяют при лечении злокачественных опухолей. С помощью рентгеновских лучей обнаруживают изъяны в литых металлических изделиях — раковины или трещины становятся видимыми на флуоресцирующем экране в виде светлых пятен на тени от изделия. Большую роль играют рентгеновские лучи при изучении строения кристаллов.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

ЭОП – это вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное с помощью фотокатода, а затем электронного изображения в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП (рис. 7.1) изображение объекта А проецируется с помощью объектива О на фотокатод Ф (при использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно). Излучение от объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разных участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и экраном, фокусируются электронной линзой (ФЭ — фокусирующий электрод) и бомбардируют экран Э., вызывая его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта. Различают ЭОП одно- и многокамерные (каскадные); последние представляют собой последовательное соединение двух или более однокамерных ЭОП.

В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электронночувствительных элементов (в количестве 10— 100), установленной вместо люминесцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, астрономии, телевидении, для преобразования УЗ изображения в видимое. Современные многокамерные ЭОП позволяют регистрировать на фотоэмульсии световые вспышки (сцинцилляции) от одного электрона, испускаемого входным фотокатодом.

Электронный проектор.

Электронный проектор – это авто-электронный микроскоп, безлинзовый электронно-оптический прибор для получения увеличенного в 105—106 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был изобретен в 1936 нем. физиком Э. Мюллером.

Основные части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером па конце, радиус кривизны которого r~10-7—10-8 м; стеклянная сферическая или конусообразная колба, дно которой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стенках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление ~10-9—10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положительное напряжение в несколько тыс. Вольт относительно расположенного в центре колбы катода, напряжённость электрического поля в непосредственной близости от точечного эмиттера (острия) достигает 107—108 В/см. Это обеспечивает интенсивную авто-электронную эмиссию. При обычной форме катода электроны эмитировались преимущественно с мест локального увеличения напряжённости поля над небольшими неровностями и выступами поверхности эмиттера. Применение точечных эмиттеров, сглаженных поверхностной миграцией атомов металла при повышенных температурах в хорошем вакууме, позволило получить устойчивые токи.

Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее её кристаллическую структуру. Контраст автоэлектронного изображения определяется плотностью эмиссионного тока, которая зависит от локальной работы выхода, изменяющейся в зависимости от кристаллографического строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э. п. равно отношению R/br, где R — расстояние катод — экран, b — константа, зависящая от геометрии трубки.

Электронные проекторы применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней монокристалла и пр. Для наблюдения фазовых превращений, изучения адсорбции атомов различных веществ на металлической или полупроводниковой поверхности и т. д. Э. п. используют весьма ограниченно, т. к. намного большие возможности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.

Электронограф.

Электронограф - прибор для исследования атомного строения твердых тел и газовых молекул методами электронографии. (Электронография – это метод изучения структуры веществава, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров). Электронограф — вакуумный прибор. В колонне, основном узле электронографа, электроны, испускаемые раскалённой вольфрамовой нитью, разгоняются высоким напряжением (от 30 кВ и выше — быстрые электроны и до 1 кВ — медленные электроны). С помощью диафрагм и магнитнфх линз формируется узкий электронный пучок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в специальной камере объектов и установленный на специальном столике. Рассеянные электроны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракционное изображение (электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных электронов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов. Электронографы снабжают различными устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ, электронные лампы, используемые для генерации, усиления или стабилизации электрических сигналов. Электронная лампа представляет собой, по существу, герметичную ампулу, в вакууме или газовой среде которой движутся электроны. Ампулу обычно изготавливают из стекла или металла. Управление электронным потоком осуществляется посредством электродов, имеющихся внутри лампы.

Хотя в большинстве приложений на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, лампы все еще находят применение в видеотерминалах, радиолокаторах, спутниковой связи и во многих других электронных приборах. См. также ТРАНЗИСТОР.

В электронной лампе относительно просто управлять величиной, продолжительностью, частотой и другими характеристиками электронного потока. Эти простота и легкость управления делают ее ценным прибором в многочисленных приложениях.

Термоэлектронная эмиссия.

Электроны самопроизвольно не выходят за пределы поверхностного слоя металла из-за действия сил притяжения, источником которых является сам металл. Потенциальную энергию электрона в любой точке металла вблизи его поверхности можно представить в виде графика (рис. 1), из которого видно, что для выхода за пределы поверхности металла электрон должен увеличить свою энергию T₀, которой он обладает при абсолютном нуле температуры, дополнительно на величину W. При комнатной температуре очень малое число электронов обладает необходимой для выхода энергией, но с повышением температуры энергия электрона возрастает и приближается к уровню, необходимому для эмиссии. В электронных лампах необходимая тепловая энергия обеспечивается электрическим током, пропускаемым по проволочной нити накала (подогревателю), находящейся в лампе.

После того как электроны покинули катод, их движение определяется силами электрических полей, воздействующих на них в вакууме. В простейшей электронной лампе – диоде – электроны притягиваются положительным потенциалом второго электрода – анода, где они собираются и проходят в цепь соответствующей схемы (рис. 2). Диод представляет, таким образом, прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду, – и, следовательно, является выпрямителем. Простой иллюстрацией применения диода может служить схема, приведенная на рис. 3, где диод используется для зарядки конденсатора напряжением от источника переменного тока. Когда потенциал катода ниже анодного потенциала, через диод течет ток, так что, в конце концов, конденсатор заряжается до пикового напряжения источника переменного тока. Варианты схемы рис. 3 используются для детектирования сигнала звуковой частоты из радиочастотной волны и для получения мощности постоянного тока от источников переменного тока.

Триод.

Триод – это электронная лампа, в которой имеется третий (управляющий) электрод, установленный между катодом и анодом (рис. 4). Этот электрод обычно представляет собой сетку из тонких проволок, установленную очень близко к катоду, чтобы при небольшой разности потенциалов между сеткой и катодом в области между этими двумя электродами действовало сравнительно высокое электрическое поле. При этом потенциал сетки будет оказывать сильное воздействие на электроны.

Типичная схема усилителя, выполненного на триоде, приведена на рис. 5. К сетке подключена батарея отрицательного напряжения смещения, обозначенная E_gg. Поскольку сетка имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду, она не будет привлекать к себе электроны потока, движущегося от катода к аноду. На аноде поддерживается положительный потенциал относительно катода, что обеспечивается батареей E_pp. Значения параметров E_gg, E_pp, сопротивлений резистора R_g в цепи сетки и нагрузочного резистора R_L выбирают так, чтобы через лампу шел некоторый ток. Потенциал анода, следовательно, получается несколько меньшим, чем потенциал E_pp его источника питания, вследствие протекания тока через R_L.

Если на сетку подать через конденсатор положительный сигнал, она будет воздействовать на электроны, выходящие из катода. Поскольку такая сетка представляет собой слабое физическое препятствие для электронов, они будут проходить сквозь сетку на анод. Поэтому при изменении потенциала сетки в положительную сторону ток через триод возрастает, а напряжение на аноде уменьшается. (Это уменьшение происходит из-за увеличения падения напряжения на R_L, связанного с увеличением тока.) Если же входной сигнал, приходящий на сетку, меняет ее потенциал в отрицательном направлении, то происходит прямо противоположный процесс; напряжение на аноде возрастает. Во многих электронных лампах изменение сеточного напряжения по существу определяет изменение тока анода; отсюда следует, что изменения напряжения на аноде определяются выбором R_L. В результате малое изменение напряжения сетки может при достаточно большом R_L вызывать гораздо большее изменение напряжения на аноде.

Многоэлектродные лампы.

Логично задать вопрос: каким может быть эффект увеличения числа сеток в электронной лампе? Обычно вторая сетка, которая называется экранной и поддерживается под положительным потенциалом, находится между управляющей сеткой и анодом. Ее роль состоит в том, чтобы экранировать управляющую сетку от анода, уменьшая, таким образом, емкость между ними, которая в ряде случаев может привести к нежелательным эффектам обратной связи. Лампа с двумя сетками (четырьмя электродами) называется тетродом. В некоторых случаях между экранной сеткой и анодом добавляют еще одну сетку – антидинатронную, в результате получается пятиэлектродная лампа, или пентод. В тетроде электроны, достигающие поверхности анода, при ударе о нее выбивают вторичные электроны. Некоторые из них могут двигаться в обратном направлении и собираться экранной сеткой, обычно имеющей потенциал, близкий к потенциалу анода. Такой процесс вызывает потери в общем потоке электронов, проходящих через анод (в анодном токе). Антидинатронная сетка, находящаяся между экранной сеткой и анодом, поддерживается под отрицательным потенциалом по отношению к обоим соседним электродам, так что возвращающиеся электроны отталкиваются ею обратно к аноду. На рис. 6 показана типичная схема включения пентода.

В некоторых случаях ради экономии места и средств две отдельные структуры электронных ламп объединяют в едином герметичном корпусе.

Электронно-лучевые трубки.

В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Этот пучок тщательно фокусируется в луч, создающий на экране маленькое пятно и возбуждающий электроны люминофора экрана, что и приводит к излучению света. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, описывая при этом траектории на экране, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Часть ЭЛТ, в которой создается сфокусированный электронный луч, называется электронным прожектором. Хотя электронный прожектор – основная часть ЭЛТ, она из-за своей сложности будет рассмотрена после других. См. также ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА.

Системы отклонения луча.

На выходе электронного прожектора получается узкий электронный луч, который на своем пути к экрану может отклоняться электрическим или магнитным полем. Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера, в частности, такого типа, как в осциллографах. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.

В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча (которую обычно обозначают направлением z). Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин, как показано на рис. 7. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении (направление x) пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования (обычно периодическое колебание), подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении (y). В результате, если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала y, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса. В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.

Чтобы луч создавал на экране достаточно яркое пятно, а отклоняющий потенциал не достигал величины напряжения пробоя между отклоняющими пластинами, электроны должны получать большое ускорение. Более того, ЭЛТ не должна быть слишком длинной, чтобы прибор, в котором ее предполагается использовать, не стал неприемлемо громоздким. Наконец, ограничивается и длина отклоняющих пластин. При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой (рис. 8).

Люминесцентный экран.

Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.

Электронный прожектор.

Электрический потенциал, который определяет максимальную скорость электронов на выходе из электронного прожектора, лежит в пределах от нескольких сотен до 10 000 В. В эксплуатации последний ускоряющий электрод (второй анод) обычно заземляется. В электродах имеются диафрагмы с круглыми отверстиями, которые отсекают периферийные электроны от пучка, предотвращая тем самым размывание пятна. Кроме того, они улавливают электроны вторичной эмиссии, возвращающиеся от различных поверхностей внутренних компонентов ЭЛТ.

Фотоэлектронные приборы.

Фотоэлектронный электровакуумный прибор (фотоэлемент) – это электронная лампа, имеющая катод, который эмиттирует электроны, когда на него попадает видимый свет или инфракрасное либо ультрафиолетовое излучение. Изменения интенсивности излучения вызывают соответствующие изменения электронного потока в лампе, а следовательно, и тока во внешней цепи.

В научных исследованиях и технике фотоэлектронные приборы используют для измерений освещенности. Они находят применение также в устройствах управления уличным освещением, для уравнивания цветов в телевидении и согласования красок в полиграфии, для подсчета объектов на производстве. Фотоэлектронные приборы используются для считывания звука при демонстрации кинофильмов. Звук записывается на пленке в виде непрерывной дорожки переменной плотности, которая модулирует световой луч, направляемый на фотоэлектронный прибор. Выходной сигнал этого прибора получается пропорциональным плотности звуковой дорожки, записанной на пленке.

На рис. 10,а показаны вольт-амперные характеристики типичного электровакуумного фотоэлемента, а на рис. 10,б – относительные спектральные характеристики типичного фотоэлектронного прибора и глаза человека при постоянной световой интенсивности и изменяющейся длине волны излучения. Абсолютные значения амплитуд спектральных характеристик зависят от выбора материала чувствительной поверхности фотокатода.

В некоторых случаях внутрь прибора вводят газ, чтобы повысить его токовую чувствительность. Однако такая чувствительность становится сильно зависящей от потенциала анода, тогда как в вакуумном фотоэлементе выходной сигнал остается неизменным в широком диапазоне значений анодных потенциалов (рис. 11).

Фотоумножитель.

Газоразрядные лампы.

Газоразрядная лампа – это электронная лампа, содержащая достаточно газа, чтобы существенным образом влиять на ее характеристики. Давление этого газа ниже атмосферного. Обычно для наполнения газоразрядных ламп используют инертные газы (неон, аргон и др.) или пары ртути. Характеристики лампы определяются как свойствами используемого газа, так и его давлением внутри лампы.

Соударения и ионизация.

Присутствие молекул газа в электронной лампе может быть причиной двух эффектов. Соударения с молекулами могут вызвать торможение потока электронов в лампе (такие соударения способны приводить к нарастанию пространственного заряда с образованием облака электронов вокруг катода, что вызывает уменьшение тока), а если электроны ускоряются достаточно большой разностью потенциалов, они могут выбивать электроны из молекул газа, оставляя после себя положительно заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Если ускоряющий потенциал в лампе еще более высокий, то первичный электрон и электрон, высвобожденный из молекулы в процессе ионизации, могут ускориться до такой большой скорости, что вызовут дальнейшую ионизацию. Такой процесс приводит к разряду – распространению ионизации в пространстве между анодом и катодом лампы. Образование большого числа положительных ионов и освободившихся при ионизации электронов увеличивает ток, текущий через лампу, и сопротивление лампы во время разряда становится очень малым.

Газоразрядные диоды и газонаполненные лампы.

Газоразрядный диод (газотрон) – это диод, в котором присутствие газа создает высокую проводимость в прямом направлении. Электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются к аноду, и в результате возникает разряд. Разряд продолжается до тех пор, пока потенциал анода не станет ниже некоторого потенциала отсечки. Но как только анод становится отрицательным, нехватка электронов уже не в состоянии снова инициировать разряд. Если, однако, потенциал анода понижается до большой отрицательной величины (например, более -100 В), то разряд запускается электронами, эмиттируемыми анодом. Другими словами, анод легче эмиттирует электроны, когда его потенциал не нулевой, а отрицательный. Электроны могут высвобождаться в результате термоэмиссии даже при комнатной температуре из-за их теплового движения. Они могут также появляться вследствие фотоэлектрических процессов, вызываемых бомбардировкой фотонами. В любом случае эмиттируемые электроны будут вызывать в лампе ионизацию с последующим разрядом. Поэтому большие отрицательные напряжения на аноды газоразрядных диодов обычно не подают. Тем не менее такие диоды находят применение в низковольтных схемах выпрямления, в частности, в устройствах для зарядки батарей, где требуется большой ток в прямом направлении.

Тиратрон.

Тиратрон – газоразрядный триод, обычно с подогревным катодом. Анод тиратрона, как правило, поддерживается под достаточно высоким потенциалом, чтобы инициировать разряд, когда сетка имеет потенциал катода. (На сетке же поддерживается отрицательный потенциал, чтобы не допустить выхода электронов из прикатодной области и возбуждения разряда.) В нужный момент по сигналу потенциал сетки повышается настолько, чтобы запустить разряд. После возникновения разряда сетка не управляет им до тех пор, пока анодное напряжение не понизится до уровня, при котором разряд погаснет.

В ионных (газонаполненных) фотоэлементах газ используется, чтобы получить усиление тока вследствие ионизации молекул газа фотоэлектронами. Потенциал анода никогда не доводят до уровня, при котором разряд становится самоподдерживающимся и не нуждающимся в эмиссии фотоэлектронов с катода.

Булычев А.Л. и др. Справочник по электровакуумным приборам. Минск, 1982
Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы (справ.). М., 1985
Герус В.Л. Физические основы электронно-лучевых приборов. М., 1993

Пустота – так переводится слово вакуум с латыни. Вакуумом принято называть пространство, в котором находится газ, давление которого в сотни, а может быть и в тысячи раз ниже атмосферного. На нашей планете вакуум создается искусственным путем, так как в естественных условиях такое состояние невозможно.

Виды вакуума

Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.

Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.

Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.

Рис. 1. Характеристики вакуума

Электрический ток в вакууме

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.

На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.

Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия

Эмиссия делится на:

вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
фотоэлектронная(электроны выбиваются светом);
электронная(выбивание сильным полем).

Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).

При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.

Применение электрического тока в вакууме

Электрический ток в вакууме используется в различных электронных приборах. Одним из таких приборов является вакуумный диод

Рис. 3. Вакуумный диод

Состоит он из баллона, который включает 2 электрода – катод и анод.

Что мы узнали?

Электровакуумный прибор— устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в вакууме, так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

В электровакуумных приборахпроводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Таким образом было открыто явление термоэлектронной эмиссии и создана первая радиолампа–электровакуумный диод.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А.

Рис.3.1 Конструкция вакуумного диода

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Обозначение диода в схемах электрических принципиальных показано на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Обозначение вакуумного диода в схемах электрических принципиальных.

Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность напряжения, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых

где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения

Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

где А — работа выхода электронов из катода,

Т — термодинамическая температура,

С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому в радиолампах применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д, — электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Конструкция вакуумного триода показана на рис.3.4

Рис.3.4 Конструкция вакуумного триода

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века. Схема электрическая принципиальная триода приведена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Условное обозначение триода в схемах электрических принципиальных

Вольт-амперная характеристика триода приведена на рисунке 3.6

Рис. 3.6 Вольт-амперная характеристика триода

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В настоящее время вакуумные триоды вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков, а также индукционный нагрев под поверхностную закалку. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Тетрод—двухсеточная электронная лампа, предназначенная для усиления напряжения и мощности электрических сигналов. Схема электрическая принципиальная тетрода приведена на рис. 3.7

Рис. 3.7 Условное обозначение тетрода в схемах электрических принципиальных

В отличие от триода тетрод имеет между управляющей сеткой и анодом экранирующую сетку, которая ослабляет электростатическое воздействие анода на управляющую сетку. По сравнению с триодом тетрод имеет большой коэффициент усиления, очень малую емкость анод — управляющая сетка и большое внутреннее сопротивление.
По своему назначению подразделяются на тетроды для усиления напряжения и мощности низкой частоты и широкополосные тетроды, предназначенные для усиления видеосигналов. Лучевой тетрод, как и обыкновенный, является двухсеточной лампой, но отличается от последнего отсутствием динатронного эффекта, что достигается применением лучеобразующих пластин, расположенных между экранирующей сеткой и анодом и соединенных внутри баллона с катодом. Лучевые тетроды применяются в основном для усиления мощности низкой частоты в оконечных каскадах приемников, телевизоров и в другой аппаратуре.

Пенто́д (от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды [3] .

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов..

Более сложными являются многоэлектродные лампы с двумя управляющими сетками–гептоды, которые появились в связи с изобретением супергетеродинного приема.