Технологии вакуумной откачки электровакуумных и газоразрядных приборов реферат

Обновлено: 08.07.2024

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 Egg. 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 Epp. Значения параметров Egg, Epp, сопротивлений резистора Rg в цепи сетки и нагрузочного резистора RL выбирают так, чтобы через лампу шел некоторый ток. Потенциал анода, следовательно, получается несколько меньшим, чем потенциал Epp его источника питания, вследствие протекания тока через RL.

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 RL, 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 RL. В результате малое изменение напряжения сетки может при достаточно большом RL 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

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 (см., напр.,клистрон), так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

Газоразрядные приборы (их ещё называют ионными) представляют собой герметизированный баллон, внутри которого смонтированы два или более электродов. После откачки воздуха в баллон под некоторым давлением водится инертный газ или пары ртути или другой газ. Устройство простейшего газоразрядного прибора показано на рис. 8.1.


Рис. 8.1. Устройство простейшего газоразрядного прибора

Электроды в газоразрядных приборах называют катодом и анодом. К катоду подключается отрицательный полюс внешнего источника , а на анод – положительный. Катод обычно выполняют плоским или цилиндрическим из тугоплавких металлов, а анод выполняют в виде металлического или графитового стержня. Газ состоит из нейтральных молекул и, казалось бы, должен быть изолятором. Однако, если к электродам подвести разность потенциалов от внешнего источника, то в газовом объёме начнёт протекать электрический ток, обусловленный наличием в газе носителей электрических зарядов: электронов и положительно заряженных ионов. Процесс ионизации нейтральных молекул газа связан с различными факторами (космические лучи, естественный радиоактивный фон и т. д.). При подобных энергетических воздействиях на атомы газа с их электронных оболочек могут отрываться электроны, становясь свободными носителями электрического заряда, а сам атом превращается в положительно заряженный ион. Они начинают разгоняться в электрическом поле, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Сталкиваясь с нейтральными атомами, они передают им свою кинетическую энергию и возбуждают их или даже производят ударную ионизацию. При возбуждении электроны переходят на более высокий энергетический уровень, а при ионизации – совсем покидают атомы. В возбуждённом состоянии электроны находятся недолго и, возвращаясь в исходное состояние, они излучают кванты лучистой энергии и делают видимым газовый разряд.

Одновременно с процессом ионизации атомов идёт и обратный процесс – рекомбинация или деионизация, когда электрон занимает свободный энергетический уровень и образуется нейтральный атом. Для ограничения тока в газоразрядном приборе в его анодную цепь вводится ограничительное сопротивление . Величина тока зависит от давления газа, расстояния между электродами, степени ионизации и других факторов. Процесс протекания тока в газовой среде называется разрядом.

Все газовые разряды делятся на два основных вида: несамостоятельный и самостоятельный.

Несамостоятельный разряд возникает под действием внешних ионизаторов (термоэлектронная эмиссия, естественная радиация и т. д.) и прекращается при их отсутствии.

Самостоятельный разряд продолжается и после удаления внешнего ионизатора, только под действием сил электрического поля. Оба вида газовых разрядов могут происходить в различных условиях, с разной интенсивностью и подразделяются на тёмный, тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока газоразрядного прибора от напряжения между анодом и катодом:

Типовой её вид показан на рис. 8.2. Здесь участок ОАБ соответствует несамостоятельному разряду. На участке ОА носители электрического заряда, образовавшиеся под действием естественных ионизирующих факторов начинают двигаться вдоль силовых линий слабого электрического поля.

На участке АБ практически все носители участвуют в образовании электрического тока (участок насыщения). Этот разряд называется тихим или тёмным. Свечения газа здесь ещё нет.

Участок БВ соответствует увеличению тока тихого разряда из-за ударной ионизации молекул газа, а также из-за вторичной электронной эмиссии катода под ударами, разогнавшимися положительными ионами.

ВГ – начальный участок тлеющего разряда. На этом участке возрастает концентрация положительно заряженных ионов вблизи катода и интенсивность ударной ионизации. Процесс сопровождается увеличением тока и падением напряжения вследствие перераспределения напряжения источника между сопротивлением и изменяющимся внутренним сопротивлением прибора.


Рис. 8.2. Вольт-амперная характеристика газоразрядного прибора

Точка Г соответствует возникновению между анодом и катодом плазменного столба. Плазма – это смесь электронов и ионов, обладающая высокой проводимостью, и на участке ГД имеет место нормальный тлеющий разряд. Поскольку масса образующихся в процессе ионизации электронов и ионов неодинакова (электрон значительно легче тяжёлых ионов), то электроны движутся к аноду с гораздо большей скоростью, чем тяжёлые ионы движутся к катоду. Поэтому у катода скопление положительных ионов образует объёмный положительный заряд, вызывающий перераспределение потенциала в межэлектродном пространстве.

Вместо линейно возрастающего от катода к аноду потенциала (показан пунктиром), имеет место следующая зависимость: вследствие возникновения объёмного положительного заряда у катода наблюдается резкий рост потенциала до величины , а затем потенциал изменяется очень незначительно, так как падение напряжения в плазме очень маленькое. При нормальном тлеющем разряде (участок ГД) площадь поверхности катода , охваченной свечением, пропорциональна величине тока , протекающего через прибор, а плотность тока остаётся примерно постоянной. Это свойство газоразрядных приборов используется в газоразрядных стабилитронах или стабиловольтах для получения постоянного (опорного) напряжения, подобно полупроводниковым стабилитронам.

После того, как вся поверхность катода охвачена катодным свечением, разряд переходит в аномальный тлеющий (участок ДЕ), при котором рост плотности тока, может быть, достигнут лишь за счёт увеличения напряжённости электрического поля между анодом и катодом и увеличения интенсивности процесса ионизации. Если не ограничить рост тока, то при некотором критическом значении напряжения (точка Е), называемом напряжением зажигания дугового разряда на участке ЕЖ возникает дуговой разряд. Скорости положительных ионов, бомбардирующих катод становятся очень большими; катод разогревается и возникает термоэлектронная эмиссия. Кроме того возможна эмиссия электронов с катода под действием сильного электрического поля между анодом и катодом (электростатическая эмиссия). Плотность тока, поэтому резко возрастает, а внутреннее сопротивление и, соответственно, напряжение уменьшается. Дуговой разряд сопровождается сильным свечением рабочего участка катода, называемого катодным пятном. Дуговой разряд может быть самостоятельным и несамостоятельным. Самостоятельный поддерживается за счёт явлений в самом разряде. Несамостоятельный поддерживается за счёт постороннего источника эмиссии, например, подогревного катода.

Коронный разряд – это разновидность тлеющего разряда. Он возникает там, где резко искажается электрическое поле, например, острая кромка, штырь и т. д.

Читайте также: