Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электронная промышленность, возникшая сравнительно недавно, в настоящее время является одной из самых мощных отраслей промышленности, в решающей мере определяющей темпы научно-технического прогресса.
Развитие электронной промышленности в нашей стране непосредственно связано с производством электронных приборов, среди которых важное место занимают электровакуумные. Производство электровакуумных приборов оказывает большое влияние на ускорение научно-технического прогресса, создает материальную базу для автоматизации производства и управления, развертывания научных исследований.
Несмотря на повышение роли полупроводниковых приборов в создании электронной техники, электровакуумные приборы отнюдь не утратили своего значения.
В настоящее время электровакуумные приборы находят применение почти во всех областях науки и техники: радиолокации, радиоастрономии, вычислительной технике, связи, космической технике, медицине, ядерной физике, в быту и т. п. Общая номенклатура электровакуумных приборов велика — несколько тысяч наименований, а ежегодный вьшуск превышает мшхлиард единиц. Разработка, производство и при- менение этих приборов в электронной аппаратуре, устройствах и системах, содержащих их в качестве основных элементов, требует подготовки высококвалифицированных специалистов данной отрасли промышленности.
Необходимо отметить, что учебник для средних специальных учебных заведений по специальности "Производство электровакуумных приборов” отсутствует. Единственное учебное пособие ^Электронные приборы” М. С. Кауфмана, К. И. Палатова, изданное в 1970 г. и сыгравшее в свое время положительную роль, в настоящее время устарело и не соответствует действующей программе.
Предлагаемая читателям книга подготовлена в соответствии с программой курса, утвержденной МВ и ССО СССР для специальности "Про* юводство электровакуумных приборов**. В ней сделана попытка систематизировать большой материал по вопросам теории, устройства, принципам действия, применения и конструирования электровакуумных приборов, а также включены материалы по современным ионным, фо-
3
тоэлектронным, электронно-лучевым приборам и рассмотрены их параметры.
Материал, изложенный в книге базируется на изученных учащимися курсах математики, физики, химии, электротехники, "Материалы электровакуумного производства”， ^Основы вакуумной техники”. Вместе с тем изучаемый предмет является базовым для таких дисциплин, как ''Промышленная электроника и микроэлектроникам, ^Технология, оборудование и промышленные роботы производства электровакуумных приборов", "Надежность и испытание электровакуумных приборов", "Техника и приборы СВЧ".
Книга состоит из шести частей. Для понимания физических процессов, протекающих в электровакуумных приборах, необходимо знание основ электронной теории. Этому вопросу посвящена первая часть книги. Во второй, третьей, четвертой и пятой частях рассматриваются конструкции, принципы действия, характеристики и параметры практически всех классов современных электровакуумных приборов, а также вопросы их применения. Шестая часть книги посвящена основам расчета и конструирования электровакуумных приборов. Программное обеспечение расчетов дано для программируемых микрокалькуляторов.
Для развития навыков самостоятельной работы и контроля усвоения полученных знаний в конце каждой главы даны контрольные вопросы и задания.
Материал распределен между авторами следующим образом: предисловие, введение, гл. 1-4, 15-20, 22, 31 и 32 написаны А. Г. Гуртовни- ком, гл. 5-14, 21, 23 — Е. Г. Точинским, гл. 24—30, 33 — Ф. М. Яблонским.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность рецензентам М. И. Барычевой и О. И. Бужинскому, а также редактору И. П. Башкатову за ряд критических замечаний и полезных советов, которые способствовали улучшению содержания учебника. Авторы признательны В. Н. Бирюкову за помощь, оказанную им при работе над рукописью.
Все замечания по учебнику следует направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
ВЛ. Общие сведения об электровакуумных приборах
Электровакуумным прибором называется электронный прибор, в котором проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы можно разделить на электронные и ионные.
В электронных электровакуумных приборах прохождение электрического тока достигается только за счет свободных электронов. Давление остаточных газов в этих приборах составляет менее 100 мкПа. При таком давлении соударения движущихся электронов с атомами или молекулами остаточного газа происходят настолько редко, что не оказывают существенного влияния на характер процессов в приборах.
В ионных электровакуумных приборах давление равно 133 • 1(Т3 Па (10"3 мм рт ст.) и выше. В этих приборах используются различные формы электрических разрядов в газе. Прохождение тока в ионных приборах обусловлено движением не только электронов, но и ионов, причем их соударения с атомами и молекулами газа играют существенную роль. Управление движением электронов в вакууме или возникновением электрического разряда осуществляется с помощью электрических или магнитньк йолей.
Исходя из принципов действия и функционального назначения, электровакуумные приборы можно разделить на следующие классы: электронные лампы; фотоэлектронные приборы; электронно-лучевые приборы; ионные приборы.
Электровакуумный прибор представляет собой герметический баллон, внутри которого размещаются источник электронов, приемник электронов и ряд управляющих электродов. Электронные лампы являются типичным примером такой конструкции прибора. Используемые в них управляющие электроды воздействуют на поток электронов от источника (катода) к приемнику (аноду), что позволяет генерировать и усиливать электрические сигналы. Благодаря таким достоинствам, как широкий диапазон рабочих температур > радиационная стойкость, высокие допустимые рабочие напряжения, электронные лампы в ряде областей сохранили свои позиции. Широкое применение электронные лампы находят, в частности, в области энергетической электроники.
В отличие от электронных ламп в электронно-лучевых приборах ток переносится не широким потоком, а узким сфокусированным электронным пучком, интенсивность которого и положение в пространстве могут изменяться; положение пучка в пространстве меняется с помощью электрического или магнитного поля.
Наиболее распространенной группой электронно^тучевых приборов являются приемные электронно-лучевые трубки — кинескопы. Поскольку кинескопы являются основным элементом современных телЬ- визоров, их выпуск достигает миллионов штук в год. Хотя кинескоп был изобретен еще в начале XX в., процесс его совершенствования не прекращается и сегодня.
Если кинескоп выполняет задачу преобразования электрических сигналов в видимое изображение, то передающие электронно-лучевые трубки производят обратное преобразование изображения в электрические сигналы. Наиболее существенные достижения в этой области были получены в последнее время.
К электронно-лучевым приборам также относят запоминающие трубки, способные сохранять информацию в течение длительного времени, и электронноюптические преобразователи, преобразующие невидимое (ультрафиолетовое, рентгеновское или инфракрасное) изобра- жение в видимое и усиливающие его во много раз. Большинство типов электронно-лучевьк приборов не имеет функциональных аналогов, обладающих сравнимыми параметрами среда полупроводниковых приборов. Исключением являются передающие трубки, с которыми начинают интенсивно конкурировать различного рода полупроводниковые преобразователи видеоизображения.
Основным назначением фотоэлектронных приборов является преобразование световых сигналов в электрические. Действие этих приборов основано на возникновении электронной эмиссии из фотокатода. В фотоэлементах возникающий электронный поток непосредственно собирается на аноде, в фотоэлектронных умножителях этот поток усиливается внутри прибора благодаря использованию вторичной электронной эмиссии. Многочисленные типы фотоэлектронных умножителей до сих пор являются основным видом детекторов, используемых при регистрации элементарных актов взаимодействия в ядерной физике, космических исследованиях и квантовой электронике. Высокостабильные фотоэлементы применяются для фотометри- рования источников излучения.
К электровакуумным приборам примыкает класс ионных (газоразрядных) приборов. Их можно разделить на следующие группы: приборы тлеющего и коронного разрядов для стабилизации и преобразования электрических сигналов; индикаторные приборы; выпрямительные и импульсные приборы несамостоятельного дугового разряда; выпрямительные и импульсные приборы самостоятельного дугового разряда; разрядники.
Развитие средств отображения информации привело к бурному прогрессу в области индикаторных ионньк приборов. Появился целый класс новых индикаторов 一 газоразрядные знакосинтезирующие экраны. По своей информационной емкости и другим функциональным возможностям они приближаются к приемным электронно-лучевым трубкам, а иногда и превосходят их. В то же время газоразрядные экраны имеют ряд достоинств по сравнению с трубками — плоские конструкции, меньшие рабочие напряжения, цифровой способ управления.
Краткие сведения по истории развития электровакуумных поборов
Прототип электровакуумного прибора появился еще в прошлом веке. Это была электрическая осветительная лампа накаливания, изобретенная в 1873 г. талантливым русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Ее открытие положило начало современной электровакуумной технике.
Работы Эдисона, Ричардсона, Флеминга и других исследователей привели к созданию первой электронной лампы — вакуумного диода (1904 г.). В 1907 г. американский инженер Л. Форест ввел в лампу управляющий электрод-сетку, т. е. создал первый триод, обладающий способностью генерировать и усиливать электрические сигналы.
Первые отечественные усилительные лампы были созданы в 1914— 1916 гг. независимо друг от друга Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевичем.
Широкое развитие отечественной электровакуумной промышленности в нашей стране началось после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1918 г. по инициативе В. И. Ленина была создана Нижегородская радиолаборатория, которую возглавил М. А. Бонч- Бруевич. Этой лабораторией, в которой активное участие принимали Б. А. Остроумов, А. М. Кугушев, Н. А. Никитин, П. А. Остряков и другие, было налажено изготовление мощных генераторных ламп. Таких ламп за рубежом не было. Радиостанция им. Коминтерна, построенная в 1922 г. и использующая электронные лампы конструкции М. А. Бонч-Бруевича и его соратников, в то время была самая мощная в мире (400 кВт). Позднее массовое производство электронных ламп было организовано в Ленинграде и Москве.
Параллельно с совершенствованием электронных ламп разрабатывались ионные приборы. В 1919 г. в Нижегородской лаборатории под руководством В. П. Вологдина были созданы первые в мире мощные ртутные выпрямители. В конце 30-х годов были разработаны двух- электродные приборы — газотроны и трехэлектродные — тиратроны. " В 1907 г. профессор Петербургского технологического института Б. Л. Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для
приема телевизионных изображений. В последующие годы им было осуществлено практическое применение своей идеи - телевизионная передача.
Работы известных ученых Г. Герца, А, Столетова, А. Эйнштейна по исследованию внешнего фотоэффекта положили начало развитию фотоэлектронных приборов. Теория внешнего фотоэффекта была развита советскими физиками П. И. Лукерским, И. С. Хлебниковым, П. В. Тимофеевым и др. В 1934 г. Л. А. Кубецким был разработан первый в мире фотоэлектронный умножитель, который находит широкое применение и в настоящее время.
К 30-м годам относятся работы по созданию телевизионных передающих трубок. Большой вклад в разработку этих приборов внесли А. А. Чернышев, А. П. Константинов, С. И. Катаев, П. В. Шмаков, П. В. Тимофеев, Г. В. Брауде.
С 1960 г. начались разработки и серийное производство индикаторных ионных приборов. Значительный вклад в разработку теории и создание новых ионных приборов внесли И. Л. Каганов, Г. Е. Макар- Лиманов, А. Б. Покрьшайло и другие советские ученые.
В настоящее время электронная промышленность является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники, Достижения электронной промышпенности оказывают большое влияние на технический прогресс в народном хозяйстве нашей страны.
Часть первая
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ
Глава первая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОНАХ
ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ
Для понимания физических явлений, происходящих в рабочем пространстве электронного прибора, необходимо иметь представления об электронной теории строения вещества, физике твердого тела, природе и механизмах излучения и поглощения света. Часть этих вопросов рассматривается в курсе общей физики, поэтому в данной главе мы остановимся только на тех положениях, которые представляются существенными с точки зрения изучения электровакуумных приборов.
Для понимания принципа действия этих приборов необходимо знать, за счет чего генерируются электроны, используемые в качестве носителей тока в приборах, как получить поток свободаых электронов и как управлять этим потоком. Эти теоретические вопросы рассматриваются в гл. 1—4.
Ввиду специфики ионных приборов элементарные процессы взаимодействия между частицами в разряде, основные эмиссии в условиях газового разряда и закономерности движения заряженных частиц в газе рассматриваются в гл. 25.
По современным представлениям атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его отрицательно заряженных электронов. Электрон является стабильной элементарной частицей материи с отрицательным зарядом, равным е = =1,602 • 10"19 Кл. Масса покоя электрона равна те = 9,1 • 1СГ31 кг. Отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд) е/те = =1,759 • 1011 Кл/кг, что определяет высокую подвижность электрона. Именно этим свойством объясняется безынерционность электровакуумных приборов.
Заряд электрона всегда остается неизменным. Масса электрона, движущегося со скоростью V, изменяется по закону
m=те7 \ 一g/緑,(")
где с - скорость света.
Теоретически при скорости движения электрона, равной скорости света с = 3 • 108 м/с, масса электрона должна стать бесконечно большой. В большинстве электровакуумных приборов скорость электронов не превышает 0,1 с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной, равной те.
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (в ядерной физике они носят единое название — нуклонов) 5 удерживаемых мощными ядерными силами. Протон обладает положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона, и массой и 1836 раз больше массы электрона. Нейтрон представляет собой нейтральную элементарную частицу (заряд равен нулю) с массой в 1839 раз больше массы электрона. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, радиус которого около 1QT13—1QT12 см. Ядро окружено облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки и составляют 1(Г8 см, т. е. во много раз превышают размеры ядра.
В обычных условиях атомы электрически нейтральны: число электронов оболочки равно числу протонов в ядре. При определенных условиях атом может отдавать или присоединять дополнительные электроны, нейтральность атома при этом нарушается, а атом превращается в положительный или отрицательный ион.
Химическая природа атома одаозначно определяется числом протонов в ядре Z. Это число Z, называемое атомным номером, равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Они определяют химическую активность вещества, его электропроводность, некоторые другие свойства.
Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей и беспорядочно передвигающиеся в междуатомном пространстве, называются свободными. При наличии внешнего электрического поля движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным - возникает электрический ток.
Электроны, расположенные в области действия электрических полей, связывающих его с атомами или системой атомов, называются связанными. Такие электроны в обычных условиях перемещаться не могут. От количества свободных электронов зависит электропроводность вещества.
Рассмотренная выше планетарная модель атома, предложенная английским физиком Резерфордом, не способна была объяснить явления существования спектральных линий атомов и устойчивость самого атома.
Действительно, электрон, двигаясь с ускорением под действием электростатического притяжения к ядру, должен по законам классической электродинамики непрерывно излучать электромагнитные волны и вследствие этого терять свою энергию. Радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться и в течение короткого времени электрон дол^ жен был бы упасть на ядро.
На самом деле практика показывает, что атомы устойчивы и их наблюдаемый оптический спектр не непрерывен, а состоит из закономерно чередующихся узких линии, которым соответствуют определенные частоты, характерные для данного химического элемента.
Таким образом, законы классической механики и электродинамики не могут объяснить поведение элементарных частиц в атоме. Объяснение новых физических явлений дала квантовая теория строения вещества.
L2. ЭЛЕКТРОНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем — основной процесс в электровакуумных приборах. Законы движения электронов в электрических, а также в магнитных полях будут рассмотрены позже. В этом параграфе мы познакомимся с изменением скорости и энергии свободных электронов, движущихся в электрическом поле.
Допустим, что свободный электрон помещен в однородное электрическое поле, т. е. в поле, напряженность которого одинакова в любой точке как по значению, гак и по направлению. На рис. 1.1 изображено электрическое поле между двумя параллельными пластинами большой протяженности. Последнее обстоятельство позволяет пренебречь краевым эффектом. Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля
Е= U/d. (1.2)
На электрон, помещенный в таком поле, будет действовать сила, равная
F= -еЕ. (1.3)
Знак минус в правой части (1.3) указывает, что сила направлена противоположно вектору напряженности поля Е. Под действием силы F электрон будет перемещаться из точки 6 (рис. 1.1) с потенциалом Us в точку 4 с более высоким потенциалом UA. Поэтому поле в данном случае является ускоряющим.
Обозначим скорость электрона в точке 5 через v^, а в точке Л - 匕.Тогда при перемещении электрона из точки В в точку А его энергия увеличится на 加еР；/2 - т^咽2. На основании закона сохранения энергии приращение кинетической энергии электрона должно равняться работе, затраченной электрическим полем на перемещение электрона,
т”；12 - mev^/2 =е(% — %).
Если электрон, обладая начальной скоростью в。，а значит, и начальным запасом энергии движется в направлении вектора Е, то он совершает работу против сил поля и запас его кинетической энергии уменьшается. Такое электрическое поле дая электрона является тормозящим. Следовательно, в зависимости от направления начальной скорости электрона электрическое поле может быть ускоряющим или тормозящим.
Рис. 1.1. Движение электрона в однородном электрическом поле (начальная скорость электрона направле- GB на навстречу вектору напряженности поля)
Предположим, что в начале пути в точке В скорость электрона равна нулю, тогда
mev2/2 = е U,(1.4)
где U — разность потенциалов начала и конца пути электрона, т. е.
и=У %,
откуда
V =，环阮)0.(1.5)
Подставляя в (1.5) значение е/те = 1,759 • 1011 Кл/кг и Ub вольтах, получаем значение скорости
V = х/2・ 1,759 • IO】，U 弋 600VFkm/c.(1.6)
Выражение (1.4) позволяет сделать следующие выводы: кинетическая энергия электрона зависит только от разности потенциалов, которую электрон прошел, и не зависит от формы пройденного пути; пройденная разность потенциалов может служить мерой энергии электрона. Если электрон прошел разность потенциалов 1 В, то его энергия равна
eU= 1,602-10"19Кл -1В = 1,602- 10й9 Дж.
Эту единицу для измерения энергии назвали электрон-вольтом (эВ).
3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Под квантовой механикой понимают физическую теорию, описывающую законы движения и взаимодействия элементарных частиц в масштабе атома. В основу квантовой теории положены работы блестящей плеяды ученых разных стран: М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, В. Гейзенберга, Луи де Бройля и др.
В 1900 г., изучая тепловое излучение тел, М. Планк принял гипотезу, в соответствии с которой электромагнитное излучение испускается и поглощается определенными порциями (квантами). Энергия квантов W пропорциональна частоте излучения v
W = hv9(1.7)
где h — постоянный коэффициент (постоянная Планка), равный 6,62 • 10г34 дж • с, имеющий размерность энергии, умноженной на время. 12
Гипотеза Планка противоречила основным положениям классической теории о непрерывном испускании электромагнитных волн, но позволяла хорошо описать экспериментальные данные.
Существенный шаг в развитии квантовой теории был сделан Н. Бором в 1913 г. Исходя из классических представлений о модели атома и теории световых квантов, Н. Бор сформулировал три постулата: существуют стационарные состояния атома, не изменяющиеся -во времени без внешних воздействий. Этим состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны и при этом атом не излучает и не поглощает энергии;
в стационарном состоянии атома электроны, двигаясь по круговым орбитам, имеют дискретные, квантованные значения момента импульса:
'mevr = «Л/(2я), где и - главное квантовое число, указывающее номер орбиты и принимающее только целые значения (1, 2, 3 ••.)；〃 一 постоянная Планка; те 一 масса электрона; v — скорость движения электрона по орбите и; г - радиус орбиты;
при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии. Излучение энергии происходит при переходе атома из состояния с большей в состояние с меньшей энергией, поглощение энергии атомом — из состояния с меньшей в состояние с большей энергией.
Например, если энергия атома в исходном (начальном) состоянии 関，а в конечном состоянии %, то разность энергии начального и конечного состояний (関〉％) будет излучена в виде кванта энергии hv = Wn - Wm. Обратный переход электрона с более низкого уровня Wm на более высокий уровень Wn связан с поглощением такой же энергии.
Гейзенбергом был сформулирован принцип неопределенности (1927 г.), в соответствии с которым электрон не может одновременно иметь точные значения координат центра инерции и импульса Рх, равного mevx.
Соотношение неопределенностей записывается в виде
ЛхДРх >h.
Формула показывает, что чем точнее определена одна из величин х, тем неопределеннее будет другая —厶.Поэтому не имеет смысла говорить о круговой орбите и траектории, по которой электрон движется в атоме. С точки зрения квантовой теории боровские орбиты представляют собой геометрические места точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон. Именно этот физический смысл мы будем иметь в виду, употребляя термин "орбита” для траектории электрона в атоме.
В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что, не только кванты света (фотоны), но и частицы вещества, в частности электроны, наряду с корпускулярными свойствами (заряд, масса) обладают также волновыми свойствами. Согласно этой гипотезе движению электрона или любой другой частицы может быть приписана соответствующая длина волны, равная
^=h/mevt (1.8)
где X — длина волны микрочастицы; ше — масса частицы; р — скорость движения частицы; h - постоянная Планка.
На основе выдвинутой теории де Бройль сумел объяснить, что электромагнитная энергия не излучается электроном, движущимся по орбите, только в том случае, если на ней укладывается целое число длин волн 叫 т. е. когда возникает стоячая волна.
Главное квантовое число и характеризует энергию электрона в атоме и его удаление от ядра. Как было указано выше, оно может принимать только целые значения 1, 2, 3 и т. д. Состояния электрона, определяемые значениями квантового числа и, называют энергетическими уров' нями. Значению п ~ 1 соответствует первый, ближайший к ядру энерге« тический уровень. Его называют К-уроВнем. На этом уровне электрон обладает минимальной энергией. Остальные уровни обозначают буквами Л, М, М
Кроме главного квантового числа, состояние электрона в атоме ха* рактеризуется еще тремя квантовыми числами.
Орбитальное или побочное квантовое число / определяет момент количества движения вокруг центра орбиты и может принимать значения целых чисел 0, 1, 2 . . ., меньших чем и (Z < и), т. е. / =0, 1, 2, 3,…” и — 1.
Энергетическим состояниям электрона, характеризующимся орбитальным числом /, присвоены следующие обозначения: / = 0 — s; / = =1 -р； / =2 - J; / =3 -/.
Магнитное квантовое число 加 определяет ориентацию плоскости орбиты в пространстве, оно может принимать значения в пределах
< + /, т. е. 0, ± 1, ± 2 ,. . ± (/ ~ 1), /.
Спиновое квантовое число s (или кратко спин) характеризует момент количества движения вокруг собственной оси. Спин электрона может принимать только два значения (+ 1/2 и -i/?). Этим числом определяется ориентация собственного механического момента электрона относительно нормали к плоскости орбиты.
Вольфганг Паули в 1925 г. установил один из важнейших принципов квантовой теории — принцип Паули, согласно которому в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью квантовых чисел. Поэтому электроны в соответствии с их состоянием в атоме каждого элемента распределены как бы по этажам 14
и образуют систему электронных оболочек. Количество электронных оболочек в атомах различных элементов разное. Но количество электронов в одних и тех же заполненных оболочках атомов всех элементов одинаково. Так, в первой оболочке К может находиться только 2 электрона, во второй L — 8, в третьей М — 18, в четвертой N 一 32 электрона. Максимальное число электронов, заполняющих каждую из четырех оболочек, определяется по формуле
Nmax = 2(〃)2. (L9)
В качестве примера рассмотрим распределение электронов в атоме по возможным квантовым соотношениям для трех элементов периодической таблицы Менделеева.
Заполнение электронных оболочек в атомах подчиняется двум ограничениям: согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел “ 2, m, s; в нормальном состоянии атома каждый электрон занимает квантовое состояние с наименьшей возможной, энергией.
Первый элемент 一 водород (Z = 1). В невозбужденном состоянии его единственный электрон располагается на первом энергетическом уровне, для которого м = 1. Тогда / = 0, ^ = 0 и s = ± 1/2* Таким образом, электрон водорода может оказаться в любом из двух состоянии:
/ =0,w=0,s =1/2им = 1, / =0,加=0, S =-1/2. Два различных одноквантовых состояния электрона в атоме водорода кратко можно записать: 1s1, где 1 一 номер энергетического уровня; s — состояние электрона на этом уровне; 1 — количество электронов в данном состоянии.
Два электрона в атоме гелия (Z = 2) заполняют оба одноквантовых состояния; один в состоянии, определяемом квантовыми числами п = =1, / =0,т =0,s = 1/2, другой - м = 1" =0,加=0, s =-1/2, что соответствует записи: 1s2.
В атоме лития (Z = 3) два электрона могут занять оба состояния s так же, как и электроны атома гелия, но третий электрон в соответствии с принципом Паули уже не может находиться в этом энергетическом состоянии и принужден занять следующее, более высокое энергетическое состояние с 〃 = 2. Для него п-2, I =0,加—0,s — ?,• Кратко квантовые состояния атома лития можно записать в виде: Is 2s •
ДИАГРАММА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ АТОМА
Согласно квантовой теории электроны в атоме могут иметь вполне определенные (дискретные или квантованные) значения энергии. В силу этого электроны могут двигаться вокруг ядра только по определенным орбитам. Каждой орбите соответствует строго определенная энер- аия электрона или разрешенный энергетический уровень. Разрешенные
мый нижний уровень (и = 1)мый нижний уровень (и = 1)Рис. L2. Диаграмма ровней энергии атома водорода
мый нижний уровень (и = 1)
мый нижний уровень (и = 1)
энергетические уровни отделены друг от друга запрещенными интервалами. На рис. 1.2 схематически изображен энергетический спектр электронов в атоме водорода. По оси ординат откладывается значение энергии в знект- рон^ольтах. Уровни, соответствующие различным квантовым числам, изображены горизонтальными линиями. Са
соответствует состоянию атома с наимень
шей возможной энергией, он назьшается основным. Верхний уровень (м = =8)соответствует энергии ионизации W = 13,53 эВ. Такую энергию необходимо затратить для отрыва от ядра электрона, находящегося на основном уровне. Уровни с и > 2 называются возбужденными. При отсутствии внешних воздействий атом находится в основном (невоэ- бужденном) состоянии и его электрон раотоложен на ближайшей к ядру орбите.
“ Поглощение энергии атомом сопровождается переходами электрона на один из возбужденных уровней. Подобные переходы электрона называются возбуждением, а сам атом возбужденным. В возбужденном состоянии атом находится очень короткое время, приблизительно 1СГ8 с, после чего электрон возвращается непосредственно на основной уровень или, задерживаясь на промежуточных уровнях, испускает при этом энергию в виде фотонов.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. элЕктропроводаосгъ ПОЛУПРОВОдаИКОВ
Наши рассуждения относились к изолированному атому, в котором электрон может занимать один из ряда дискретных энергетических уровней. При объединении N атомов (например, для образования кристалла) между ними возникает сильное взаимодействие, которое приводит к расщеплению энергетических уровней. Из каждого энергетического уровня, соответствующего квантовому числу и, получается полоса близко расположенных уровней (по числу N взаимодействующих атомов — следствие принципа Паули). Совокупность группы этих близко расположенных уровней образует энергетическую зону.
Таким образом, вместо системы дискретньк энергетических уровней атома в кристалле появляется система энергетических зон (рис. 1.3).
В кристалле "твердого тела объемом 1 см3 содержится приблизительно 1022 — 1023 атомов. Учитывая, что ширина энергетической зоны не 16
A二夕A二夕Рис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергетические зоны кристаллаРис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергетические зоны кристалла
A二夕
A二夕
Рис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергетические зоны кристалла
Рис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергетические зоны кристалла
Рис. 1.4. Схематическое изображение структуры энергетических зон твердого тела
превышает единиц электрон-вольт, можно считать, что соседние уровни отличаются по энергии примерно на 1(Г22 эВ. Следовательно, энергетические уровни образуют в зоне практически непрерывный спектр.
Разрешенные энергетические зоны отделены интервалами энергий, которые электрон не может иметь. Эти интервалы энергий называются запрещенными энергетическими зонами. Ширина запрещенных зон определяется природой атомов, образующих кристалл, а также строением и состоянием атомов, образующих монокристалл.
На рис. 1.4 показано схематическое изображение энергетических зон твердого тела при температуре абсолютного нуля.
— разрешенная энергетическая зона, называемая заполненной. В этой зоне все уровни заняты электронами. Верхнюю часть заполненной зоны называют валентной /I
一 разрешенная энергетическая зона незаполненных уровней, называемая свободной зоной. Нижняя часть этой зоны, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, носит название зоны проводимости 3’ • Между нижним уровнем (дном) зоны проводимости 恥 и верхним уровнем (потолком) валентной зоны % расположена зона запрещенных энергетических уровней [запрещенная зона) 2.
Ширина запрещенной зоны △” является одним из важнейших параметров, определяющих электрические свойства твердого тела, например его электропроводность.
Для изображения энергетических зон твердого тела (проводников, полупроводников и диэлектриков) воспользуемся упрощенными диаграммами (рис. 1.5), на которых указаны валентная, запрещенная зоны и зона проводимости. Нижняя часть заполненной зоны на диаграммах не показана, так как электроны, Находящиеся в этой области, участия в электропроводности не принимают.
Рис. 1.5. Диаграммы энергетических зон проводника (а), диэлектрика ⑹，полупроводника (в):
1 - валентная зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости
В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются и электроны из валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости при любой температуре, т. е. могут участвовать. в процессе электропроводности.
В диэлектриках и полупроводниках валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной AW. При температуре абсолютного нуля в зоне проводимости этих веществ электронов нет и, следовательно, электропроводность отсутствует.
У диэлектриков ширина зоны AW велика (не менее 3 эВ). Поэтому в обычных условиях переход электронов в зону проводимости маловероятен. Такие тела не способны проводить электрический ток и являются изоляторами.
В полупроводниках ширина запрещенной зоны относительно мала (около 0,5—3 эВ). При таком значении Д^и температуре, отличной от абсолютного нуля, возможен переход некоторого числа электронов из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны обусловливают в полупроводнике электронную проводимость, или проводимость » типа (от латинского слова negative — отрицательный). Одновременно в валентной зоне из-за ухода электронов появляются свободные у ров- ни (электронные вакансии). Соседний электрон в валентной зоне может занять этот уровень, создав тем самым новый вакантный энергетический уровень и т. д. Смещение электронов в валентной зоне эквивалентно движению в противоположном направлении некоторой частицы — "дырки”，имеющей по отношению к электрону положительный заряд. Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то перемещение дырки станет направленным. Этот вид проводимости полупроводника называется дырочной, или проводимостью р-типа (от латинского слова positive — положительный).
Процесс одновременного образования электрона и дырки называется генерацией злектронно-дырочных пар. Обратный процесс соединения электрона с дыркой называется рекомбинацией.
В химически чистом полупроводнике концентрация дырок в валентной зоне равна концентрации электронов проводимости. Электропро- 18
Рис. 1.6. Энергетические диаграммы полупроводника:
а - с донорной примесью; 6 - с акцепторной примесью (7 - валентная зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости; 4 — валентные уровни донорных атомов; 5 - свободные уровни акцепторных атомов)
водность, обусловленная одновременным участием в проводимости электронов и дырок, называется собственной проводимостью полупроводника z -типа (от слова intrinsic - собственный).
Равенство концентраций электронов и дырок может нарушиться из-за наличия атомов примесей. Если преобладает концентрация одного из типов носителей заряда (электронов или дырок), то электропроводность полупроводника называется примесной проводимостью. Примеси бывают цвух видов: донорные и акцепторные. Донорные примеси (доноры) отдают свои электроны и создают в кристалле полупроводника электронную проводимость (полупроводник типа и). Энергетические уровни, создаваемые донорными примесями, располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 1.6, а).
Атомы акцепторной примеси принимают на свои уровни валентные электроны и тем самым обусловливают появление дырок. В результате создается дырочная проводимость полупроводника (полупроводники типа р). Свободные энергетические уровни, создаваемые акцепторной примесью, расположены в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны (рис. 1.6,6).
Для ионизации примесных атомов требуется значительно меньшая энергия, чем для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.
РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ
Согласно квантовой статистике Ферми-Дирака функция распределения электронов металла по энергиям имеет вид, показанный на рис. 1.7. По оси абсцисс отложена энергия электронов 附 по оси ординат —количество электронов N; на рис. 1.7 обозначено: Ир — уровень (энергия) Ферми - максимально возможная энергия электронов в металле при температуре абсолютного нуля.
Рис. 1.7. Распределение свободных электронов в проводнике по энергиям
Из рис. 1.7 видно (кривая 2), что при температуре абсолютного нуля наибольшее число электронов в проводнике имеет максимально возмож- НУЮ энергию 唯.Энергия Ферми зависит от концентрации электронов проводимости в металле и определяется выражением:
где h — постоянная Планка; те — масса электрона; ^ — число свободных электронов в 1 см3 металла.
В зависимости от числа N энергия Wp принимает значения от еди- ниц зВ (цезий, калий, натрий) до десятка эВ (алюминий, вольфрам и др.) •
Несмотря на то что электроны внутри металла обладают при температуре абсолютного нуля значительными энергиями, выхода их за поверхность металла не наблюдается. Выходу электронов из металла препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом.
Электроны, двигаясь в металле за счет собственной энергии, перемещаются к поверхности, те, что обладают достаточной собственной энергией, могут на короткое время выйти за пределы кристаллической решетки (не более 1QT8 см). В этом случае у поверхности метал- ла за счет вышедших электронов образуется электронный заряд, который вместе с положительными зарядами, образовавшимися в результате ухода электронов, создают двойной электрический слой (рис. 1.8). Электрическое поле этого слоя препятствует выходу электронов из металла, так как оно является тормозящим для них.
Если предположить, что некоторое количество электронов, обладающих энергией больше 纳,все же вышло за пределы в вакуум (на расстояние, значительно превышающее междуатомное), то по законам электрической индукции в металле должен быть наведен положительный заряд на том же расстоянии х от поверхности металла (рис. 1.9).
Между электроном и индуцированным зарядом (зарядом зеркального изображения) действует сила взаимного притяжения, направленная внутрь металла и препятствующая их выходу. Следовательно, для отрыва от поверхности металла электрону нужно сообщить дополнительно к его максимальной энергии Wp энергию 必，т. & некоторую полную энергию или полную работу выхода Wa=Wp + 必.
Энергия 必=М -眸，необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Фер- 20
++Рис. 1.8. Двойной электрический слой на поверхности проводника
+
+
Металл
Рис. 1.9. Образование силы, обусловленной наличием зеркально наведенного заряда у поверхности металла
ми в данном материале, называется работой выхода. Затрата энергии на перемещение электрона из металла в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов в тормозящем поле 9°. Поэтому % 二 е%, измеряется в электрон-вольтах.
Работа выхода зависит в основном от междуатомного расстояния твердого тела: чем расстояние больше, тем работа выхода меньше. Например, у щелочных и щелочноземельных металлов (цезий, барий, стронций и т. д.), имеющих большие расстояния между атомами в кристаллической решетке, работа выхода невелика — около 1,8—2,5 эВ, а у таких металлов, как молибден, вольфрам, платина, — 4—5,3 эВ, т. е. почти в 2 раза больше.
Тормозящая разность потенциалов для вылетающих с поверхности металла электронов представляет своего рода барьер, называемый потенциальным или энергетическим. Энергетический барьер у поверхности металла показан на рис. L10. По оси ординат отложена энергия W, а по оси абсцисс 一 расстояние от поверхности металла х. Если пользуются понятием потенциального барьера, то по оси ординат откладывают потенциал, равный 9 = WR В целом кривая показывает, какую работу надо совершить, чтобы переместить электрон на расстояние х от поверхности тела. Участок ab соответствует максимальной энергии электрона в металле 咋,высота барьера cd определяет полную энергию 必，необходимую электрону для выйета из металла в вакуум, разность энергий %и 昨-работу выхода электрона е%・
Работу выхода можно значительно изменить, если на поверхность металла нанести тонкий одноатомный слой другого вещества. Если на поверхности основного металла расположены атомы вещества, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается уменьшение работы выхода. Такие атомы вещества называются электроположительными относительно основного металла (рис. 1.11,а).
Рис. 1.10. Энергетический барьер у поверхности металла
Рис. 1.11. Электроположительные (а) и электроотрицательные (б) атомы вещества на поверхности металла
Объясняется это тем, что атомы, отдающие часть электронов основному металлу, превращаются в положительные ионы, которые совместно с отрицательным зарядом основного металла создают двойной электрический слой. Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для выходящих из металла электронов, т. е. уменьшает работу выхода. Так, одноатомная пленка тория снижает работу выхода вольфрама до 2,63 эВ.
Атомы вещества, отбирающего у основного металла электроны и превращающиеся в отрицательные ионы (рис. 1.11, б), называются электроотрицательными относительно основного металла. Слой таких атомов на поверхности металла приводит к увеличению работы выхода. Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличивают работу выхода на несколько электрон-вольт.
Выход электронов возможен также 'иэ полупроводников и диэлектриков. В этом случае необходимо затратить полную энергию, равную сумме энергии для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости и энергии для выхода электронов проводимости за поверхность полупроводника в вакуум. Работа выхода некоторых примесных полупроводников может составлять около 1 эВ.
Контрольные вопросы и задания
Назовите основные свойства электрона.
Объясните связь энергии электрона с напряжением, ускоряющим его. В каких единицах принято измерять эту энергию?
Назовите основные положения теории атома по Бору.
В чем заключается двойственность природы электрона?
Объясните понятие "дискретность” для энергетических уровней электронов в атоме.
Как влияет на энергетические уровни взаимодействие отдельных атомов при образовании кристалла?
Что вы понимаете под разрешенными и запрещенными энергетическими эонами?
В чем отличие валентной эоны от зоны проводимости?
Объясните различие между металлами и полупроводниками；с дочки зрения проводимости.
Почему при температуре абсолютного нуля не наблюдается выход электронов из металла?
Глава вторая
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Выше указывалось, что для выхода из вещества электрон должен совершить работу выхода. Для этого электрону необходимо сообщить извне дополнительную энергию. Явление испускания электронов с поверхности вещества в окружающее пространство называется электронной эмиссией. Электрод электровакуумного прибора, являющийся источником электронной эмиссии, называется эмиттером или катодом. В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии электронам различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и электростатическую эмиссию.
ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Термоэлектронная эмиссия — явление выхода электронов из нагретых тел. Эта эмиссия в настоящее время широко используется как в вакуумных, так и ионных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости эмиттера увеличивается и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Чем выше температура эмиттера, тем большее число электронов имеет энергию, достаточную для того, чтобы покинуть эмиттер. Следовательно, с повышением температуры увеличивается количество испускаемых электронов, т. е. ток электронной эмиссии с поверхности эмиттера.
Для вычисления тока термоэлектронной эмиссии необходимо определить число электронов, поступающих в единицу времени к поверхности тела и обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.
Рис. 2.1. Кривые распределения электронов по энергиям при различных температурах металла:Рис. 2.1. Кривые распределения электронов по энергиям при различных температурах металла:
Рис. 2.1. Кривые распределения электронов по энергиям при различных температурах металла:
Рис. 2.1. Кривые распределения электронов по энергиям при различных температурах металла:
J - Г=0К;2-Т>0К; 3 - изображение потенциального барьера у поверхности эмиттера
Рис. 2.2. Построение прямой Ричардсона
Согласно условию Ферми—Дирака распределение электронов в металле по энергиям определяется формулой
dn = Аdn = А吗/2
dn = А
dn = А
exp т— + 1 укТ
где dn — число электронов в 1 см3 металла, имеющих при Т = 0 К энергию в интервале dW; Т - термодинамическая температура; 编 -пол
ная энергия электрона; мана; А — постоянныйная энергия электрона; мана; А — постоянный哗？ 一 уровень Ферми; к — постоянная Больц- коэффициент.
ная энергия электрона; мана; А — постоянный
ная энергия электрона; мана; А — постоянный
Графическая зависимость отношения dn/dW от W получила название дифференциальной кривой распределения энергии (рис. 2.1). На этом же рисунке показан потенциальный барьер у поверхности тела (эмиттера).
При температуре Т = О К (кривая 7) внутри металла электроны имеют энергию, не превышающую % — энергию Ферми.
При разогреве эмиттера до температуры Т > 0 часть электронов имеет энергию больше 咋 и может покинуть металл (кривая 2).
Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяют по урав-
(2.1)(2.1)нению Ричардсона—Дэшмана: З/АехрТ/Т),
(2.1)
(2.1)
где А и b ~ постоянные термоэлектронной эмиссии, зависящие от природы и чистоты поверхности металла;
А = 120Z)А/(см2 К2); Ь = -е9о/%；
D — проницаемость потенциального барьера для электронов; е% —
24
работа выхода, эВ; Г - термодинамическая температура эмиттера; к 一 постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10~2 3 Дж/К.
Уравнение (2.1) показывает, что плотность тока термоэлектронной эмиссии /э с поверхности металла зависит от работы выхода и температуры. При данной температуре /э определяется постоянными Л и ^. Последние можно определить, если уравнение записать в логарифмической форме:
1п|/э/Г2| =1п|Л| -Ь/Т.(2.2)
Выражение (2.2) показывает, что In | /э/ Г21 зависит линейно от величины 1/Т и при построении должно дать прямую линию (прямую Ричардсона). Определив экспериментальным путем значение плотности тока при различных температурах и построив зависимость 1п| /э/ Г21 = =/*(1/7} (рис. 2.2), найдем постоянные коэффициенты А и Ь. Прямая КМ отсекает на оси ординат отрезок ОК =1п/, а тангенс угла наклона прямой определяет коэффициент Ь, т. е. работу выхода, деленную на постоянную Больцмана:
tg0 = b = е%/北.
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ТЕРМОЭЛЕКТРОННУЮ ЭМИССИЮ
Выше было рассмотрено уравнение для плотности тока термоэлектронной эмиссии (2.1) в предположении, что внешнее электрическое поле в вакууме отсутствует. Однако исследования показали, что внеш
нее ускоряющее электрическое поле, приложенное между катодом и
анодом любого электровакуумного прибора, увеличивает электронную эмиссию. Это явление получило название эффекта Шоттки, суть которого поясняется на рис. 2.3.
Кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой %, соответствующей полной работе выхода % при отсутствии внешнего электри
ческого поля, линия 2 — распределение потенциала внешнего электрического поля для плоскопараллельных электродов. Результирующая кривая 3 получена путем алгебраического сложения ординат кривых 7 и 2. Из нее видно, что высота потенциального барьера снижается на Ар, т. е.匕=9а - △“, следовательно, электрону приходится совершать работу % меньшую чем %
Рис. 2.3. Влияние внешнего электрического поля на потенци альный барьер
С учетом эффекта Шоттки выражение для плотности тока термоэлектронной эмиссии имеет следующий вид:
J； = %4,39Е2/Т,(2.3)
где /э определяется по (2.1); Е - напряженность электрического поля.
Формула (2.3) показывает, что плотность тока термоэлектронной эмиссии катода увеличивается при наличии внешнего ускоряющего поля. Эта формула справедлива только для катодов, имеющих идеально гладкую поверхность. Дня катодов с шероховатой поверхностью, где напряженность поля меняется от точки к точке, ток эмиссии может значительно возрасти.
ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. Фотоэффект был открыт Г. Герцем, фундаментальные исследования этого явления выполнены А. Столетовым, а теоретические объяснения с точки зрения квантовой теории света даны А. Эйнштейном.
В электровакуумных приборах практическое применение имеет фотоэлектронная эмиссия с поверхности твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум. Рассмотрим основные закономерности фотоэлектронной эмиссии.
Ток эмиссии 7ф прямо пропорционален падающему потоку излучения Ф при условии неизменности его спектрального состава (закон Столетова)
3 sФ,
где S — коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотозмиттера.
Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т = 0 К существует минимальная частота “о или максимальная длина волны \) ("красная границап) спектра излучения, за которой фотоэлектронная эмиссия не наблюдается. Максимальную длину волны \) называют длинноволновым порогом фотоэффекта, а соответствующую частоту “о -c/\)- пороговой частотой.
Энергия фотонов в электрон-вольтах и длина волны излучения в нанометрах связаны соотношением
hv~ 力〃入=1236/Х.
Зная длинноволновый порог фотоэффекта, можно найти наименьшую знергию фотонов, при которой возникает фотоэлектронная эмиссия
无 “о = 1236/Хо-
Рис. 2.4. К объяснению явления фотоэлектронной эмиссии из металлов
Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов, покидающих твердое тело, линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).
Закон Эйнштейну представляет собой частный случай закона сохранения и превращения энергии для одного элементарного акта фотоэффекта. Объяснение закономерностей фотоэлектронной эмиссии базируется на следующих положениях. Каждый фотон, энергия которого равна hv, проникая в твердое тело, взаимодействует только с одним свободным электроном. Электрон с энергией W, поглотив один фотон, увеличивает свою энергию на 力"，т. е.
We = W hv.
Электроны, энергия которых We больше полной работы выхода М, а скорость направлена в сторону поверхности твердого тела, могут преодолеть потенциальный барьер и покинуть тело. При этом следует учитывать, что на пути к поверхности часть энергии электрона может рассеяться.
Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход У, под которым понимают отношение числа вылетевших электронов к числу падающих на фотокатод фотонов
Y=NJN® (2.4)
Величина У зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.
Составим уравнение баланса энергии электрона, участвующего в эмиссии (рис. 2.4):
W + 力"一AW — % = mv2/2.
где AW — энергия, рассеянная электроном на пути к поверхности твердого тела.
Очевидно, что максимальной энергией (wv2/2) будут обладать те электроны, которые до поглощения энергии фотона имели максимальную энергию Wmax.
Разность % - Wmax равна энергии, которую нужно сообщить электрону, имевшему максимальную энергию при Г = О К, для того чтобы он мог покинуть твердое тело. Очевидно, что эта энергия, называемая работой выхода при внешнем фотоэффекте или фотоэлектрон-
ной работой выхода, равна hvQt Тогда выражение для максимальной энергии вылетающих электронов может быть записано в виде
(2.5)(2.5)(м 俨/2)тз =hv-hv0.
(2.5)
(2.5)
Уравнение (2.5) является математическим вьфажением закона Эйнштейна.
При Г = О К наивысший заполненный уровень 川皿以 в металле совпадает с уровнем Ферми 咋,поэтому для металла
hvQ = e^Q.
В полупроводниках работа выхода е% может значительно отличаться от фотоэлектронной работы выхода 力 Это различие зависит от ширины запрещенной зоны и типа проводимости полупроводника.
Следует отметить, что внешнее ускоряющее поле, как и в случае термоэлектронной эмиссии, увеличивает фотоэмиссию за • счет снижения потенциального барьера эмиттера.
25 ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Вторичная электронная эмиссия (вторичная эмиссия) — эмиссия электронов, обусловленная бомбардировкой поверхности эмиттера электронами или ионами. Электроны, бомбардирующие поверхность эмиттера, принято называть первичными, а испускаемые телом — вторичными.
Предположим, что поток иэ % первичных электронов эмитируется катодом и под действием ускоряющего напряжения направляется
Рис. 2.5. Схематическое изображение траекторий движения электронов в объеме эмиттераРис. 2.5. Схематическое изображение траекторий движения электронов в объеме эмиттера
Рис. 2.5. Схематическое изображение траекторий движения электронов в объеме эмиттера
Рис. 2.5. Схематическое изображение траекторий движения электронов в объеме эмиттера
Рис. 2.6. Зависимость коэф4»тиента вторичной эмиссии О от напряжения ускорения первичных электронов W, Mo, Ni
к эмиттеру (вторично-электронному катоду). Часть первичных электронов Иу испытывает упругое отражение (рис. 2.5), другая часть проникает внутрь тела и отдает там свою энергию электронам эмиттера. При этом одни первичные электроны могут полностью рассеять свою энергию и остаться в эмиттере, другие, затратив часть энергии и испытав неупругое отражение, выйти из эмиттера — %. Внутренние вторичные электроны возникают на различных расстояниях от поверхности эмиттера. Получив избыточную энергию от первичных электронов они движутся в различных направлениях объема тела, рассеивая энергию. Те из них, которые сохраняют при движении к границе тело- вакуум энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, и покидают эмиттер, составляют поток истинно вторичных электронов На рисунке сплошной линией показаны примерные траектории движения в объеме эмиттера первичных электронов, тонкой линией -вторичных электронов, а кружками обозначены места их зарождения.
Таким образом, поток вторичных электронов не однороден по составу и включает в себя поток истинно вторичных электронов упруго- и неупругоотраженных электронов (丐 н % соответственно):
«2 = «и,в+ «у+ «н-
Вторичная эмиссия количественно характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии о, представляющим собой отношение числа вторичных электронов & к числу первичных % или отношение вторичного тока А к первичному 乙：
0=%"=a/a.
Коэффициент а зависит от материала эмиттера, состояния его поверхности, структуры и плотности, энергии первичных электронов и угла их падения.
Зависимость о от напряжения ускорения первичных электронов показана на рис. 2.6. При увеличении ускоряющего напряжения (энергии первичных электронов), коэффициент о в начале плавно возрастает, переходит через максимум, а затем медленно падает. Значения отах и Umax зависят от материала эмиттера. Рост коэффициента а объясняется тем, что при увеличении скорости первичных электронов возрастает их глубина проникновения в эмиттер. Поэтому увеличивается и число вторичных электронов, вылетающих с данной глубины. При дальнейшем
Рис. 2.8. Относительное распределение вторичных электронов по энергиямРис. 2.8. Относительное распределение вторичных электронов по энергиямРис. 2.7. Условия выхода вторичных электронов в зависимости от угла падения 9 电，的 -длина пробега первичных электронов)Рис. 2.7. Условия выхода вторичных электронов в зависимости от угла падения 9 电，的 -длина пробега первичных электронов)
Рис. 2.8. Относительное распределение вторичных электронов по энергиям
Рис. 2.8. Относительное распределение вторичных электронов по энергиям
Рис. 2.7. Условия выхода вторичных электронов в зависимости от угла падения 9 电，的 -длина пробега первичных электронов)
Рис. 2.7. Условия выхода вторичных электронов в зависимости от угла падения 9 电，的 -длина пробега первичных электронов)
увеличении ускоряющего напряжения первичные электроны проникают на глубину, пр евосходящую некоторую предельную Ла для данного вещества, и а уменьшается. Выход вторичных электронов с глубин, больших предельной, затруднен из-эа рассеяния энергии при многочисленных столкновениях с электронами эмиттера.
Для большинства чистых металлов значение。加以 невелико (0,5— 1,8). В фотоэлектронных умножителях для получения больших значений Отах применяют полупроводниковые материалы и окисленные сплавы, например AlMg, AgMg, CuBe.
Зависимость коэффициента о от угла падения показана на рис. 2.7. Угол падения отсчитывается от нормали к поверхности эмиттера до направления движения первичных электронов. Установлено, что при увеличении угла падения 屮 значение о возрастает. Чем больше угол падения 9, тем ближе к поверхности образуются вторичные электроны и, следовательно, больше вероятность их выхода.
Распределение вторичных электронов по энергиям при энергии первичных электронов, равной 150 эВ, показано на рис. 2.8. Область I соответствует истинно вторичным электронам, начальные энергии которых распределены в диапазоне 0—50 эВ. Максимальное число вторичных электронов обладает энергией около 5—15 эВ. Значительное число электронов покидает эмиттер со скоростью, примерно равной скорости первичных электронов (область НГ), — это упругоотраженные первичные электроны. Электроны, покидающие эмиттер с энергиями 50— 150 эВ (область 〃)，составляют группу неупругоотраженных первичных электронов.
Следует отметить, что прямой зависимости между коэффициентом о и работой выхода материала эмиттера нет. Основными процессами в явлении вторичной эмиссии являются процессы внутри объема эмиттера —образование и движение к поверхности вторичных электронов. Эти процессы зависят в основном от атомно-молекулярной структуры эмиттера и других факторов, указанных выше.
30
Вторичная электронная эмиссия лежит в основе работы фотоэлектронных умножителей, приемных, передающих, запоминающих трубок н других приборов. Вторичная эмиссия может происходить также при бомбардировке поверхности эмиттера тяжелыми частицами — ионами. Такая эмиссия наблюдается иэ катодов при некоторых видах электрического разряда в газе (см. § 25.2).
2・6・ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
Электростатической (автоэлектронной) эмиссией называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля (напряженность Е* 108 В/см).
Явление автоэлектронной эмиссии не может быть объяснено с помощью законов классической механики и электродинамики, базирующихся на представлении электрона в виде частицы. Объяснение дает квантовая механика на основе изучения волновых свойств электрона.
При сильном внешнем электрическом поле потенциальный барьер понижается и становится узким (рис. 2.9). При таких узких барьерах существует некоторая вероятность проникновения электронов туннельным способом 一 не над потенциальным барьером, а сквозь него. Согласно квантовомеханическим представлениям эта, вероятность становится значительной, когда длина волны электрона становится соизмеримой с шириной потенциального барьера.
Плотность тока автоэлектронной эмиссии для металлов (Г = О К) выражается формулой Фаулера—Нордгейма:
(2.6)
где Ai н J — универсальные постоянные, куда входит работа выхода; Е - напряженность электрического поля.
Рис. 2.9. К пояснению электростатической эмиссииРис. 2.9. К пояснению электростатической эмиссииРис. 2.10. Зависимость тока электростатической эмиссии от напряженности поля31Рис. 2.10. Зависимость тока электростатической эмиссии от напряженности поля31
Рис. 2.9. К пояснению электростатической эмиссии
Рис. 2.9. К пояснению электростатической эмиссии
Рис. 2.10. Зависимость тока электростатической эмиссии от напряженности поля
31
Рис. 2.10. Зависимость тока электростатической эмиссии от напряженности поля
31
Автоэлектронные катоды имеют, как правило, весьма малую эмит- тирующую поверхность и обеспечивают при этом плотность тока эмиссии до 108 А/см2 .
Как и для термоэлектронной эмиссии, уравнение (2.6) после преобразования запишем в логарифмической форме:
出1人,/ё」=34|一々/e
Зависимость In] J3^)Е\ = 力 1/Е] на рис. 2.10 изображена прямой линией. Постоянная 4】определяется отрезком ординаты 1п| Л11, а В】一ln|/i|/(l/E)二 tgd
Электростатическая эмиссия лежит в основе работы некоторых ионных приборов (экситронов, игнитронов и др.). В отдельных случаях эта эмиссия оказывает вредное влияние на работу электровакуумных приборов и ее следует учитывать.
Контрольные вопросы и задания•
Как связана плотность тока термоэлектронной эмиссии с температурой и работой выхода? Какой из этих двух факторов являются определяющим?
Почему ускоряющее электрическое поле, приложенное между катодом и анодом электровакуумного прибора, увеличивает плотность тока термоэлектронной эмиссии?
Назовите основные законы фотоэлектронной эмиссии.
Что вы понимаете под длинноволновым порогом фотоэффекта?
От каких факторов зависит максимальная энергия вылетающих электронов из эмиттера при внешнем фотоэффекте?
Что вы понимаете под коэффициентом вторичной электронной эмиссии? От каких факторов он зависит?
Сравните уравнения для плотности тока при термоэлектронной и электростатической эмиссиях.
Глава третья
ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫХ КАТОДОВ
В подавляющем большинстве электровакуумных приборов в качестве источника свободных электронов используются термоэлектронные катоды (термокатоды).
Термокатоды принято классифицировать по способу нагрева и виду эмиттирующей поверхности. По способу нагрева катоды можно разделить на прямоканальные и подогревные (косвенного накала). В прямо- 32
канальных конструкциях нагрев катода осуществляется непосредственным пропусканием тока по телу катода, а в подогревных — при помощи подогревателя, расположенного в полости катодного керна и изолированного от него.
По виду эмиттирующей поверхности современные термокатоды условно делят на следующие группы: металлические (вольфрамовые, танталовые, молибденовые и т. д.); пленочные (торированный вольфрам, карбидированный торированный вольфрам); полупроводниковые (в основном оксидные катоды и их варианты); специальные типы эффективных катодов (металлопористые, прессованные, пропитанные или импрегнированные и подобные им катоды).
При работе в электровакуумных приборах катоды должны обеспечивать следующие требования:
эмиттировать необходимый поток электронов в течение всего срока службы;
быть устойчивыми к бомбардировке нейтральными и заряженными частицами;
эмиссионный материал катода должен обладать достаточно высокой температурой плавления, допускающей его обработку при температурах выше рабочей во время откачки прибора в целях обезгаживания и очистки от поверхностных загрязнений;
иметь необходимую электрическую проводимость, низкую скорость испарения, высокую механическую прочность.
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОКАТОДОВ
Различные типы катодов сравнивают между собой по следующим параметрам： удельной эмиссии, удельной мощности накала, эффективности, рабочей температуре и долговечности.
Удельная эмиссия (плотность тока эмиссии) 厶，А/см2, — ток электронной эмиссии с 1 см2 поверхности катода. Удельная эмиссия зависит от температуры и работы выхода катода и определяется выражением (2.1). У современных катодов удельная эмиссия составляет приблизительно 0,1—0,5 А/см2.
Удельная мощность накала 尸入—мощность, Вт, затрачиваемая на 1 см2 рабочей поверхности катода. Удельная мощность накала является характеристикой потребления энергии катодом.
Для нагрева катода затрачивается мощность источника питания, зависящая от температуры, свойств материала и размеров катода. Если к катоду подвести определенную мощность, то температура его будет расти до тех пор, пока не установится равенство подводимой и отдаваемой мощностей.
Подводимая к катоду мощность накала расходуется на излучение энергии в окружающее пространство, эмиссию электронов, а также часть мощности теряется из-за теплопроводности держателей катода.
Доля излучаемой мощности 尸；，Вт/см2, может быть определена в соответствии с уравнением Сте фана—Б о льцмана:
小 ваГ4,
где。= 5,67 • КГ12 Вт/(см2 • К4) 一 постоянная Стефана-Больцмана; е 一 коэффициент излучения, равный отношению излучательной способности данной поверхности к излучательной способности абсолютно черного тела. Для абсолютно черного тела е = 1, а для всех реальных тел е < 1. Из формулы следует, что охлаждение катода будет тем меньше, чем меньше коэффициент излучения.
Потеря мощности за счет эмиссии электронов и теплоотвода держателями катода (для катодов из длинных тонких проволок или лент) ма* ла по сравнению с потребляемой катодом мощностью. Для массивных катодов потери мощности на теплоотвод держателями могут составить несколько десятков процентов. Для катодов, у которых можно пренебречь теплоотводом по сравнению с излучаемой мощностью, приближенно можно считать, что всю потребляемую энергию катод отдает в виде энергии излучения, т. е.
R н 尸二=еаГ4.
Эффективность катода 〃 мА/Вт, — ток электронной эмиссии 7Э на 1 Вт мощности, затраченной на разогрев катода:
Н= /э"н・
Эффективность является наиболее важным параметром катода, оценивающим его экономичность. Чем меньше мощность цепи накала, при которой можно получить необходимый ток, тем выше эффективность. Эффективность катодов составляет приблизительно 2—120 мА/Вт.
Рабочая температура 7^аб, К, - это температура, при которой достигается требуемая удельная эмиссия. Чем ниже рабочая температура катода, тем меньшую мощность нужно затрачивать на его нагрев и, следовательно, экономичность катода выше. Температура катода определяет также тепловой режим электродов прибора и баллона. С этих точек зрения целесообразно применять в приборах катоды, дающие необходамую удельную эмиссию при возможно более низкой рабочей температуре. В ряде случаев наряду со сравнительно низкотемпературными (7^6 = =1000 -г 1100 К) применяют и высокотемпературные катоды (Граб = =2400 -г 2600 К), более устойчивые к неблагоприятным воздействиям.
Долговечность катода — время непрерывной работы в часах при нормальных условиях эксплуатации, в течение которого катод сохраняет свои основные параметры в пределах нормируемых. Долговечность современных катодов составляет 500—10 000 ч.
Эмиссионные свойства катодов характеризуются эмиссионной характеристикой, представляющей собой зависимость тока эмиссии от 34
Рис. 3.1. Эмиссионная /э =『(％) и накальная /н =/(^н) хч)актеристики катода
температуры катода. Измерение температуры катода в готовых приборах сопряжено с определенными трудностями, проще контролировать ток или напряжение накала. Поэтому в качестве эмиссионных характеристик используют завнси- мости /э =f(Un) или /э =/(ZH) (рис. 3.1).
10)ивые снимают при постоянном анодном напряжении, обеспечивающем попадание всех эмиттируемых электронов на анод прибора. На рис. 3.1 представлена также накальная характеристика /н = / (%), снятая при анодном напряжении, равном нулю. Нелинейность накальной характери
стики объясняется ростом сопротивления нити накала при ее разогреве.
ВОЛЬФРАМОВЫЕ КАТОДЫ
3 ioon® n@3 ioon® n@В настоящее время наиболее распространенным металлическим катодом является вольфрамовый (рис. 3.2), обладающий высокой температурой плавления [(3683 ± 20) К], достаточной технологичностью (ковкостью и тягучестью). Последнее свойство позволяет изготовлять из него проволоку толщиной от единиц микрона до нескольких миллиметров. Рабочая температура катода составляет 2370—2600 К. Причем эффективность его мала и меняется от 2 до 10 mA/Вт. Это является основным недостатком вольфрамового катода. При температуре катода около 2500 К долговечность составляет более 1000 ч при плотности тока эмиссии до 0,5 А/см2.
3 ioon® n@
3 ioon® n@
Рис. 3.2. Конструкции вольфрамовых катодов прямого накала:
а — для цилиндрических систем электродов; б - для плоских систем элект-
родов
Важным свойством вольфрамового катода является стабильность эмиссии, способность хорошо работать при небольших разрежениях (КГ? Па), устойчивость к ионной бомбардировке под воздействием сильных электрических полей. Эти положительные свойства позволяют использовать вольфрамовые катоды в мощных высоковольтных лампах и рентгеновских трубках.
ПЛЕНОЧНЫЕ КАТОДЫ
Пленочные катоды представляют собой металлическую поверхность, покрытую атомным или молекулярным слоем другого электроположительного вещества. Выше указывалось, что подобные системы имеют существенно меньшую работу выхода электронов, чем катоды иэ чистых металлов (см. § 1.6).
К пленочным катодам относится торированный и карбидированный торированный вольфрам (карбидированный катод) (рис. 3.3). Катоды иэ торированного вольфрама в настоящее время полностью вытеснены карбидированными и полупроводниковыми катодами иэ-эа недолговеч- ности ториевой пленки (активного слоя) на поверхности вольфрама при применении высокого анодного напряжения.
Устойчивость работы торированного катода повышается при его карбидаровании, которое заключается в обработке вольфрамовой проволоки с примесью оксида тория в количестве 0,5—2% в парах углеводорода (например, бензола) при температуре около 1600 К. При разложении бензола выделяется углерод, который диффундирует в глубь вольфрама и вступает в химическое соединение с ним. В результате на поверхности катода образуется карбид вольфрама W2c (рис. 3.3, б). Экспериментальным путем установлено, что доля поперечного сечения проволоки, превращенного в карбид, должна составлять 30%. Дальнейшее увеличение процента карбидирования приводит к повышению хрупкости катода.
Процесс активирования катода происходит в вакууме в два этапа при температуре около 2800 К в течение 1—2 мин и при пониженной температуре (2000—2300 К) в течение 15—20 мин. В результате активирования происходит формирование одноатомной пленки тория на слое карбида.
Рис. 3.3. Структура торированного (а) и К4)бидарованного (б) катодовРис. 3.3. Структура торированного (а) и К4)бидарованного (б) катодов
Рис. 3.3. Структура торированного (а) и К4)бидарованного (б) катодов
Рис. 3.3. Структура торированного (а) и К4)бидарованного (б) катодов
Присутствие слоя карбида вольфрама увеличивает прочность сцепления пленки тория с поверхностью подложки (W2 С) по сравнению с поверхностью чистого вольфрама, повышает устойчивость катода к ионной бомбардировке при высоких анодных напряжениях.
К недостаткам данного типа катода следует отнести хрупкость, а также склонность покрываться трещинами при многократном нагреве и охлаждении иэ-эа различия коэффициентов расширения вольфрама и карбида вольфрама. Рабочая температура катода приблизительно 2000—2600 К, удельная эмиссия 1,0—2,0 А/см2, эффективность 5 0- 70 mA/Вт. Конструкции карбидированных катодов аналогичны вольфрамовым.
ОКСИДНЫЕ КАТОДЫ
Из оксидных катодов наибольшее распространение получили катоды на основе оксидов щелочноземельных металлов и оксидно-то- риевые.
Катоды иа основе оксидов щелочноземельных металлов представляют собой (после операции активирования) металлический керн (подложку) ,поверхность которого покрыта окислами щелочно-земельных металлов - бария, стронция и иногда кальция. Эти оксиды химически нестойки, вступают в реакцию с влагой и углекислым газом. По этой причине их наносят на керн катода в виде карбонатов.
Применение других химических соединении щелочноземельных металлов нецелесообразно по разным причинам. Например, азотнокислые соли, разлагаясь, выделяют вредные активные газы, окисляющие детали прибора и сам керн катода.
Рассмотрим один из способов изготовления оксидных катодов. Основой катода является металлический керн различной конструкции. В качестве материалов керна чаще всего используют различные сорта никеля, вольфрама или их сплавов с присадками (магнии, вольфрам, кальций, цирконий и др.). Присадки служат активаторами, способствующими образованию свободного бария в оксидном покрытии.
На обработанный керн катода наносят карбонатную суспензию (Ва, Sr) СО3 — двойной карбонат или (Ba, Sr, Са) СО3 — тройной карбонат, замешанную на связующем органическом веществе — биндере (рис. 3.4,а).
После нанесения карбонатной суспензии и последующей сушки качество катода контролируют, т. е. определяют массу, толщину и состояние поверхности покрытия катода. Затем заготовку катода монтируют в прибор и дальнейшую обработку ее ведут на вакуумной установке, где она подвергается обеэгаживанию, а затем активированию.
Обезгаживание производится прокаливанием катода. При этом происходит разложение карбонатов на оксиды и газ СО2, который удаля-
Рис. 3.4. Структура оксидного катода:Рис. 3.4. Структура оксидного катода:а - после нанесения карбонатного покрытая; б - после разложения кч)боватного покрытия; в - после активирования катода; 7 - керн; 2 - карбонатное крьпие; 3 ~ оксиды щелочноземельных металлов; 4 - запирающий слой; 5 - атомы свободного барияа - после нанесения карбонатного покрытая; б - после разложения кч)боватного покрытия; в - после активирования катода; 7 - керн; 2 - карбонатное крьпие; 3 ~ оксиды щелочноземельных металлов; 4 - запирающий слой; 5 - атомы свободного барияпо-по-
Рис. 3.4. Структура оксидного катода:
Рис. 3.4. Структура оксидного катода:
а - после нанесения карбонатного покрытая; б - после разложения кч)боватного покрытия; в - после активирования катода; 7 - керн; 2 - карбонатное крьпие; 3 ~ оксиды щелочноземельных металлов; 4 - запирающий слой; 5 - атомы свободного бария
а - после нанесения карбонатного покрытая; б - после разложения кч)боватного покрытия; в - после активирования катода; 7 - керн; 2 - карбонатное крьпие; 3 ~ оксиды щелочноземельных металлов; 4 - запирающий слой; 5 - атомы свободного бария
по-
по-
ется во время откачки. Структура катода после обезгаживания представляет собой твердый раствор (Вa, Sr, Са) (рис. 3.4,6).
Активирование катода заключается в кратковременном нагреве его до температуры 1250—1300 К при одновременной подаче на анод положительного напряжения. При этом в толще оксидного слоя образуются атомы свободного бария.
В процессе формирования структуры оксидного катода протекают следующие реакции:
при высокой температуре й высоком вакууме термическая диссоциация окисла бария
2ВаО -> 2Ва + О2;
восстановление бария из окиси в результате воздействия активирующих присадок керна
2ВаО + Si f 2Ва + SiO?；
взаимодействие окислов бария с углеродом или окисью углерода 2ВаО + С т 2Ва + СО2;
электролиз окиси бария при прохождении сквозь оксидный слой тока
ВаО^Ва+++О~.
Введение присадок в материал керна наряду с улучшением процесса активирования дает нежелательный эффект. За счет образования оксидов и солей присадок, в частности Ba2SiO4, в приграничном слое керн—оксид создается запирающий слой (рис. 3.4, в), обладающий значительным омическим сопротивлением и препятствующий отбору тока.
Для окончательного активирования катод в готовом приборе подвергается специальной электрической обработке — тренировке, в результате которой катод приобретает стабильную высокую эмиссию. Оксидный катод в готовом приборе после операции активирования и тренировки представляет собой металлический керн, на поверхности которого находится твердый раствор оксидов бария, стронция и кальция. Атомы бария, равномерно распределяясь в толще и на поверхности слоя оксидов, превращают последний в примесный полупроводник n-типа. Присутствие окиси стронция и кальция в трехкомпонентном оксиде способствует увеличению эмиссионной способности катода и его прочности.
В некоторых приборах эмиссия с оксидных катодов происходит в течение коротких импульсов, что достигается импульсной подачей анодного напряжения. В таком режиме при длительности импульса около 10 мкс и скважности 100 плотность тока может достигать 15— 20 А/см2. Возможно получение плотности тока до 100 А/см2 при длительностях импульсов не более 1—2 мкс (с таких же катодов в непрерывном режиме получают плотность тока 0,5 АДсм2).
Резкое увеличение эмиссионной способности оксидного катода в импульсном режиме объясняется наличием у поверхности катода внешнего ускоряющего электрического поля. С увеличением длительности импульсов и частоты посылок плотность тока уменьшается и приближается к плотности тока, соответствующей непрерывному режиму. За время паузы катод восстанавливает свои эмиссионные свойства. Уменьшение тока эмиссии оксидного катода в течение действия импульса происходит в основном из-за наличия запирающего слоя на границе оксид—керн.
Оксидный катод получил наиболее пшрокое распространение в электровакуумных приборах — электронных лампах, приборах СВЧ, электронно-лучевых и газоразрядных приборах.
Основными преимуществами оксидного катода являются малая работа выхода (1,1—1,2 эВ), высокая эффективность (около 100 мА/Вт), высокая эмиссионная способность при относительно низкой рабочей температуре — приблизительно 900—1100 К.
Из недостатков оксидного катода следует отметить: отравление его остаточными газами (О2, СО, Н2 О) и как результат снижение эмиссионной способности; недостаточно прочное сцепление оксидного слоя с керном катода; разрушение оксидного слоя под действием сильных электрических полей и при бомбардировке его ионами; повышенное сопротивление запирающего слоя, которое может привести к искрению, пробоям и соответственно превышению температуры и разрушению катода.
Для увеличения поверхности контакта оксидного покрытия с керном катода ее покрывают губкой, поры которой заполняет активное эмиссионное вещество. Такие катоды называют синтерированными или металлогубчатыми. Основным материалом губки, используемым
для изготовления синтерированных катодов, является порошок никеля с размером частиц от 20 до 200 мкм.
Применение чистых сортов никелевых сплавов (не более 0,015% примесей) для изготовления керна катода и губки предотвращает образование запирающего слоя.
Окшдно^гориевые катоды представляют собой керн из тугоплавкого металла, на поверхности которого находится спеченная губка, как правило, из такого же материала, что и керн. В порах губки распределена окись тория и атомы свободного тория.
К оксидао-ториевым катодам предъявляется ряд специальных требований, связанных с условиями их эксплуатации в приборах СВЧ, генераторных лампах и других приборах: большие плотности тока в непрерывном и импульсном режимах, устойчивость активного слоя к электронной и ионной бомбардировке, отсутствие распыления активного слоя при высокой рабочей температуре, устойчивость к отравлению и искрению. -
При изготовлении оксидно-ториевых катодов в качестве материалов керна катодов используют тугоплавкие чистые металлы: тантал (ТВЧ), молибден (М0), вольфрам (BA-Зи), рений.
Для улучшения сцепления активного слоя с керном катода последний покрывают порошком тугоплавкого металла (губчатое покрытие) .
После операции спекания в губчатое покрытие методом пульверизации или катафореза вводят активное вещество — окись тория. Окись тория устойчива на воздухе в отличие от оксидов щелочноземельных металлов. Поэтому эти катоды первоначально обычно обезгаживаются до монтажа катода в прибор, что сокращает время откачки прибора.
Активирование оксидао-ториевого катода производится в приборе и заключается в восстановлении атомов тория из оксида при медленном повышении температуры. Максимальная температура активирования для катодов косвенного накала около 1800 К и приблизительно 2400 К для прямоканальных.
При нагревании катода до указанных температур происходят следующие процессы:
восстановление свободного тория вольфрамом
Th6+Wf TK + W5；
образование свободного тория в процессе термической диссоциации оксида тория
ThO2^Th+ О2.
Оксидно-ториевый катод, так же как и оксидный, является полупроводником с электронной проводимостью (рис. 3.5). Достоинством оксидао-ториевого катода является: стойкость активного вещества к 40
Рис. 3.5. Конструкция оксидно-то ри ев ых катодов:а, б ~ катоды косвенного накала; в - катод прямого накалаРис. 3.5. Конструкция оксидно-то ри ев ых катодов:а, б ~ катоды косвенного накала; в - катод прямого накала
Рис. 3.5. Конструкция оксидно-то ри ев ых катодов:
а, б ~ катоды косвенного накала; в - катод прямого накала
Рис. 3.5. Конструкция оксидно-то ри ев ых катодов:
а, б ~ катоды косвенного накала; в - катод прямого накала
отравлению, электронной и ионной бомбардировкам, отсутствие искрения.
6 нем отсутствует запирающий слой, вследствие чего такие катоды могут работать в импульсном режиме при больших плотностях тока катода.
В непрерывном режиме эти катоды обеспечивают плотность тока до нескольких ампер на 1 см2, а в импульсном — до 20 А/см2. Работа выхода оксидно-ториевого катода около 2,5-2,7 эВ, а рабочая температура 1600-1800 К.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ЭФФЕКТИВНЫХ КАТОДОВ
Металлокапиллярные катоды (£-катоды) относятся к пленочным термокатодам, в которых одноатомная пленка бария непрерывно пополняется за счет поступления атомов бария из специальной камеры с большим запасом активного вещества (рис. 3.6). Катод состоит из молибденового корпуса 7, в камере которого содержится активное вещество 2 — карбонат бария или двойной карбонат бария-стронция. Сверху в корпус запрессован колпачок или цилиндр из пористого вольфрама (губки) 3, изготовленного из порошка марки ВЧДК. Толщина губки не превышает 1 мм, а размер ее пор около 0,8—1,2 мкм. Нагрев катода до требуемой температуры осуществляется подогревателем 4
Изготовление L -катодов сводится к получению пористой вольфрамовой губки, формированию молибденового корпуса, сочленению его с вольфрамовым колпачком (цилиндром), термическому обезгажи- ванию и активированию.
К достоинствам L -катодов следует отнести высокую надежность и электрическую прочность, устойчивость к ионной бомбардировке, большую плотность тока как в непрерывном, так и в импульсном режиме.
Недостатками являются сложность изготовления, интенсивное испарение активного вещества и напыление его на электроды, что приводит к нежелательной эмиссии с их поверхностей. Z -катоды используют в 41
夕夕mmРис. 3.7. Пропитанный катод:Рис. 3.7. Пропитанный катод:Рис. 3.6. Схема Z -катодаРис. 3.6. Схема Z -катода'—молибденовый корпус; 2 — подогреватель; 3 — губка; 4 — донышко'—молибденовый корпус; 2 — подогреватель; 3 — губка; 4 — донышко
夕
夕
m
m
Рис. 3.7. Пропитанный катод:
Рис. 3.7. Пропитанный катод:
Рис. 3.6. Схема Z -катода
Рис. 3.6. Схема Z -катода
'—молибденовый корпус; 2 — подогреватель; 3 — губка; 4 — донышко
'—молибденовый корпус; 2 — подогреватель; 3 — губка; 4 — донышко
приборах СВЧ, некоторых типах электронно-лучевых приборов. Рабочая температура L -катода лежит в интервале 1350-1420 К, долговечность достигает 5000 ч при плотности тока порядка 2 А/см2.
В металлопористых, прессованных и пропитанных катодах в отличие от L -катодов запас активного вещества помещается не в специальной камере, а в порах самой губки. Исходными компонентами прессованных катодов являются тугоплавкий металлический порошок (обычно вольфрам) и активное вещество - алюминаты или вольфраматы бария и кальция. Эти компоненты после тщательного перемешивания спрессовывают при удельном давлении (15 + 2Q) ■ 104 Н/см5.
У пропитанных, или импрегнированных, катодов пористая вольфрамовая губка пропитана алюминатами, вольфраматами и силикатами щелочноземельных металлов (рис. 3.7).
Технология изготовления таких катодов заключается в следующем. Из вольфрамового порошка изготовляют штабики. Для улучшения механической обработки их меднят, после чего из них вытягивают катоды требуемой формы, вытравливают и испаряют медь.
Пропитка губки активным веществом производится в водороде при температуре 2000—2100 К. После очистки губки от избытка активного вещества ее закрепляют пайкой, злектронно-лучевой сваркой или другими способами. Как и Z-катоды, прессованные и пропитанные катоды обладают стойкостью к тепловым перегрузкам, ионной бомбардировке и остаточным газам, что является ценным при использовании в СВЧ-приборах.
К недостаткам прессованных и пропитанных катодов следует отнести большую скорость испарения активных веществ и высокую рабочую температуру. Рабочая температура прессованных и пропитанных катодов около 1400 К, их долговечность достигает нескольких тысяч часов при удельной эмиссии 6 А/см2. Рассмотренные катоды применяются в основном в приборах СВЧ.
Катоды на основе иттрия и редкоземельных элементов — разновидность оксидно-ториевых катодов. Активным веществом этих катодов 42
Рис. 3.8. Конструкпця металлокерамического катода:1 - молибденовый керн; 2 - металлокерамические шайбы; 3 - молибденовое кольцоРис. 3.8. Конструкпця металлокерамического катода:1 - молибденовый керн; 2 - металлокерамические шайбы; 3 - молибденовое кольцосс
Рис. 3.8. Конструкпця металлокерамического катода:
1 - молибденовый керн; 2 - металлокерамические шайбы; 3 - молибденовое кольцо
Рис. 3.8. Конструкпця металлокерамического катода:
1 - молибденовый керн; 2 - металлокерамические шайбы; 3 - молибденовое кольцо
с
с
Рис. 3.9. Прямонакальный гексаборидный катод:
/ - танталовая лента; 2 - эмиссионное покрытие
являются оксиды редкоземельных элементов группы 'лантаноидов: лантана, лютеция, гадолиния, а также иттрия.
Исследования оксидов редкоземельных элементов показали их повышенную стойкость при высоких температурах к электронной и ионной бом- бардаровкам и достаточно высокие эмиссионные свойства по сравнению с торием.
Как и у оксидно-ториевых катодов, активное вещество вводят в губчатую поверхность катода. Рабочая температура катодов на основе оксидов лютеция и гадолиния около 1400 К, лантана несколько ниже, а иттрия примерно 1600—1700 К.
Металлокерамические катоды (керметкатоды) изготовляют из порошков вольфрама, оксидов тория, иттрия и редкоземельных элементов методами металлокерамики, т. е. путем прессования заготовок требуемых размеров и последующего спекания в атмосфере водорода при высокой температуре (рис. 3.8).
В процессе активирования на поверхности катода образуется моно- атомная равномерная пленка тория или редкоземельных металлов. Удельная эмиссия составляет в непрерывном режиме 0,5 А/см2, в импульсном ~ до 15 А/см2. Долговечность металлокерамических катодов при температуре 1500—1900 К достигает нескольких тысяч часов.
Эти катоды по сравнению с губчатыми имеют более гладкую поверхность и, следовательно, менее подвержены искрению. Наличие большого запаса активного вещества на большой глубине увеличивает долговечность этого катода. Керметкатоды применяют в СВЧ- приборах типа М.
Гексаборидные катоды представляют собой соединения бора с редкоземельными элементами. Чаще всего применяют катоды, активная поверхность которых состоит из гексаборида лантана. Губчатые катоды изготовляют путем нанесения порошка гексаборида лантана на металлическую подложку, например тантал или молибден. Эти металлы меньше
других взаимодействуют с гексаборидами. Прессованные катоды получают из порошков гексаборида лантана и вольфрама. При рабочей температуре 1700—1900 К эффективность составляет 30—50 мА/Вт.
Ценным свойством гексаборидных катодов является стойкость работы при повышенных давлениях остаточного газа (до 1(ГХ Па). Катоды на основе гексаборида лантана применяют в разборных злектрон- но-лучевых установках, а также в манометрических датчиках.
Основным недостатком гексаборидных катодов является высокая рабочая температура (около 1920 К), обусловливающая высокую испаряемость активного вещества, из-за чего их долговечность не превышает 500 ч.
Пример конструкции гексаборидного катода показан на рис. 3.9.
КОНСТРУКЦИИ КАТОДОВ
Как уже указывалось, в электровакуумных приборах применяются два типа конструкций катодов: прямонакальные и подогревные.
Прямонакальные катоды применяются в основном в мощных генераторных лампах и приборах СВЧ. Основные виды таких катодов изображал»! на рис. 3.2. Д^я увеличения змиттирующей поверхности катодам придают петлевую конструкцию, форму спиралей или лент (рис. 3.10). Прямонакальные катоды характеризуются высокой экономичностью и коротким временем разогрева.
Недостатком прямонакальных катодов является их незквипотенци- альность, т. е. неравномерное распределение потенциала по длине катода из-за падения напряжения, создаваемого протекающим по нему током. При питании таких катодов переменным током неэквипотенциаль- ность приводит к возникновению фона переменного тока в цепи анода лампы.
Катоды прямого накала могут быть из чистого металла (вольфрамовые) и активированными (оксидные, оксидао-ториевые и др.).
Болышшство современных катодов подогревные @нс. 3.11). Они имеют одинаковый потенциал по всей поверхности, т. е. являются эквипотенциальными, имеют большую массу и, следовательно, большую тепловую инерцию, что позволило осуществить питание подогревателя переменным током. К недостаткам подогревного катода следует отнести большее время разогрева и меньшую зффективность, чем у прямонакальных катодов.
Керны катодов электронных ламп изготовляют в виде трубок круглого, овального или прямоугольного сечения.
В электронно-лучевых трубках, где требуется получить узкий направленный пучок электронов, керн катода представляет собой цилиндр, на который наносится оксидное цркрытие (рис. 3.12).
В газоразрядных приборах катоды работают при давлениях 1—10 Па. В этих приборах наибольшее распространение получили оксидные ка- 44
Рис. 3.10. Прямонакальные полостные (д) и Металлопористые (б) катоды:
/ - ленточный; 2 и 3 - спиралевидные; 4 一 ленточный, навитый на ребро;
5 - спиральный плоский; 6 - петлевой; 7 - спиральный цилиндрический; 8 - цилиндрический с прорезями
годы. В целях увеличения эмиссионной способности катоды вьшолняют из толстой проволоки или ленты, свертываемых обычно в бифилярную спираль, или изготовляют в виде цилиндров с ребрами. Мощные катоды для уменьшения тепловых потерь снабжают металлическими Экранами (рис. 3.13).
в)в)
в)
в)
Рис. 3.11. Конструкции оксидных подогревных катодов:
а — плоский; 6 - цилиндрический; в - консольный
Рис. 3.13. Катод водородного тиратрона:
1 - экран с ламелями; 2 - импрегнированный катод
Рис. 3.12. Катодный узел электронно-лучевых трубок:
1 - подогреватель; 2 - керн катода; 3 - керамическое основание
Подогреватель представляет собой керн из тугоплавкого металла, применяемый для нагрева катодов косвенного накала. Подогреватели должны обеспечивать в течение установленного срока службы следующие основные требования: малое время разогрева, определяющее время готовности прибора; высокую механическую прочность керна и изолирующего покрытия; выдерживать превышение температуры при ак- тивировке катода; иметь минимальный разброс по току накала при заданном напряжении накала; иметь долговечность, не меньшую долговечности катода.
Рис. 3.14. Конструкции подогревателей:
а - складчатый; б, в - спиральные; г — би филярный; д - би филярная спираль; е - спиральный, складчатый; ж - гребешковый неапундированный; з - стержневой неалундированный
Основными параметрами подогревателей являются: рабочая температура, мощность накала и теплопроводность покрытия. Рабочая температура подогревателя задается, исхода из требуемой температуры катода, и обычно превышает ее на 300-450 К. Для увеличения эффективности передачи тепла подогревателя катоду производят чернение его поверхности или заполняют промежуток катод—подогреватель теплопроводным составом.
В качестве материалов кернов подогревателей используют металлы и сплавы, имеющие достаточно большое удельное электрическое сопротивление, высокую температуру плавления и рекристаллизации, малую скорость испарения и удельную теплопроводность. Кроме того, зти материалы должны обладать пластичностью в холодном состоянии и не взаимодействовать с изоляционным покрытием в горячем состоянии. Этим требованиям удовлетворяют: вольфрам с присадками окис- лов алюминия, кремния, щелочных металлов (марка ВА), сплавы вольфрама с рением ВР-20, ВАР-20 и особенно ВАР-5 и ВАР-10, сплавы вольфрама с молибденом МВ-50, МВ-20 и ВАМ-5.
Для изоляции керна подогревателя от керна катода используют плавленую окись алюминия (алунд), обладающую хорошими изоляционными свойствами, высокой механической прочностью при высоких температурах.
Для нанесения алундового покрытия практически используются те же методы, что и при нанесении карбонатных покрытий на керны катодов.
Основные типы конструкций подогревателей приведены на рис. ЗЛ4.
Выбор конструкции подогревателя определяется формой и размером керна катода.
При напряжениях накала 1—12 В применяются петлевые (складные) подогреватели (рис. 3.14, а—г), стиральные, спирально-петлевые и бифиляртые. Последние обеспечивают равномерный нагрев катода и устраняют влияние магнитного поля тока накала на ток с катода.
В высоковольтных подогревателях (50 В и более) применяют бифи- лярные подогреватели из спирализованной проволоки (рис. 3.14, д).
В отдельных случаях используют непокрытые подогреватели, которые вставляются в тонкостенные керамические трубочки, плотно входящие в гильзу катода.
Для торцевых катодов, как правило, используемых в электроннолучевых приборах, поменяются подогреватели петлевые и биспираль- ные с бифилярной навивкой.
Контрольные вопросы 〃 задания
Назовите основные параметры катодов, по которым оцениваются их свойства.
Для какой цели производят карбидирование торированного вольфрама?
Как устроен оксидный катод и каковы его свойства?
Какова цель активирования оксидного катода?
Чем отличается синтерированный оксидный катод от обычного оксидного катода?
Чем отличаются металлопористые, прессованные и пропитанные катоды от Z-катодов? Назовите их основные свойства.
Объясните, почему рабочая температура подогревателей должна превышать температуру катода.
Глава четвертая
ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
Для понимания работы электровакуумных приборов, особенно злектронно-лучевых, важно знать законы движения заряженных частиц (электронов и ионов) в электрических и магнитных полях.
Изучение характера взаимодействия заряженных частиц с этими полями, формирование, фокусировка и отклонение электронных пучков являются предметом изучения электронной оптики.，
В настоящем изложении мы ограничимся рассмотрением геометрической электронной оптики, под которой будем понимать описание двн・ жения электронов в условиях, когда практически не проявляются их волновые свойства и электрон можно рассматривать как материальную частицу. Между распространением световых лучей в оптических средах
Рис. 4.1. Аналогия между законом преломления светового (с) и электронного (6 луча
и движением заряженных частиц в электрических и магнитньхх полях имеется значительная аналогия. Эта аналогия не случайна, она базируется на общности законов распространения световых лучей в оптических средах и движения электронов в электрических и магнитных полях.
Для иллюстрации аналогии рассмотрим движение светового луча из среды с показателем преломления 小 в среду с показателем 也 (рис. 4.1, д) и электрона в электрическом поле (рис. 4.1,^).
В соответствии с законом геометрической оптики при переходе светового луча через границу раздела двух сред с различными показателями преломления (рис. 4.1, д) происходит его преломление, причем отношение синусов углов падения и преломления равно обратному отношению показателей преломления, т. е.
sinac/sin|3c = п^п*、(4.1)
где % н 0с - углы падения и преломления светового луча.
Несложно показать, что оптический закон преломления (4.1) справедлив также для электронного луча, проходящего из области потенциала 5 в область потенциала U2 (рис. 4.1, б). Пусть электрон (электронный луч) падает на границу раздела областей под углом а и со скоростью ?i. При переходе в область с потенциалом % электрон приобретает скорость 卩2・ Разложим векторы скоростей ?i и v2 на составляющие К，ViT,卩2н，^2т- Индекс ,5нм показывает, что составляющие направлены нормально к границе между областями, а индекс "т” - параллельно. В окрестности границы действует электрическая сила, направленная по нормали к поверхности раздела. Следовательно, при переходе границы изменения может претерпевать лишь нормальная к ней компонента скорости электрона, а тангенциальная (параллельная) составляющая скорости остается неизменной, т. е.
v1T = у2т. t
Из рис. 4.1,5 следует, что
v1T = Vtsina и v2T = v2sin0, откуда
VtSina = v2sin|3.(4.2)
49
Скорость электрона (при условии, что начальная скорость равна нулю) связана с потенциалом пространства выражением (1.6):
V % 600 х/П
Подставляя значения v в формулу (4.2), получаем:
sina/sin/3 = \T^\T^・(4.3)
Сравнивая (4.1) и (4.3), приходим к выводу, что углы а и 3 эквивалентны соответственно световым углам падения % и преломления |3С, а величины \pU\ и уГЩ — показателям преломления светового луча, т・ е. выражение (4.3) указывает на глубокую аналогию с геометрической световой оптикой.
Из (4.3) видно, что при движении электрона в ускоряющем поле (&〉q) угол преломления 0 будет меньше угла падения а, поэтому электрон будет отклоняться в сторону нормали и, следовательно, электрическое поле будет препятствовать рассеиванию электронного пучка. В тормозящем электрическом поле (弘 < G) угол 0 будет больше угла а, электроны будут сильнее отклоняться от нормали и электронный пучок в таком поле рассеивается. Очевидно, задавая значения потенциала в пространстве движения электронного луча, можно определить его траекторию в электрических полях.
Следует отметить, что аналогия со световой оптикой простирается и на движение электронов в магнитных полях, однако зто утверждение требует более детального рассмотрения, выходящего за рамки данной книги.
Как отмечалось выше, между световой и электронной оптикой существует достаточно глубокая аналогия. Однако полного совпадения нет. Отметим основные различия:
Световая оптикаЭнергия фотонов при прохождении ч^>ез линзы остается неизменнойПоказатель преломления на границе двух сред изменяется скачкомПоказатель преломления изменяется незначительно (от 1 до 3)Формы преломляющих поверхностей н показатель преломления не связа* ны между собойСветовая оптикаЭнергия фотонов при прохождении ч^>ез линзы остается неизменнойПоказатель преломления на границе двух сред изменяется скачкомПоказатель преломления изменяется незначительно (от 1 до 3)Формы преломляющих поверхностей н показатель преломления не связа* ны между собойЛучи в световом пучке практически независимы, т. е. не взаимодействуютЛучи в световом пучке практически независимы, т. е. не взаимодействуютЭлектронная оптвкаЭнергия электронов, движущихся в электрическом поле, изменяется Потенциал \/^ эквивалентный показателю преломления, изменяется непрерывноПотенциалы на электродах могут изменяться в 10 н более раз Показатель преломления и форма прело мляющих (эквипотенциальных) поверхностей, как правило» не могут быть изменены независимоЭлектроны в пучке всегда взаимодействуют между собойЭлектронная оптвкаЭнергия электронов, движущихся в электрическом поле, изменяется Потенциал \/^ эквивалентный показателю преломления, изменяется непрерывноПотенциалы на электродах могут изменяться в 10 н более раз Показатель преломления и форма прело мляющих (эквипотенциальных) поверхностей, как правило» не могут быть изменены независимоЭлектроны в пучке всегда взаимодействуют между собойПеречисленные различия между необходимо учитывать.Перечисленные различия между необходимо учитывать.световой и электронной оптикойсветовой и электронной оптикой
Световая оптика
Энергия фотонов при прохождении ч^>ез линзы остается неизменной
Показатель преломления на границе двух сред изменяется скачком
Показатель преломления изменяется незначительно (от 1 до 3)
Формы преломляющих поверхностей н показатель преломления не связа* ны между собой
Световая оптика
Энергия фотонов при прохождении ч^>ез линзы остается неизменной
Показатель преломления на границе двух сред изменяется скачком
Показатель преломления изменяется незначительно (от 1 до 3)
Формы преломляющих поверхностей н показатель преломления не связа* ны между собой
Лучи в световом пучке практически независимы, т. е. не взаимодействуют
Лучи в световом пучке практически независимы, т. е. не взаимодействуют
Электронная оптвка
Энергия электронов, движущихся в электрическом поле, изменяется Потенциал \/^ эквивалентный показателю преломления, изменяется непрерывно
Потенциалы на электродах могут изменяться в 10 н более раз Показатель преломления и форма прело мляющих (эквипотенциальных) поверхностей, как правило» не могут быть изменены независимо
Электроны в пучке всегда взаимодействуют между собой
Электронная оптвка
Энергия электронов, движущихся в электрическом поле, изменяется Потенциал \/^ эквивалентный показателю преломления, изменяется непрерывно
Потенциалы на электродах могут изменяться в 10 н более раз Показатель преломления и форма прело мляющих (эквипотенциальных) поверхностей, как правило» не могут быть изменены независимо
Электроны в пучке всегда взаимодействуют между собой
Перечисленные различия между необходимо учитывать.
Перечисленные различия между необходимо учитывать.
световой и электронной оптикой
световой и электронной оптикой
ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
В § 1.2 было показано, что скорость электрона в ускоряющем поле определяется пройденной разностью потенциалов и не зависит от траектории его движжия. При изучении электровакуумных приборов, в частности электронно-лучевых, важно знать траектории движения электронов в междуэлектродном пространстве. Пример (см. рис. 1.1), когда направление скорости движения электрона параллельно силовым линиям однородного электрического поля, является частным случаем.
Рассмотрим более общий случай, когда электрон влетает в однородное электрическое поле в начале системы координат XY под углом а к оси X (рис. 4.2).
Сргласно (1.3) сила, действующая на электрон вдоль оси У,
Fy = тЕ.
На основании второго закона Ньютона под действием постояннодействующей силы электрон движется равноускоренно с ускорением
ау = Fy/s = У Е/ s •(4.4)
Уравнение равноускоренного движения электрона с начальной скоростью vOy имеет вид
у =卩 о" + 〃у 产/2.(4.5)
Подставив в (4.5) выражение для ау из (4.4), получим
(4.6)
В направлении оси X потенциал не меняется, поэтому движение электрона по этой оси будет равномерным с постоянной скоростью vox. За время t электрон переместится на расстояние
х= vQxt. (4・7)
Начальную скорость электрона v0 разложим на две составляющие: vQX, перпендикулярную силовым линиям (по оси X), и vQy, направленную вдоль силовых линий (по оси У) •
Из уравнения (4.7) выразим t и подставим в (4,6), получим уравнение траектории результирующего движения электрона
(4.8)
У ох 2теу^х
Это уравнение показывает, что электрон, влетающим- в однородное 51
Рис. 4.2. Движение электрона в одноррдном электрическом поле (начальная скорость электрона направлена под углом Q к силовым линиям поля)Рис. 4.2. Движение электрона в одноррдном электрическом поле (начальная скорость электрона направлена под углом Q к силовым линиям поля)
Рис. 4.2. Движение электрона в одноррдном электрическом поле (начальная скорость электрона направлена под углом Q к силовым линиям поля)
Рис. 4.2. Движение электрона в одноррдном электрическом поле (начальная скорость электрона направлена под углом Q к силовым линиям поля)
Рис. 4.3. Движение электрона в однородном электрическом поле (начальная скорость электронов направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
электрическое поле с начальной скоростью vQ, описывает между пластинами параболическую траекторию.
Для анализа работы электровакуумных приборов особый интерес представляют следующие частные случаи: 1)卩ох=О, vOy =0; 2)卩о% = =о, vOy = Vo； 3) Vox = »o, Voy = o.
В первом случае уравнения (4.6) и (4.7) принимают вид
(4.9)
и свидетельств уют, что электрон будет двигаться равноускоренно вдоль оси у.
Во втором случае эти уравнения принимают вид
Электрон движется вдоль оси у равномерно ускоренно или равномерно замедленно в зависимости от знака
В третьем случае начальная скорость электрона v0 перпендикулярна вектору напряженности поля Е. Поэтому после подстановки vOx и Voy в (4.8) получаем выражение
(4.Ю)
которое показывает, что электрон в этом случае описывает параболическую траекторию (рис. 4.3), отклоняясь под действием поля в сторону положительного потенциала. Если известна начальная скорость v0, напряженность поля, длина пластин Z, то, используя формулы механики, можно определить направление и значение результирующей скорости. 52
На основании изложенного в § 1.2 и 4.2 можно сделать вывод, что электрическое поле изменяет энергию и траекторию движущегося в нем электрона.
Электрическое поле в электровакуумных приборах, как правило, неоднородное. При переходе от одной точки к другой оно изменяется по значению и направлению. Поэтому изучение движения электронов в приборах сопряжено со значительными трудностями и выходит за рамки книги.
В большинстве случаев для определения траекторий электронов в готовых или вновь разрабатываемых приборах пользуются приближенными расчетными, графическими и экспериментальными методами определения полей и траекторий электронов в этих полях.
ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
« ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Влияние магнитного поля на движущийся электрон можно уподобить действию этого поля на проводник с током. Из электродинамики известно, что если элементарный отрезок проводника длиной △/ с током i поместить в магнитное поле с индукцией В, составляющей с элементом тока угол а, то на элемент будет действовать сила F, определяемая по формуле Ампера:
F = I Д/Взта. (4.11)
Если через поперечное сечение проводника за время t проходит один электрон с зарядом е9 то этим электроном создается ток, равный i = =е/1, Подставляя это значение тока в формулу (4.11), получаем:
F = — (e/Z)AZBsina.
Отношение △//Г есть скорость электрона v0, поэтому сила, с которой однородное магнитное поле воздействует на движущийся в нем электрон, равна:
F = —e[v0B]sina. (4.12)
Из (4.12) следует, что покоящийся или движущийся вдоль силовых линий электрон не испытывает воздействия со стороны магнитного поля, поскольку при этом F =0. На электрон, движущийся перпендикулярно вектору магнитной индукции, действует сила
F = +e[v0B], (4.13)
знак которой определяется знаком sincr.
Вектор F перпендикулярен векторам v0 и В (рис. 4.4), другими словами, он перпендикулярен плоскости, проходящей через векторы v0 и В. Направление силы F определяется правилом левой руки.
Рис. 4.4. Движение электрона в однородном магнитном поле (начальная скорость электрона направлена перпендикулярно силовым линиям поля)Рис. 4.4. Движение электрона в однородном магнитном поле (начальная скорость электрона направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
Рис. 4.4. Движение электрона в однородном магнитном поле (начальная скорость электрона направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
Рис. 4.4. Движение электрона в однородном магнитном поле (начальная скорость электрона направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
Рис 4.5. Движение элктрона в однородном магнитном поле (начальная скорость электрона Vq направлена под углом @ к силовым линиям поля)
Так как в (4.13) все величины, стоящие в правой чйс!и, постоянны, то и F постоянна и вызывает постоянное ускорение, перпендикулярное скорости v0. В результате электрон движется в магнитном поле по круговой траектории с постоянной линейной скоростью v0, лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля (рис. 4.4).
Радиус окружности можно определить из равенства центростремительной силы, равной rr^y^/R, и силы F для случая
me^/R= ev0B,
откуда радиус траектории электрона
R = mgVQ/еВ.(4.14)
Период обращения и частота вращения электрона по окружности соответственно равны:
Т= 27гК/у()= 27rs/е5;(4.15)
з = 2я/ Т = еВ] те.(4.16)
Отметим, что период и частота вращения электрона по окружности не зависят от скорости электрона, а определяются только индукцией магнитного поля В и массой электрона.
Рассмотрим более общий случай движения электрона, когда вектор начальной скорости v0 направлен под некоторым углом а к силовым линиям поля, т. е. О < а < 90° (рис. 4.5). Разложим вектор v0 на составляющие v0 II и v0 j_, одна из которых перпендикулярна вектору магнитной индукции, а другая параллельна ему. Движение электрона в направлении, перпендикулярном вектору, рассмотрено выше.
В этом случае электрон движется по окружности. Под действием составляющей v0 II электрон будет равномерно по инерции перемещать- 54
ся вдоль вектора В. В результате действия обеих составляющих электрон будет вращаться по винтовой линии (спирали) с радиусом R и шагом h.
Радиус спирали
R = (mev/eB) sin а;(4.17)
шаг спирали
й = TV cos а.(4.18)
Подставляя значение Т из формулы (4.15), получаем
力=(2я^/еЯ)р cos а.(4.19)
Подчеркнем, что магнитное поле в отличие от электрического действует на электрон только в том случае, если при своем движении он пересекает силовые линии поля. Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости электрона и поэтому не совершает никакой работы. Она может изменить только направление движения электрона.
Действие электрического и магнитного полей на движущийся электрон широко используется в электронных приборах. Например, в телевизионных трубках фокусировка и управление электронным потоком осуществляется с помощью электрических и магнитных полей.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ
Общие сведения. В большинстве электронно-лучевых приборов для фокусировки электронных пучков используются электрические и магнитные поля, которые обладают симметрией вращения, т. е. симметричны относительно некоторой оси. Такие неоднородные аксиально-симметричные поля называются электронными линзами. Их фокусирующее действие аналогично действию светооптических линз с осевой симметрией на пучок световых лучей. В качестве линз используют также аксиально-симметричные однородные магнитные поля.
Аксиально-симметричные электрические поля могут быть созданы комбинацией электродов (имеющих общую ось симметрии), на которые подаются различные потенциалы. Форма электродов может быть весьма разнообразной, например в виде полых цилиндров, диафрагм (круглых дисков с центральным отверстием).
Магнитные электронные линзы могут быть созданы катушками, обтекаемыми током, или постоянными магнитами.
Электростатические линзы. Электронные линзы по характеру электростатических полей можно классифицировать на следующие типы: линзы-диафрагмы, одиночные, иммерсионные линзы и иммерсионный объектив.
Линзы-диафрагм ы 一 линзы по обе стороны которых находятся области с однородным полем； имеющие разные потенциалы. Эквипотенци-
55
。广。Uz 〃з “=О〃з。广。Uz 〃з “=О〃з
。广。Uz 〃з “=О〃з
。广。Uz 〃з “=О〃з
Рис. 4.6. Примеры линз-диафрагм:
а - собирающая линза; 6 - рассеивающая линза
альные поверхности и примерное распределение потенциалов в линзе показаны на рис. 4.6.
Используя соотношение (4,3), можно показать, что диафрагма с отверстием может быть собирающей и рассеивающей линзой. В пер-
вом случае (рис. 4.6, а) электроны движутся в электрическом поле от
низшего потенциала к высшему и пересекают эквипотенциальные поверхности, отклоняясь в сторону нормалей этих поверхностей. Во втором случае (рис. 4.6, б) электроны движутся от высшего потенциала к низшему и отклоняются от нормалей.
Фокусное расстояние подобной линзы можно определить по приближенной формуле
(4.20)(4.20)f %(4%)/(£2一吊),
(4.20)
(4.20)
где ^i =弘/山 и 历=(5 -⑷他 —напряженности поля слева и справа от диафрагм.
Особенность этой линзы заключается в том, что к диафрагме по крайней мере с одной стороны, должно примыкать электростатическое поле, которое является средой с непрерывно изменяющимся показателем преломления. В силу этого линза-диафрагма самостоятельно не применяется, но входит в состав более сложных линз.
Одиночные линзы образуются тремя электродами, диафрагмами или цилиндрами. Крайние электроды имеют одинаковые потенциалы, отличные от потенциала среднего электрода. На рис. 4.7 изображена одиночная линза и ее оптический аналог. На этом же рисунке показано распределение потенциала вдоль оси линзы и изображение траектории электронов.
Рассмотрим действие сил электрического поля на электрон на участках а 9 b9 c$ d$ е линзы. Разложим вектор напряженности электрического поля Е в точке А на две составляющие (рис. 4.7, б) : продольную Ед и радиальную 斗 и определим направление силы Fr . На участке ab сила направлена от оси, в то время как на участках Ьс и cd она направлена к оси линзы. На последнем участке de направление силы Fr 56
линзы
аналогично участку ab, Таким образом, в области поля, прилегающей к средней диафрагме (участок bed), электрон получает ускорение, направленное к оси, а в крайних областях (участки аЪ и de) — от оси. Поэтому центральную область поля следует рассматривать как собирающую линзу, а крайние области — рассеивающие линзы. Поскольку в центральной области скорость электронов мала, а в крайних велика, то общее действие этой линзы будет собирающим. Отметим, что одиночная линза действует как собирающая независимо от знака потенциала среднего электрода по отношению к крайним.
Иммерсионные линзы — линзы, по обе стороны которых лежат области постоянных, но разных по значению потенциалов. Свое название они получили по аналогии с оптическими линзами, помещенными на границе двух различных сред, например воздуха и какой-либо иммерсионной жидкости (воды или масла). Подобные линзы образуются обычно двумя диафрагмами, двумя цилиндрами или их комбинацией. Характер распределения потенциала вдоль оси линзы приведен на рис. 4.8. Общее действие иммерсионной линзы на электронный пучок является собирающим, как и при использовании одиночной линзы, электроны проходят фокусирующую область линзы медленнее, чем рассеивающую.
Разновидностью иммерсионной линзы является иммерсионный объектив (рис. 4.9). Он состоит из катода и двух электродов. Первый к катоду электрод М имеет отрицательный потенциал относительно катода и называется модулятором. Изменение потенциала модулятора позволяет изменять ток с катода, а следовательно, и ток электронного пучка. Второй электрод У имеет положительный потенциал и называется ускоряющим электродом или анодом.
Учитывая, что скорости электронов в рассеивающей области / линзы намного меньше, чем в собирающей области II, фокусирующее дей-
Рис. 4.8. Иммерсионная пинза
Рис. 4.9. Иммерсионный объектив:
а - схема расположения электродов;
6 — примерное распределение потенциала вдоль оси
ствие первой преобладает. Следовательно, в целом иммерсионный объектив действует как собирающая линза.
Фокусное расстояние является основным параметром линзы. Если известен этот параметр, а также положение и размеры объекта относительно линзы, можно, пользуясь методами световой оптики, построить изображение предмета. Проще всего эти построения осуществить для тонкой линзы, т. е. линзы, толщина которой мала по сравнению с расстоянием от средней плоскости MN до фокусов fi и f2 (рис. 4.10).
Фокусное расстояние электронных линз связано с расстояниями от средней плоскости линзы до объекта 厶 и изображения /2 выражением:
Л/^1 +『2〃2 二 L(4.21)
Если Л =『2 = f (для оданотшой линзы), уравнение (4.21) может быть приведено к виду:
1//1 + 1〃2 = Uf или f =————.(4.22)
(/i +/2)
Величина 1// называется оптической силой линзы. Чем меньше /, тем сильнее преломляющее действие линзы и больше ее оптическая сила.
Магнитные линзы. Длинная магнитная линза представляет собой катушку цилиндрической формы (соленоид), длина которой значительно больше ее диаметра. Если через катушку пропустить постоянный ток, то вокруг ее витков образуется магнитное поле. Можно считать что внутри катушки в области, достаточно удаленной от ее концов, магнитное поле будет однородным.
58
Рис. 4.11. Движение электронов в поле длинной магнитной линзы：а - проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярную оси трубки; 6 - траектории электронов (?-■力 и их проекцииРис. 4.11. Движение электронов в поле длинной магнитной линзы：а - проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярную оси трубки; 6 - траектории электронов (?-■力 и их проекции
Рис. 4.11. Движение электронов в поле длинной магнитной линзы：
а - проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярную оси трубки; 6 - траектории электронов (?-■力 и их проекции
Рис. 4.11. Движение электронов в поле длинной магнитной линзы：
а - проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярную оси трубки; 6 - траектории электронов (?-■力 и их проекции
Рис. 4.10. Построение изображения в тонкой линзе
Пусть в области однородного поля из точки А вылетают электроны с одинаковыми скоростями. Рассмотрим движение так называемых параксиальных электронов, т. е. электронов, мало удаленных от оси симметрии и имеющих скорости, почти параллельные ей (рис. 4.11). РазлЬжим начальную скорость электрона v на две составляющие, из которых одна гпр параллельна силовым линиям поля, а другая ур перпендикулярна им. Под действием радиальной скорости vp электрон будет вращаться по окружности в плоскости, перпендикулярной оси. Кроме этого движения из-за наличия скорости упр электрон будет смещаться с постоянной скоростью вдоль оси. Результирующая траектория электрона представляет собой винтовую линию. Как было показано в § 4,3, радиус, шаг и период этой траектории определяются по формулам (4.17) - (4.19).
Рис. 4.12. Магнитная линза, образованная полем короткой катушки:
л - траектория электрона; б - проекция траектории на плоскость, перпендикулярную оси
Полагая для параксиальных электронов cos а 比 1, получаем значение для шага
Л = 2птер/еВ,
одинаковое для всех электронов. Таким образом, все электроны пучка, вылетевшие иэ точки А через время Т (один период), соберутся в точке С, образуя изображение объекта А.
Следовательно, однородное магнитное поле длинной катушки является своеобразной линзой, отличающейся по характеру своего действия от обычных линз. Она осуществляет перенос изображения, не меняя его масштаба. Изображение получается прямым, а не перевернутым в отличие от рассмотренных выше линз. Такие линзы широко применяются в электронно-лучевых приборах, в частности некоторых передающих трубках.
Короткая магнитная линза образуется неоднородным аксиальносимметричным полем катушки, длина которой намного меньше ее диаметра (рис. 4.12). Рассмотрим движение электрона, влетающего со скоростью V в область поля такой линэы.
Пока электрон не влетает в поле линзы, он движется прямолинейно. По мере захода в область линзы электрон начинает взаимодействовать с полем. Допустим, что электрон пересекает силовую линию поля в точке Р. Разложим скорость электрона v и вектор В соответственно на составляющие: vp, vnp и Вр, Впр. Так как
"пр 丄 Вр и Vp 丄 Bj^p,
то на электрон будут действовать 'сил ы Fi и F2, равные:
Fi =У[*прВр]； F2 = -е^рВцр].
Эти силы направлены в одну сторону перпендикулярно плоскости чертежа. Составляющая
Vp < %р,
так как рассматривается движение параксиальных электронов, то
Fz《F”
т. е. F2 можно пренебречь.;
В результате действия силы F】появляется тангенциальная составляющая скорости *т，перпендикулярная вектору Впр. Взаимодействие этой составляющей скорости с продольной составляющей магнитного поля приведет к появлению новой силы
F = _e[BnpvT]. .(4.23)
Эта сила будет отклонять электрон к оси, и в точке。‘ он пересечет ее. При этом изображение будет повернуто вокруг оси ца некоторый угол 9 (рис. 4.12, б). Изменяя ток в фокусирующей катушке и,следовательно, индукцию магнитного поля, можно добиться пересечения траекторий электронов с осью трубки в плоскости экрана, т. е. обеспечить фокуси1- ровку электронов.
Оптическая сила короткой магнитной линзы и угол поворота изображения вокруг оси определяются соотношениями:
1/Г= 丁I 8：dz;(4.24)
8те4 一 8 z
(4-25)
Значения У н 屮 могут быть определены, если известно распределение индукции магнитного поля вдоль оси линзы. Распределение индукции определяется силой тока в обмотке катушки, размерами и формой катушки.
Для практических расчетов удобно пользоваться формулами:
l/f = (0,022.10-4/4)广质&;屮=¥ 7°Bzdz, (4.26)
где В выражено в теслах; % - ускоряющее напряжение, В; / и z - в сантиметрах;夕一в радианах.
Выражения (4.24) и (4.25) позволяют сделать следующие выводы: оптическая сила электронной линэы тем больше, чем меньше скорость электронов на входе линзы и чем больше площадь, ограниченная кривой квадрата индукции магнитного поля на оси линзы;
Рис. 4.13. Фокусирующая система с магнитопроводом:
1 - обмотка; 2 - каркас; 3 - магнитопровод (й - ширина каркаса; D\ 一 внутренний,必-наружный диаметры намотки)
фокусное расстояние линзы зависит от заряда и массы частиц. Из этого следует, что электроны и ионы будут фокусироваться неодинаково. Отрицательные ионы, как более тяжелые частицы, практически фокусироваться не будут;
линза осуществляет поворот изображения, угол которого зависит от индукции магнитного поля, заряда, массы частиц и скорости электронов;
оптическая сила линзы всегда положительна (линза всегда собирающая) и не за
висит от направления магнитного поля.
Выражение (4.22) справедливо и для магнитных линз. Так же как
и для электростатических линз, зная положение средней плоскости линзы и фокусное расстояние, можно построить электронное изображение объекта, пользуясь методами световой оптики.
Магнитодвижущую силу фокусирующей катушки можно определить приближенным выражением:
Fm Ю«Ж
где R - радиус среднего витка катушки, см; U — в вольтах; / - в сантиметрах.
Обычно фокусирующие катушки помещают в магнитопровод из ферромагнитного материала, имеющий узкую кольцевую щель (рис. 4.13). Применение магнитопровода позволяет уменьшить рассеивание и резко повысить напряженность поля на небольшом участке в районе щели и соответственно увеличить оптическую силу линзы. При этом существенно уменьшается мощность, потребляемая фокусирующей системой, и ослабляется воздействие внешних магнитных полей.
Магнитодвижущая сила катушки с магнитопроводом вычисляется по формуле
Fm 10左4，,к\ДЖ(4.27)
где R — внутренний радиус магнитопровода;左少圭 一 коэффициент формы катушки, равный 0,6—0,75.
62
Объект бочкообразная Подуш.коодразная
Рис. 4.14. Виды аберраций в электронных линзах:
а - хроматаческая; б - сферическая; в - образование комы; г - астагматизм поля; 0 - дисторсия
В отличие от электростатических линз магнитные имеют большие габаритные размеры и массу, а также требуют затраты энергии, т. е. они менее экономичны.
Фокусирующее поле может быть создано также постоянными магнитами. При этом энергия на фокусировку не затрачивается, но регулирование оптических параметров механическим путем представляет определенные неудобства. По этой причине постоянные магниты, образующие магнитостатические линзы, получили ограниченное применение.
Аберрации электронных линз. Электронным линзам, как и светооптическим линзам, всегда свойственны аберрации (искажения), возникающие из-за непараксиальности и немонохроматичности электронных пучков, нарушений симметрии линзы и других причин. Известны следующие аберрации электронных линз: хроматическая, сферическая, аберрации косых пучков (астигматизм, кома, дисторсия).
Хроматическая аберрация обусловлена разбросом начальных скоростей электронов. Электроны, исходящие из одной точки с различными скоростями, фокусируются в различных точках оси пучка (рис. 4.14, а). Известно, что фокусное расстояние любой электронной линзы зависит от скорости электронов. Оно возрастает с увеличением скорости электронов, поэтому быстрые электроны фокуси-
63
руются дальше от линзы, чем медленные. В результате на экране вместо точечного изображения получится кружок рассеяния.
Сферическая аберрация проявляется в том, что электроны собираются тем ближе к линзе, чем дальше от оптической оси лежат их траектории. В результате изображение точки на экране будет выглядеть в виде размытого диска определенного диаметра (рис. 4.14, б). Эта аберрация определяется размерами объекта и имеет место для непараксиальных траекторий. Рассмотренные виды искажений изображения в электронных линзах являются наиболее часто встречающимися в электронно-лучевых приборах.
Аберрациям вида кома и астигматизм присущи только точки объекта, лежащие не на оси.
Происхождение комы объясняется асимметрией электронного пучка, выходящего из точки предмета, не лежащей на оси (рис. 4.14, в). Фигура рассеяния имеет кометообразную форму.
Астигматизм обусловлен тем, что лучи, выходящие из точки предмета и идущие в разных плоскостях, фокусируются в различных местах. Точки на плоскости изображения выглядят в виде эллипсов (рис. 4 Л 4, г).
Дисторсия проявляется в искажениях масштаба и геометрии изображения (рис. 4.14, д).
В магнитных линзах добавляются аберрации, обусловленные вращением электронов в магнитном поле. Несмотря на это, магнитные линзы создают изображения с относительно меньшими аберрациями.
Объясняется это тем, что фокусирующие катушки надеваются на горловину трубки и, следовательно, размеры магнитных линз по сравнению с электростатическими возрастают.
Контрольные вопросы и задания
В чем проявляется аналогия между электронной и световой оптикой?
Назовите основные различия между световой и электронной оптикой.
В чем отличие магнитного и электрического действий поля на помещенный в эти поля электрон?
Почему в иммерсионной и одиночной линзах собирающее действие поля сильнее рассеивающего?
В чем различие между длинной и короткой магнитными линзами?
За счет какой компоненты скорости электрона происходит фокусировка в тонкой магнитной линзе?
Сравните между собой системы магнитной и электростатической фокусировки. Назовите достоинства и недостатки каждой системы.
Назовите основные виды аберрации электронных линз и причины их возникновения.
Часть вторая
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Глава пятая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ
НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Электронной лампой называется электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током с помощью изменения потенциалов электродов. Выполняемые электронными лампами функции многообразны, однако можно выделить два основных назначения этих приборов. Первое — преобразование электрической энергии, например преобразование постоянного тока источника питания в переменный и, наоборот, переменного в постоянный. Второе — преобразование электрических сигналов: усиление, изменение спектра и т. п.
Во многих областях электроники, радиотехники и автоматики электронные лампы были обоснованно вытеснены полупроводниковыми и микроэлектронными приборами, имеющими меньшие габаритные размеры и массу, более высокий коэффициент полезного действия. Однако в ряде случаев электронные лампы обладают преимуществами по сравнению с полупроводниковыми приборами, а иногда являются вообще незаменимыми на данном этапе приборами. Широкий диапазон рабочих температур, доходящий до нескольких сотен градусов, высокая радиационная стойкость, стабильность характеристик, высокие допустимые напряжения обусловливают дальнейшее развитие этих приборов.
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Устройство электронных ламп рассмотрим на примере триода, показанного на рис. 5.1. Триод включает в себя следующие узлы и детали: систему электродов, баллон, крепежные детали, ножку и газопоглотитель. Система электродов состоит из катода — источника электронов, анода — приемника электронов и сетки — управляющего электронным потоком электрода. В конструкцию многоэлектродных и специальных ламп могут входить несколько сеток, а также другие электроды. Катоды электронных ламп были рассмотрены в гл. 3.
Сетки электронных ламп обычно имеют вид спирали из тонкой проволоки, навитой для жесткости на два стержня, называемых траверзами (рис. 5.2, а). Форму сетки стараются сделать подобной форме катода, что обеспечивает постоянство расстояния между катодом и 3-635 365
Рис. 5.1. Конструкция сверхминиатюрного триода
сеткой, а следовательно, более однородное поле у катода. На рис. 5.2, 6 приведены основные виды поперечного сечения сеток с расположенными в них траверзами. В некоторых лампах сетка представляет собой штампованную из листа металла рамку с приваренными проволочками (рис. 5.2,в). Иногда сетка изготовляется из материала самой рамки с большим количеством отверстий или из ячеистой металлической ткани.
Аноды электронных ламп малой и средней мощности представляют собой боковую поверхность прямого цилиндра либо часть цилиндрической поверхности с основанием различной формы. Типичные конструкции анодов таких ламп приведены на рис. 5.3. Материалом анодов служат алюминированные никель или железо, молибден и другие металлы.
Крепежные детали электронных ламп обеспечивают необходимое взаимное расположение электродов и придают конструкции лампы достаточную механическую прочность. Эти детали изготовляют из металла или диэлектрика. В маломощных лампах крепление электродов, как правило, обеспечивается изоляционными дисками из слюды с отверстиями для катода, траверз сетки и пластин анода (рис. 5.4). В более мощных лампах для крепления электродов часто применяют специальную керамику.
а — сетка с витками, запрессованными в траверзы; 6 — поперечные сечения сеток; в — рамочная сетка
Рис. 5・3. Конструкции анодов
Электроды и крепежные детали электронных ламп помещаются в баллон, из которого откачивается воздух. Степень разрежения в баллонах составляет приблизительно 0,001—0,0001 Па. Повышение остаточного давления в баллоне приводит к резкому ухудшению ряда параметров электронных ламп, в частности сокращению срока службы.
Баллоны электронных ламп изготовляют из газонепроницаемых материалов: стекла, керамики, металла. Они могут иметь различные размеры и форму (рис. 5.5). Иногда баллон лампы включает в себя
Рис. 5.4. Конструкции изоляторов:
а - слюдяные; 6 - керамические
Рис* 5.5. Конструкции баллонов электронных лампРис* 5.5. Конструкции баллонов электронных лампдетали из разных материалов, например специальную керамику в сочетании с металлическими деталями.
Рис* 5.5. Конструкции баллонов электронных ламп
Рис* 5.5. Конструкции баллонов электронных ламп
Для соединения электродов с внешней электрической цепью используют металлические проводники — вводы, которые впаиваются в оболочку баллона лампы. Технологически удобно пропускать вводы через специальную деталь, называемую ножкой, которая при изготовлении лампы герметически сваривается с баллоном. На рис. 5.6 приведены конструкции двух типов ножек: гребешковой и плоской. Вводы ножки приваривают к соответствующим электродам лампы. Наружные части вводов используют для соединения с электрической схемой. В сверхминиатюрных лампах обычно применяют неразбор^ ные соединения, когда гибкие вводы непосредственно впаиваются в электрическую схему. При разборном соединении со схемой вводы переходят в жесткие штырьки, которые вставляются в гнезда ламповой панели, находящейся на плате электрической схемы.
Для поддержания высокого вакуума в баллоне электронной лампы в процессе ее эксплуатации используется газопоглотитель. При работе лампы происходит сильный нагрев электродов, в результате чего в баллоне могут появиться дополнительные газы, снижающие степень разрежения. Чистая поверхность активного ме-
Рис. 5.6, Конструкции ножек:.
а - гребешковая; 6 - плоская
талла газопоглотителя взаимодействует с газовой атмосферой, что приводит к улучшению вакуума в баллоне лампы.
Газопоглотители бывают распыляющиеся и нераспыляющиеся. В маломощных лампах газопоглотитель наносится на часть внутренней поверхности баллона. Зеркальная металлическая поглощающая поверхность создается путем испарения таблетки газопоглотителя, нагретой индукционными токами высокой частоты. Пары материала газопоглотителя оседают на холодной стенке баллона. В качестве поглощающего материала используются барий, магний, а также сплавы этих металлов с другими металлами.
В миниатюрных и металлокерамических лампах применение распыляемых газопоглотителей недопустимо из-за малого расстояния между электродами. Слой распыленного металла может вызвать короткое замыкание электродов. Для исключения этого применяется нераспы- ляемый газопоглотитель, который может быть как отдельным элементом конструкции лампы, так и материалом покрытия электродов. Материалами нераспыляемых газопоглотителей являются тантал, цирконий, титан и др. Примеры конструкций газопоглотителей приведены на рис. 5.7.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТГОННЫХ ЛАМП
Управление током в электронной лампе осуществляется путем изменения электрических полей, создаваемых ее электродами. Напряжения между электродами лампы создаются внешними электрическими цепями. Для удобства расчетов потенциал катода принимается равным нулю, а напряжением на каком-либо электроде лампы считается разность потенциалов между этим электродом и катодом (напряжение
анода, напряжение сетки и т. д.). Каждый электрод лампы имеет свою электрическую цепь, в которой протекает ток этого электрода (анодный ток, катодный ток и т. д.). Цепи электродов могут содержать пассивные радиотехнические элементы (резисторы, колебательные контуры, трансформаторы) и активные элементы (электровакуумные и полупроводниковые приборы), а также источники питания.
Свою электрическую цепь имеет подогреватель катода. С помощью цепи накала, которая обеспечивает нагрев катода, путем изменения температуры катода также можно управлять током через лампу, однако этот принцип управления током практически никогда не используется.
Совокупность значений факторов, воздействующих на электронную лампу, определяет ее режим работы. Параметрами режима называются величины, характеризующие данный режим. Так, электрический режим определяют значения напряжений на электродах и токи в их цепях.
Режимы электронных ламп различают как по характеру воздействий на прибор (электрический, тепловой, механический режимы), так и по значению этих воздействий (номинальный и предельный режимы).
Электрические режимы работы лампы разделяются в зависимости от длительности прикладываемых к электродам напряжений. Если все параметры электрического режима постоянны, то режим работы называется статическим.
Квазистатическим называют режим, в котором параметры режима меняются настолько медленно, что свойства прибора практически не отличаются от свойств в статическом режиме. Если прикладываемые к электродам переменные напряжения изменяются настолько быстро, что это сказывается на свойствах прибора, имеет место динамичен ский режим работы прибора.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АНОДОВ
На анод электронной лампы подается положительное напряжение 4 Вылетающие из катода электроны разгоняются в ускоряющем поле и приобретают кинетическую энергию eUa. При бомбардировке анода эта энергия передается материалу анода в виде тепла. Мощность, выделяемая на аноде за счет электронной бомбардировки,
Ра= "eUa，
где и — количество электронов, прилетающих на анод в единицу времени.
Учитывая, что пе является анодным током лампы /а, получаем
Одновременно с нагревом анода электронной бомбардировкой происходит его охлаждение за счет* излучения энергии или принудительного воздушного или водяного охлаждения. В лампах малой и средней мощности основную роль играет излучение энергии. Рассеиваемая анодом мощность за счет излучения определяется законом Стефана-Больцмана:
尸 а,изЛ = 口аё0窗，
где Па - площадь излучающей поверхности анода; е — коэффициент излучения; о — постоянная Стефана-Больцмана; Т@ - температура анода.
Тепловой режим анода определяет стационарное значение его температуры, при которой подводимая мощность становится равной рассеиваемой мощности 尸а = 尸％цзл・ Отсюда установившаяся температура анода
Следует отметить, что при расчетах нужно учитывать также мощность теплового излучения катода, поглощаемую материалом анода.
Допустимая температура анода ограничивается процессом газовы- деления с анода, что может привести к отравлению катода и снижению его эмиссионных свойств, а в результате к сокращению срока службы лампы. Мощность, рассеиваемая анодом, приводите^ в паспортах электронных ламп, и превышать ее в процессе эксплуатации прибора недопустимо. Особенности теплового режима мощных электронных ламп рассматриваются в гл. 9.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Электронные лампы классифицируют по различным признакам,
По виду преобразования электрической энергии выделяют лампы: вьшрямительные (для преобразования переменного тока в постоянный) ;
генераторные и модуляторные (для преобразования энергии источника постоянного тока или напряжения в энергию переменного тока специальной формы);
усилительные (для преобразования энергии источника постоянного тока или напряжения в энергию переменного тока, по форме совпадающего с усиливаемым сигналом);
частотно-преобразовательные и смесительные (для преобразования спектрального состава сигнала, т. е. энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты).
По количеству электродов среди электронных ламп различают: диоды (лампы с двумя электродами);
триоды (трехэлектродные лампы)；
тетроды (четырехэлектродные лампы);
пентоды (пятиэлектродные лампы) и т. д. Следует отметить, что электронные лампы имеют разное количество сеток, так как катод и анод обязательно присутствуют в каждой лампе.
Различие по мощности обусловлено конструктивными особенностями электронных ламп. Критерием является максимальная допустимая мощность, рассеиваемая анодом лампы. Существуют лампы малой, средней и большой мощности.
По конструктивному оформлению лампы могут быть стеклянные, металлические, миниатюрные, сверхминиатюрные и т. д.
По частотному диапазону работы электронные лампы делят на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
В справочниках по электронным лампам применяется смешанная классификация по перечисленным признакам, показывающая конкретное назначение данного типа приборов. Например, существуют лампы для усиления напряжения низкой частоть! в выходных каскадах, лампы для вьшрямления высокого напряжения и т. д.
Вместе с тем имеется ряд электронных ламп, не подходящих ни под один из приведенных признаков классификации, такие как механотроны (датчики механического смещения), электронно-световые индикаторы напряжения.
Каждый тип электронных ламп имеет сокращенное условное обозначение, регламентируемое общесоюзным стандартом.
Контрольные вопросы и задания
Какими достоинствами обладают электронные лампы?
Перечислите узлы и детали, из которых состоят электронные лампы; поясните их назначение.
Какие бьшают режимы работы электронных ламп?
Чем определяется значение допустимой мощности, рассеиваемой анодом электронной лампы?
Какими факторами ограничивается допустимая температура анода?
Перечислите основные классификационные признаки электронных ламп.
Глава шестая
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИОДЕ
Диодом называется простейшая электронная лампа, содержащая два электрода — анод и катод. Физические процессы в диоде удобно рассматривать с помощью потенциальных диаграмм, показывающих распределение потенциала в пространстве между электродами лампы. Для простоты будем считать электроды диода параллельными бесконечными плоскостями. Если катод не нагрет и термоэлектронная эмиссия с его поверхности отсутствует, то в пространстве между катодом и анодом не будет свободных носителей заряда — электронов. При подаче на анод положительного напряжения относительно катода (потенциал катода принимается равным нулю) электрическое поле диода будет однородным, как в плоском конденсаторе. Вектор напряженности поля в любой точке пространства перпендикулярен электродам. Распределение потенциала между электродами будет линейным (рис. 6.1, кривая 7).
При нагреве катода возникает термоэлектронная эмиссия с его поверхности. Эминируемые катодом электроны через определенное время достигают анода. Таким образом в междуэлектродном промежутке возникает отрицательный объемный заряд, который приводит к понижению потенциала во всех точках пространства. Степень снижения потенциала определяется количеством испускаемых катодом электронов в единицу времени и скоростью их движения между электродами. Скорости электронов зависят, в свою очередь, от напряжения анода.
При невысокой температуре катода, а следовательно, небольшом количестве испускаемых в единицу времени электронов потенциал в междуэлектродном пространстве, снижаясь, остается положительным. На электроны везде действует электрическое поле, ускоряющее их по направлению к аноду (рис. 6.1, кривые 2 и 3), поэтому все эмиттиро- ванные катодом электроны достигают анода. Ток анода равен току эмиссии.
Когда температура катода достигает некоторого определенного значения, снижение потенциала пространства достигает такой степени, что поле у поверхности катода становится нейтральным, т. е. потенциал равен нулю (рис. 6.1, кривая 4). При удалении от катода поле остается ускоряющим, т. е. потенциал пространства положительный.
Дальнейшее повышение температуры катода приводит к такой плотности объемного заряда, что потенциал пространства около катода, где скорость электронов мала, становится отрицательным по отношению к катоду (рис. 6.1, кривые 5 и 6). В промежутке от поверхности катода до минимума потенциала на электроны, вылетающие из катода, действует тормозящее поле, а далее от минимума потенциала до ано- 73
Рис. 6.2. Распределение потенциала в диоде при различных анодных напряжениях и постоянной температуре катодаРис. 6.2. Распределение потенциала в диоде при различных анодных напряжениях и постоянной температуре катодаРис. 6.1. Распределение потенциала в диоде при различных температурах катода и постоянном анодном напряженииРис. 6.1. Распределение потенциала в диоде при различных температурах катода и постоянном анодном напряжении
Рис. 6.2. Распределение потенциала в диоде при различных анодных напряжениях и постоянной температуре катода
Рис. 6.2. Распределение потенциала в диоде при различных анодных напряжениях и постоянной температуре катода
Рис. 6.1. Распределение потенциала в диоде при различных температурах катода и постоянном анодном напряжении
Рис. 6.1. Распределение потенциала в диоде при различных температурах катода и постоянном анодном напряжении
да — ускоряющее. Для того чтобы змиттированным катодом электронам попасть в область ускоряющего поля, а затем на анод, им необходимо сначала преодолеть тормозящее поле объемного заряда. Вылетающие из катода электроны имеют различную начальную кинетическую энергию, и только часть из них в состоянии преодолеть возникший потенциальный барьер. Остальные электроны возвращаются на катод. Анодный ток в этом случае составляет только часть тока эмиссии.
При постоянной температуре катода, а следовательно, постоянном токе эмиссии катода распределение потенциала между электродами зависит от анодного напряжения (рис. 6.2). Из сравнения рис. 6.2 и 6.1 видно, что здесь также имеют место два случая. Первый — поле во всем пространстве между электродами ускоряющее (кривая 4). Потенциал всех точек междуэлектродного промежутка положительный. Второй — в пространстве между электродами имеется область с отрицательным потенциалом. Поле от катода до минимума потенциала тормозящее, а от минимума до анода ускоряющее (кривые 1, 2). Переход от первого случая ко второму (кривая 3) происходит при определенном анодаюм напряжении (^ нас.
В первом случае ток анода не зависит от значения анодного напряжения, он равен току эмиссии катода, т. е. определяется его температурой. Такой режим работы диода называется режимом ограничения тока температурой катода или режимом насыщения.
Во втором случае наблюдается резкая зависимость тока анода of анодного напряжения. Это объясняется тем, что от анодного напря- 74
жения зависит глубина минимума потенциала, т. е. потенциальный барьер, который должны преодолеть электроны. Поэтому значение анодного напряжения определяет количество электронов, прошедших минимум потенциала и составивших анодный ток диода. Такой режим работы лампы называется режимом ограничения тока объемным зарядом или просто режимом объемного заряда. В режиме объемного заряда анодный ток слабо зависит от температуры катода.
Таким образом, режим работы диода определяется значением анодного напряжения и температурой катода (или напряжением накала). Переход из одного режима в другой может быть вызван изменением любого из указанных параметров. Однако напряжение накала обычно является фиксированным для каждой лампы, поэтому считают, что режим работы диода зависит только от значения анодного напряжения. В подавляющем большинстве случаев в диодах используется режим объемного заряда.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ДИОДА
Физические процессы в диоде, рассмотренные в предыдущем параграфе, позволяют легко объяснить закономерности основных характеристик прибора.
На рис. 6.3 приведено семейство эмиссионных характеристик, представляющих зависимость анодного тока диода от напряжения накала 'а = f(4) при неизменном для каждой отдельной характеристики анодном напряжении. При небольших напряжениях накала (до U、, &" к %") диод работает в режиме насыщения и все эмиттированные катодом электроны попадают на анод, т. е. 厶 =/□• Анодный ток растет при увеличении напряжения накала по закону, определяющему зависимость тока эмиссии от температуры катода. При напряжениях накала, превышающих £, 4" и U；", диод переходит в режим объемного заряда, характеризующийся слабой зависимостью тока анода от напряжения накала, т. е. /а < /э. Увеличение анодного напряжения приводит к увеличению значения напряжения накала, при котором происходит переход диода в режим объемного заряда.
Основной характеристикой диода является зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала - анодная характеристика /а =/"(%)• Анодный ток диода связан с напряжением анода законом степени трех вторых.
Для вывода этого закона необходимо ввести некоторые упрощающие задачу предположения. Катод и анод считаем плоскими параллельными безграничными пластинами, что позволяет пренебречь краевыми эффектами и поле между электродами считать однородным. Предполагаем, что катод находится в области минимума потенциала. Тогда напряженность электрического поля около катода равна нулю. Скорость
75
工 Iи： >и\ Рис. 6.3. Семейство эмиссионных характеристик
а I彳一 диода
“ Ifэлектронов в области минимума потенциа-
у J— ла меньше начальных скоростей электронов
/<при термоэлектронной эмиссии, поэтому их
/для удобства будем считать также равны-
I] 一 ми нулю.
и： и； и： % В большинстве режимов работы диодов расстояние от минимума потенциала до катода гораздо меньше междуэлектродного расстояния, а глубина минимума по абсолютному значению существенно меньше анодного напряжения, поэтому считаем / - 切Umjn U*
Электрическое поле между плоскими электродами, находящимися в вакууме при наличии объемного заряда, описывается уравнением Пуассона
號〃厶2 = — p/“，(6.1)
где р — плотность объемного заряда; е0 — электрическая постоянная. Известно, что плотность заряда связана с плотностью тока следующим соотношением:
р = -J/v,
где у — скорость носителей заряда — электронов.
В любой точке междуэлектродного пространства скорость электронов может быть найдена из выражения
т£12= eU,
где U — потенциал в точке определения скорости; s — масса электрона.
Отсюда
V = V 2eU/ гщ.
Плотность объемного заряда связана с потенциалом междуэлектродного пространства в диоде выражением
—-7r—(6.2)
Подставив (6.2) в уравнение Пуассона (6.1), получим
#и J \/те/2е
к з в~-・(6.3)
Умножим обе части уравнения (6.3) на ZHJ]dx;
dU d?u 八 J 5e/2e dU
2=2 =
我改2句办
или
Интегрируя от 0 до х, получаем
Постоянные интегрирования равны нулю, так как при х = 0 <7=0 и dU/dx = 0.
Извлечем корни из обеих частей равенства (6.4), разделим переменные и затем, повторно интегрируя, получим
—\fV3 = 2 VJ/ёо V we/2e x
Отсюда находим соотношение между плотностью анодного тока и потенциалом в точке х
Подставив числовые значения €о н e/s，приняв х = ха в сантиметрах м U = U& в вольтах, окончательно получим выражение для плотности тока у поверхности анода, А/см2,
7 = 2,33 • 10-6 〃з/2/北
Если площадь поверхности анода, принимающая электроны, равна Па, то анодный ток
/а = 2,33. 10-6 (Па/х：)若/2.
Закон степени трех вторых обычно записывают в виде
，a=GU；2,(6.5)
где G — сомножитель, зависящий только от конструкции диода, так называемый первеанс лампы. Для диода с плоскопараллельной конфигурацией электродов
G=2,33 10"6 ПаД1.(6.6)
Рис. 6.5. График функции 俨=f"J『GРис. 6.5. График функции 俨=f"J『GРис. 6.4. Цилиндрическая конструкция электродов диода: 1 - катод; 2 - анод
Рис. 6.5. График функции 俨=f"J『G
Рис. 6.5. График функции 俨=f"J『G
Первеанс диода с цилиндрической конфигурацией электродов, схематически представленных на рис. 6.4, равен
G=2,33・lk 考余，(6.7)
где 俨-функция отношения радиуса анода к радиусу катода. Зависимость 俨 от rJrK приведена на рис. 65 При rJrK = 10 можно считать 俨=L
На рис. 6.6 изображено семейство анодных характеристик диода /а = /44) при постоянном для каждой отдельной характеристики напряжении накала. До определенного напряжения анода 图 U； и характеристики подчиняются закону степени трех вторых. Если анодные напряжения больше указанных значений, диод переходит в режим насыщения и анодный ток не зависит от анодного напряжения.
На рис. 6.7 приведены реальная анодная характеристика диода с вольфрамовым катодом 6Д2С (кривая 7) и теоретическая характеристика (кривая 2), рассчитанная по закону степени трех вторых с учетом геометрических размеров электродов этой лампы.
Сравнение кривых 7 и 2 показывает, что реальная характеристика отличается от теоретической. Это объясняется тем, что при выводе закона степени трех вторых был сделан ряд предположений, упрощающих задачу. Анодный ток на реальной характеристике начинается при небольшом отрицательном напряжении на аноде, что связано с наличием начальных скоростей электронов. Начальная кинетическая энергия некоторых эминированных электронов позволяет им преодолевать небольшое тормозящее поле анода.
Более пологий ход реальной характеристики объясняется неравномерным распределением температуры по поверхности катода. Концы 78
Рис. 6.7. Реальная (7) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым катодом 6Д2СРис. 6.7. Реальная (7) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым катодом 6Д2СРис. 6.6. Семейство анодных характеристик идеализированного диодаРис. 6.6. Семейство анодных характеристик идеализированного диода
Рис. 6.7. Реальная (7) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым катодом 6Д2С
Рис. 6.7. Реальная (7) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым катодом 6Д2С
Рис. 6.6. Семейство анодных характеристик идеализированного диода
Рис. 6.6. Семейство анодных характеристик идеализированного диода
катода, находящиеся в местах закрепления в дисках изоляторов, имеют более низкую температуру, чем средняя его часть. Этой же причиной объясняется плавный переход в режим насыщения ламп с вольфрамовым катодом. Участки катода, имеющие различную температуру, переходят в режим насыщения при разных анодных напряжениях. Другой причиной плавного перехода в режим насыщения является неэкви- потенциальность поверхности прямонакальных катодов. Падение напряжения на катоде при протекании тока накала приводит к тому, что разность потенциалов между анодом и различными участками катода не будет одинаковой.
На рис. 6.8 представлена теоретическая (кривая 7) и реальная (кривая 2) характеристики диода с оксидным катодом 6Х2П. Как видно из характеристики, у ламп с оксидным катодом нет резко выраженного участка насьпцения. С ростом анодного напряжения продолжается рост анодного тока, что объясняется проявлением эффекта Шоттки (см. § 2.3).
Для оценки свойств диода при его практическом применении используются два основных параметра, показывающие, как меняются анодный ток при изменении анодного напряжения: крутизна анодной характеристики и внутреннее сопротивление диода.
Крутизна S в заданной точке характеристики определяется как тангенс угла а наклона касательной в этой точке к оси абсцисс (рис. 6.9)
S = dIJdU^
Крутизна имеет размерность проводимости и обычно указывается в миллиамперах на вольт. Ввиду того что анодная характеристика диода нелинейна, крутизна характеристики не является постоянной, а зависит от анодного напряжения. Эта зависимость может быть получена из
Рис. 6.8. Теоретическая (?) и реальная (2) характеристики диода с оксидным катодом 6Х2П
Рис. 6.9. Определение статических параметров диода по анодной характеристике
закона степени трех вторых дифференцированием выражения (6.5)
Практически крутизна может быть определена по анодной характеристике как отношение приращения тока к приращению напряжения вблизи заданной точки
В справочниках крутизна указывается для номинального режима работы лампы.
Внутреннее сопротивление % - величина, обратно пропорциональная крутизне,
勺=1/5.
Крутизна и внутреннее сопротивление являются дифференциальными параметрами лампы и указывают проводимость и сопротивление диода переменному току с малой амплитудой.
6.3. РАБОТА ДИОДА С НАГРУЗКОЙ
Обычно в анодную или катодную цепь диода включается сопротивление нагрузки. Такой режим работы лампы называется рабочим. Рассмотрим простейший случай, когда нагрузкой диода является активное сопротивление Ra (рис. 6.10). Напряжение на диоде в рабочем ре-
Рис. 6.10. Схема включения диода с нагрузкой в анодной цепиРис. 6.10. Схема включения диода с нагрузкой в анодной цепиРис. 6.11. Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямаяРис. 6.11. Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямая
Рис. 6.10. Схема включения диода с нагрузкой в анодной цепи
Рис. 6.10. Схема включения диода с нагрузкой в анодной цепи
Рис. 6.11. Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямая
Рис. 6.11. Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямая
жиме будет меньше напряжения источника питания на значение падения напряжения на нагрузке при протекании анодного тока
4=万Н - 1风，(6-8)
При определенном напряжении источника питания £и падение напряжения на лампе будет зависеть от значения анодного тока. Для определения тока через диод при заданных значениях напряжения источника питания и сопротивления нагрузки построим статическую анодную характеристику диода и нагрузочную прямую. Построить нагрузочную прямую можно с помощью уравнения (6.8) по двум точкам. Эта прямая проходит на оси абсцисс через точку(4 = £и (при /а = ^), а на оси ординат через точку 1а =%/及@ (при С^ = 0). Ток в диоде и нагрузке протекает общий, поэтому рабочей точкой / будет точка пересечения анодной характеристики диода с нагрузочной прямой (рис. 6.11). Эта точка является решением уравнения (6.8). Проекция рабочей точки на ось абсцисс позволит определить падение напряжения на диоде U& и на сопротивлении нагрузки UR = 1аЛа.
Применение диодов. Односторонняя проводимость диодов лежит в основе их применения для выпрямления переменного тока. Диоды, предназначенные для этой цели, носят название кенотронов. При выпрямлении напряжений до десяти киловольт в настоящее время полупроводниковые диоды практически полностью вытеснили вакуумные. Однако при напряжениях, составляющих несколько десятков киловольт, и небольших токах успешно применяются вакуумные диоды. Маломощные высоковольтные выпрямители на диодах применяются, например, в схемах питания электронно-лучевых приборов.
На нелинейности характеристики диодов основано их применение для преобразования высокочастотных сигналов: детектирование, преобразование частоты. В этом случае важным параметром диода является междуэлектродная емкость, образованная металлическими электродами и вакуумным промежутком между ними. Емкостная проводимость на высоких частотах становится соизмеримой с проводимостью самого диода, что отрицательно сказывается на его свойствах. По- 81
этому конструкция диодов в основном определяется их наз чением..
Контрольные вопросы и задания/
Как влияют на распределение потенциала между электродами диода температура катода и значение анодного напряжения?
Что представляют собой режим объемного заряда и режим йасы- щения? Чем определяются указанные режимы работы диода?
Приведите аналитическое выражение зависимости анодного тока диода от напряжения анода.
Поясните основные причины отличия реальной анодной характеристики диода от теоретической.
Что называется крутизной анодной характеристики диода и как ее определить по указанной характеристике?
Как найти ток диода при заданных напряжениях источника питания и сопротивлении нагрузки?
Укажите области применения диодов.
Глава седьмая
ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИОДЕ
Триодом называется трехэлектродная электронная лампа, имеющая кроме анода и катода третий электрод — сетку. Введение сетки позволяет управлять током в лампе без изменения анодного напряжения. Сетка расположена между анодом и катодом триода.
Анод триода имеет положительньш потенциал относительно катода. Сетка может иметь как отрицательный, так и положительный потенциал. Результирующее поле у поверхности катода определяется полями сетки и анода. Управляющее действие сетки основано на изменении электрического поля у поверхности катода, от значения которого зависит анодный ток лампы. Одна из схем включения триода показана на рис. 7.1.
Для понимания физических процессов в трехзлектродной лампе рассмотрим электрическое поле и распределение потенциала в междуэлектродном промежутке. Для простоты будем считать катод и анод плоскопараллельными пластинами, между которыми помещена сетка в виде параллельных этим пластинам стержней (витков) (рис. 7.2).
На рис. 7.3 показаны эквипотенциальные линии и графики распределения потенциала между электродами при различных напряжениях на сетке и постоянном анодном напряжении триода. Катод триода будем считать "холодным", поэтому пространственный заряд в между-
Рис. 7.2. Схематическое изображение плоской системы электродов триода:Рис. 7.2. Схематическое изображение плоской системы электродов триода:1 - катод; 2 - сетка; 3 - анод
Рис. 7.2. Схематическое изображение плоской системы электродов триода:
Рис. 7.2. Схематическое изображение плоской системы электродов триода:
электродном пространстве отсутствует. Графики на рисунке показывают распределение потенциалов в сечении 1-1, проходящем от катода к аноду через витки сетки, и в сечении 2—2, проходящем в середине между витками.
При значительном отрицательном напряжении на сетке потенциал всего пространства у поверхности катода отрицательный (рис. 7.3, а). Области отрицательных потенциалов относительно катода заштрихованы на рисунке. Если не учитывать начальные скорости, то электроны, вышедшие из катода, не могут преодолеть тормозящее поле. Анодный ток в этом случае равен нулю — лампа заперта.
Картина поля на рис. 7.3, 6 соответствует напряжению на сетке, при котором потенциал у катода в сечении 2—2 становится положительным. Электроны с точек поверхности катода, которые лежат в этом сечении, могут попасть на анод. Напряжение сетки или анода, превышение которого вызывает появление анодного тока, носит название напряжения запирания. Очевидно, что при меньших напряжениях на указанных электродах ток в лампе отсутствует.
Дальнейшее повышение потенциала сетки приводит к росту размеров тех участков катода, поле перед которыми ускоряющее (рис. 7.3, в). В этом случае анодный ток образуется только за счет электронов, вышедших с отдельных участков катода (островков), расположенных между витками сетки. Размеры островков зависят от значения сеточного напряжения. Это явление называется островковым эффектом.
При некотором потенциале сетки в формировании анодного тока участвует уже вся поверхность катода. Потенциал пространства у поверхности всего катода положительный (рис. 7.3, г). Если потенциал сетки совпадает с потенциалом пространства между ее витками, картина поля становится такой же, как в диоде с "холодным” катодом (рис. 7.3,0). Сетка в этом случае не влияет на картину поля. На рис. 7.3,е показана картина поля при большом положительно м напряжении
сетки.
-50 20 VP 60 80 7勿
О 20 40 60 80 WO
x
Рис. 73 Эквипотенциальные пинии и гранки распределения потенциала в плоском триоде по виткам сетки в сечении 1—1 (кривые У) и между витками в сечении 2—2 (кривые 2)
В реальном триоде с накаленным катодом электрическое поле определяется как напряжениями сетки и анода, так и объемным зарядом электронов в междуэлектродном промежутке. В режиме насыщения 84
Рис. 7.4. Триод и эквивалентный ему диод
от катода отбираются все электроны и катодный ток практически не зависит от значения напряжения на сетке, если не принимать во внимание эффект Шоттки. Поэтому эффективное управление анодным током возможно только в режиме объемного заряда, т. е. при наличии минимума потенциала у поверхности катода. Именно глубину этого минимума регулирует напряжение на управляющем электроде — сетке.
Следует обратить внимание на то, что режим объемного заряда триода сохраняется и до определенного положительного напряжения сетки. При положительном напряжении сетки часть электронов из объемного заряда попадает на ее витки, образуя сеточный ток< Однако площадь витков сетки существенно меньше площади межвиткового пространства, поэтому большая часть электронов проходит на анод триода. Анодный ток триода, как правило, значительно больше сеточного. Таким образом, в общем случае в триоде существуют три тока: катодный, анодный и сеточный (рис. 7」)
Лс н /а +厶・
При отрицательном потенциале сетки ее ток практически равен нулю и /к /а. Чтобы определить катодный ток триода, можно воспользоваться законом степени трех вторых, полученным для диода. Для этого триод представляют в виде эквивалентного диода. Сплошной анод эквивалентного диода расположен в плоскости сетки триода (рис. 7.4). Анодное напряжение эквивалентного диода, при котором его анодный ток равен катодному току триода, называется действующим напряжением. Другими словами, действующее напряжение анода эквивалентного диода воздействует на прикатодную область так же, как совместно воздействуют поля анода и сетки триода. Выразив это напряжение через напряжения анода и сетки триода, можно рассчитать катодный ток триода.
В связи с тем, что токи реального триода и эквивалентного диода равны, будут равны в этих лампах и напряженности полей у поверхности катода. Заряды, наводимые на катоде анодом и сеткой триода, будут соответственно равны
где Са>к — емкость между анодом и катодом триода; Сс)к — емкость между сеткой и катодом триода (рис. 7.4).
Суммарный заряд на катоде триода
% 二 ％, J %,с = ^а,к^а + Се*%*
Заряд, наводимый на катоде анодом эквивалентного диода,
ад=叱，
С 一 емкость между анодом и катодом эквивалентного диода; Ua - действующее напряжение.
Заряды на катодах триода и эквивалентного диода должны быть равны = qt，тогда
Откуда '
q = (G,K&+ catMia
Площадь анода эквивалентного диода больше поверхности витков сетки, поэтому С > Сс>к. Для упрощения получаемого выражения можно считать
С * Сс,к + С*а,к*
Тогда
Д= %к + 嚷 *
Разделив числитель и знаменатель на Сс>к и обозначив отношение Ca,K/CCtK = D, получим
〃 =(&+ oq)/(i+ о).(7.1)
Величина D называется проницаемостью сетки, она показывает, насколько слабее воздействие потенциала анода на поле перед катодом по сравнению с воздействием потенциала сетки. Чем гуще намотаны витки сетки и чем ближе она расположена к катоду, тем сильнее сказывается ее экранирующее действие, т. е. тем меньше проницаемость сетки.
Проницаемость сетки для большинства триодов значительно меньше единицы, поэтому в знаменателе (7.1) величиной D можно пренебречь. В результате получается простое выражение для действующего напряжения
(7.2)(7.2)U==Uc+DU%
(7.2)
(7.2)
Зная значение действующего напряжения, можно рассчитать токи в триоде. По определению эквивалентного диода его анодный ток равен катодному току триода, поэтому закон степени трех вторых для 86
триода может быть записан в виде
4=人+厶=g由/2,
ИЛИ
/k = g'(&+oq)3/2.(7.3)
Для плоской системы электродов по аналогии с выражением (6.6)
G* = 2,33 10-6 Пс)эф/^>к,(7.4)
где %с,к — расстояние между катодом и сеткой триода, равное расстоянию между катодом и анодом эквивалентного диода; Пс эф — эффективная поверхность анода эквивалентного диода - сплошного электрода, находящегося на месте сетки триода.
Для цилиндрической системы электродов согласно выражению (6.7)
G* = 2,33-IO"6 Пс)эф/(г^2),(7.5)
где г с — радиус сетки; Пс>Эф — площадь поверхности сплошного цилиндра, находящегося на месте сетки триода, Пс)эф = 2тггс/ ； ? - длина системы электродов; 0 — функция отношения радиуса сетки к радиусу катода.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ТРИОДА
Катодный, анодный и сеточный токи триода, как следует из выражения (7・3), определяются значениями напряжений на аноде и сетке лампы. Напряжение накала будем считать постоянным, поэтому
/к = 〃4； 4)；厶= 〃〃；4)；厶=〃4； 4)・
Из возможных характеристик триода в основном представляют интерес следующие характеристики:
анодно-сеточная /а =/(^) при Ua = const;
анодная /а = f^U^ при & = const;
сеточная /с =/(〃)при Ua = const;
сеточно-анодная /с = /(t^) при Uc = const.
Каждая из указанных характеристик является зависимостью тока анода или сетки от напряжения на одном из электродов относительно катода при постоянстве напряжения на другом электроде.
Статические характеристики триода при отрицателшых напряжениях на сетке. Ранее было отмечено, что при отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток очень мал и /к « /а. Поэтому в данном случае Представляют интерес две характеристики триода: анодно-се- точная и анодная. Согласно закону степени трех вторых анодный ток
Рис. 7.5. Семейство анодно-сеточных характеристик триода 6Н18Б
Рис. 7.6. Семейство анодных характеристик триода 6Н18Б
можно найти из выражения
厶二 G'(a+ О%»*.(7.6)
При различных постоянных напряжениях анода эта зависимость будет описывать семейство аноднонеточных характеристик триода. На рис. 7.5 приведено семейство анодно-сеточных характеристик сверхминиатюрного двойного триода 6Н18Б. Запирающее напряжение сетки можно найти из выражения (7.6), приняв в нем /а = 0:
&,зап="4(7-7)
При увеличении напряжения анода анодно-сеточная характеристика будет сдвигаться влево, при уменьшении — вправо. Таким образом, напряжение запирания триода зависит от анодного напряжения и проницаемости сетки, причем повышение густоты сетки приводит к сдвигу характеристик вправо.
Кривые для разных анодных напряжений одинаковы по форме, как следует из (7.6), но сдвинуты по оси абсцисс на
Приведенные на рисунке анодно-сеточные характеристики триода несколько отличаются от теоретических характеристик, описываемых законом степени трех вторых. Ряд причин, приводящих к отклонению реальных характеристик от теоретических, рассмотрен в § 6.2 применительно к двухэлектродной лампе. Основной причиной более пологого хода характеристик, как и у диода, является неравномерная температура поверхности катода. Некоторое затягивание начала характеристики объясняется тем, что лампа запирается не сразу по всей поверх-
ности катода; имеет место островковый эффект (см. рис. 7.3, в). Особенно заметно это явление у ламп с редкой сеткой.
Выражение (7.6) при фиксированных напряжениях сетки описывает семейство анодных характеристик триода. На рис. 7.6 показано семейство анодных характеристик лампы 6Н18Б. Приравняв анодный ток нулю, из формулы (7.6) найдем напряжение запирания анода, при котором появляется ток в цепи анода,
(7.8)(7.8)Статические характеристики триода при положителшых напряжениях сетки. При положительном напряжении сетки катодный ток, зависящий от напряжений на электродах согласно выражению (7.3), распределяется между анодом и сеткой. Соотношение между анодным и сеточным токами определяется траекториями движения электронов, которые зависят от структуры поля в междуэлектродном пространстве, т. е. от вида эквипотенциальных линий. Согласно теореме подобия структура электрического поля не изменится, если пропорционально изменить потенциалы всех электродов. Это позволяет сделать вывод, что траектории электронов, а следовательно, и соотношение анодного и сеточного токов зависят не от абсолютного значения напряжения электродов, а от их отношения. Отношение анодного тока к сеточному носит название коэффициента токораспределения
(7.8)
(7.8)
Учитывая, что /к = /а + /с, получаем
(7.9)
(7」。)
Окончательно выражения для анодного и сеточного токов триода при положительном напряжении на сетке будут иметь вид
~rTG\U^ DU^2}(7.11)
4= 1r占G'U + DUJ3&(7.12)
Рассмотрим закономерности токораспределения при различных отношениях UJUC. Если &〉％, то потенциал витков сетки оказывается выше потенциала области между ее витками (рис. 7.7). В этом случае поле межвиткового пространства действует на электронный
Рис. 7.8. Графики рас1феделения потенциала в триоде при различных анодных напряжениях
Рис. 7.7. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при %〉％
поток как рассеивающая линза. Электроны получают ускорение в направлении близлежащего витка сетки. Чем ближе к витку пролетает электрон, тем сильнее он отклоняется в сторону сетки. Пролетев область сетки, электрон попадает в замедляющее поле. Составляющая скорости в направлении анода может оказаться недостаточной для преодоления этого поля, и электрон возвратится на один из витков сетки. В промежутке между сеткой и анодом образуется объемный заряд, снижающий потенциал пространства. Электроны, скорость которых достаточна для преодоления минимума потенциала, долетают до анода. Остальные электроны возвращаются на сетку, создавая сеточный ток.
На рис. 7.8 приведены графики распределения потенциала между электродами триода при различных анодных напряжениях. Значение анодного напряжения сильно влияет на количество электронов, возвращающихся на сетку. Такой режим токораспределения носит название режима возврата электронов. Он характеризуется резкой зависимостью анодного и сеточного тока, а также коэффициента то- кораспределения-от напряжения анода (или сетки).
При увеличении анодного напряжения уменьшается глубина минимума потенциала между сеткой и анодом и быстро увеличивается количество электронов, достигающих анода. При Ua > 0,8 Ц； практически все электроны, пролетающие область сетки, попадают на анод： Сеточный ток составляют только электроны, которые непосредственно перехватываются витками сетки. На рис. 7.9 показаны зкви- потенциали и траектории электронов при Ua > Uc, Такой режим токораспределения носит название режима прямого перехвата. Он характеризуется слабой зависимостью анодного и сеточного токов и коэффициента токораспределения от напряжения анода (или сетки). Зависимость коэффициента токораспределения в этом режиме от отношения анодного и сеточного напряжений дает формула
Рис. 7.10. График зависимости коэф^итиента токораспределения от отношения напряжений на электродахРис. 7.10. График зависимости коэф^итиента токораспределения от отношения напряжений на электродахРис. 7.9. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при %〉《Рис. 7.9. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при %〉《
Рис. 7.10. График зависимости коэф^итиента токораспределения от отношения напряжений на электродах
Рис. 7.10. График зависимости коэф^итиента токораспределения от отношения напряжений на электродах
Рис. 7.9. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при %〉《
Рис. 7.9. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при %〉《
(7.13)(7.13)kp=&(Ua/a)"2,
(7.13)
(7.13)
「 h「 hгде & - коэффициент, зависящий от конструкции лампы. Для системы плоских электродов
「 h
「 h
(7.14)
где hud- соответственно шаг и диаметр проволоки витков сетки; X%к - расстояние от анода до катода. Отношение dfh называют коэффициентом заполнения сетки.
Для цилиндрической системы электронов
(715)
где гс и га - радиусы сетки и анода.
На рис. 7.10 показана зависимость коэффициента токораспределения от отношения напряжений на электродах.
На рис. 7.11 приведено семейство анодно<еточных и сеточных характеристик мощного триода ГУ-89А. При увеличении напряжения сетки анодный ток сначала растет, затем при приближении напряжения сетки к напряжению анода рост анодного тока замедляется и наступает его уменьшение. Максимум ано дно неточных характеристик показывает момент перехода из режима прямого перехвата в режим возврата. Сеточный ток при росте напряжения сетки постоянно возрастает.
Семейство анодных и сеточно-анодных характеристик лампы ГУ-89А приведено на рис. 7.12. Резкая зависимость анодного тока от анодного напряжения характерна для режима возврата электронов. Пологий участок характеристик соответствует режиму прямого перехвата.
Рис. 7.12. CeMdtciBO анодных и сеточно-анодных характеристик триода ГУ-89А
Статические параметры триода. Для практического применения триодов используют три основных параметра, которые устанавливают связь между изменениями анодного тока, напряжения анода и напряжения сетки. Такими параметрами являются крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.
Статическая крутизна в заданной точке анодносеточной характеристики определяется как тангенс угла наклона касательной в этой точке к оси абсцисс
Ua = constUa = const
Ua = const
Ua = const
Как и в диоде, крутизна измеряется в миллиамперах на вольт. Если напряжение на сетке отрицательное, то для заданных значений напряжений на электродах, зная конструктивные параметры триода, можно получить аналитическое выражение крутизны. Дифференцируя уравнение (7.6), получаем
(7.16)(7.16)5=告G<"+ 叫"2
(7.16)
(7.16)
Для большинства триодов приемно-усилительных ламп крутизна лежит в пределах от 1 до 50 мА/B. У г^ераторных триодов значение крутизны может быть значительно большим.
Внутреннее сопротивление триода показывает связь между изменениями анодного тока и анодного напряжения при неизменном напряжении на сетке и определяется как котангенс угла наклона касательной 92
в заданной точке анодной характеристики к оси абсцисс
0 二0 二叫叫
0 二
0 二
叫
叫
Uc = const
Внутреннее сопротивление у триодов различного назначения лежит в широких пределах — от сотен ом до единиц мегаом. У приемно-усилительных триодов внутреннее сопротивление составляет единицы - десятки килоом.
(7.17)(7.17)Статический коэффициент усиления является параметром лампы, который позволяет сравнивать воздействия анодного и сеточного напряжений на анодный ток. Если изменить напряжение на сетке, то это вызовет изменение анодного тока. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно увеличить напряжение анода по сравнению с изменением напряжения сетки, чтобы скомпенсировать воздействие на анодный ток изменения сеточного напряжения
(7.17)
(7.17)
Знак минус указывает на то, что для компенсации сеточного воздействия на анодный ток изменение анодного напряжения должно быть противоположно по знаку.
При отрицательном напряжении на сетке, когда 7K а 厶，можно получить простую зависимость, связывающую коэффициент усиления с проницаемостью. Дифференцируя выражение (7.6), получаем
dla=等 GYUc+DUa)"2(dUc+ DdUJ.
Если считать, что противоположные по знаку приращения dUc и dUa не приводят к изменению анодного тока, то dla =0 и
dUc + DdUa = 0.
Отсюда
0 T0 T(7.18)(7.18)/а = const/а = const
0 T
0 T
(7.18)
(7.18)
/а = const
/а = const
Сравнивая (7.17) и (7.18), получаем g 二 1/D
Учитывая, что D = С%к/Сс,к, получаем g = CCjK/Ca>K. Следовательно, статический коэффициент усиления определяется конструкцией электродов и практически не зависит от режимов работы лампы.
Статические параметры триода S, R： и g связаны между собой простой зависимостью. Изменение анодного тока dla является сум-
мой изменений от воздействия напряжения сетки SdUc и напряжения анода dUjR» . Если считать, что ток остался неизменным и dla = О, то можно записать
SdUc 二-dUjR.,、
или
SR. = m(7.19)
Это уравнение, связывающее основные параметры лампы, носит название внутреннего уравнения триода,
В справочниках статические параметры указываются для номинального режима — определенных значений Ua и Uc. Для нахождения параметров при любых напряжениях анода и сетки можно применить графический способ, используя семейство анодно-сеточных или анодных характеристик. Например, через точку Л, соответствующую заданному режиму на одной из кривых семейства анодно-сеточных характеристик, проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с ближайшей характеристикой семейства (точка В, рис. 7.13). Затем через точку В проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с первой характеристикой семейства (точка 0. Получившийся прямоугольный треугольник, который называют характеристическим, позволяет определить все три рассмотренных выше статических параметра триода.
Координаты точек Л и С, лежащих на одной характеристике, соответствующей определенному значению анодного напряжения, позволяют найти крутизну
I %" I - I и： I ■
Из координат точек В и С при постоянном напряжении сетки можно найти внутреннее сопротивление
0 = △%& = (G -弘)/&" - /;) •
Коэффициент усиления может быть найден из коорданат точек А и В, относящихся к одному и тому же значению /а：'
Аналогичным образом могут быть определены статические параметры триода по семейству анодных характеристик.
Междуэлектродные емкости. При рассмотрении понятия ^действую- щее напряжение" были упомянуты междуэлектродные емкости триода. Для оценки возможности применения триодов для усиления и генери- 94
Рис. 7.14. Схема включения триода с нагрузкой в анодной цепиРис. 7.14. Схема включения триода с нагрузкой в анодной цепиРис. 7.13. Определение статических параметров триода
Рис. 7.14. Схема включения триода с нагрузкой в анодной цепи
Рис. 7.14. Схема включения триода с нагрузкой в анодной цепи
рования сигналов на различных частотах важно знать значения междуэлектродных емкостей, которые зависят как от конструкции лампы (геометрических размеров электродов, выводов и держателей, расстояния между ними), так и от электрического режима работы триода. На значения емкостей оказывает влияние объемный заряд у катода.
Для наиболее распространенной схемы включения триода различают три междуэлектродные емкости: входную Сс>к, которая оказывается включенной параллельно входу лампы, выходную Са>к, включенную параллельно нагрузке, и проходную Сс>а, связывающую выход триода с входом (рис. 7.14).
На высоких частотах Са,к шунтирует нагрузку в анодной цепи лампы, a q,K снижает входное сопротивление триода. Емкость Сс?а образует. нежелательную проводимость между выходной и входной цепями лампы, что снижает входное сопротивление усилительного каскада на триоде, а также может привести к его самовозбуждению. Значение емкости Сс,а составляет от единиц пикофарад в маломощных лампах до нескольких сотен пикофарад в самых мощных триодах.
РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРИОДА
При работе триода в реальных схемах в цепи электродов включается нагрузка. Как отмечалось в § 5.3, в качестве нагрузки можно использовать как пассивные радиотехнические элементы, так и активные радаотехнические элементы. Рассмотрим простейший случай, когда в анодную цепь триода включен резистор (см. рис. 7.14). Напряжение на аноде триода в рабочем режиме будет определяться выражением (6.8), как у диода. Рабочему режиму триода соответствуют рабочие характеристики. Основной характеристикой является рабочая анодно-сеточная характеристика /а = /*(&) при £日=const.
При наличии резистора в анодной цепи напряжение анода не является постоянным, а зависит от сеточного напряжения. Ход рабочей анодносеточной характеристики проще всего определить графическим путем.
，eo.
一区 4" I
\ui。о
□с
I I Ex ^a 0
工a1口尺a
D
Рис. 7.15. Работа триода с нагрузкой:j
。一 форма напряжения на сетке; рабочая (/) и статическая (2) анодно-сеточные характеристики; б — форма напряжения на лампе и на натрузке; семейство анодных характеристик триода и нагрузочная прямая; в 一 форма анодного тока триода
На рис. 7.15, б представлено семейство статических анодных характе-: ристик триода. При заданных значениях £日 и Ra строится нагрузочная 1 прямая, как было показано в § 6.3. Значения анодных токов, соответ- ■； ствующие точкам пересечения нагрузочной прямой с характеристика- j ми семейства, используются для построения рабочей анодно -сеточной ' характеристики. Как видно из рис. 7.15, % рабочая анодно-сеточная : характеристика (кривая 2) идет более полого, чем статическая, приве- $ денная для сравнения на том же рисунке (кривая 2). Следовательно,- рабочая крутизна меньше статической и зависит от анодной нагрузки. Можно показать, что
5ра6 二 З% / (& + 0 ) •
Следует отметить, что рабочая крутизна является параметром не триода, а усилительного каскада, построенного на данном триоде.
На рис. 7.15, в показана форма анодного тока, а на рис. 7.15, б — напряжения на аноде и на сопротивлении нагрузки uR = iaRa при подаче на сетку лампы гармонического сигнала. Напряжение на сетке триода с учетом постоянного напряжения смещения £см, определяющего положение рабочей точки, можно представить зависимостью
% 二 ^см + Umsin<^t,
где Um — амплитуда гармонического сигнала.
При построении кривых мгновенные значения анодного тока нахо-»- дят путем переноса мгновенных значений напряжения на сетке на ра- 96
бочую ано дно -сеточную характеристику. Затем мгновенные значения анодного тока переносят на нагрузочную прямую и определяют форму напряжения на аноде и сопротивлении нагрузки.
Применение триодов. Триоды малой мощности в большинстве радиоэлектронных устройств в настоящее время вытеснены полупроводниковыми приборами, однако в исключительных случаях они находят применение как усилительные элементы схем. В основном триоды широко используют как мощные электронные приборы для радиопередающих устройств, промышленных генераторов высокой частоты.
Контрольные вопросы и задания
Объясните графики распределения потенциала между электродами и вид эквипотенциальных линий в триоде при различных напряжениях на сетке и постоянном напряжении анода.
Что такое действующее напряжение триода?
Как густота сетки триода влияет на проницаемость?
Опишите зависимость катодного тока триода от напряжения на электродах.
Как зависит запирающее напряжение сетки триода от значения анодного напряжения?
Опишите распределение токов между электродами в триоде при положительных напряжениях сетки. Что такое коэффициент токорас- пределения и как он зависит от напряжения на электродах?
Что называется статической крутизной характеристики триода? Как крутизна зависит от конструктивных параметров лампы и напряжения на электродах?
Какой физический смысл имеет статический коэффициент усиления триода? Как он связан с проницаемостью?
Как найти статические параметры триода с помощью семейств характеристик?
Опишите особенности рабочего режима триода. Что такое рабочая крутизна и как она связана со статической крутизной характеристики?
Глава восьмая.
МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕТРОДАХ И ПЕНТОДАХ
9797Многоэлектродными называются электронные лампы, имеющие кроме анода и катода несколько сеток. Проходная емкость Сс>атрио дов может быть значительной, что существенно ограничивает частотный диапазон работы лампы. Еще одним недостатком триода является малое
97
97
4-6353
значение статического коэффициента усиления g. Увеличение g путем повышения экранирующего действия сетки (уменьшения проницаемости Л) связано с другим серьезным препятствием. Как следует из выражения (7.7), повышение g приводит к уменьшению по абсолютному значению напряжения запирания анодно-сеточной характеристики. Протяженность характеристики от (^ = 0 до &,3ali становится слишком малой для неискаженного усиления входного сигнала. Увеличивать раствор анодно-сеточной характеристики триодов с большим g путем повышения анодного напряжения нецелесообразно.
В целях устранения этих недостатков было применено дополнительное экранирование электрического поля анода путем введения второй сетки. В соответствии с назначением сетка получила название экранирующей.
В четырехэлектродной лампе — тетроде экранирующая сетка расположена между первой сеткой (управляющей) и анодом. На нее подается постоянное положительное напряжение, не изменяющееся в процессе работы лампы. Напряжение экранирующей сетки обычно составляет 30—100% анодного. Очевидно, появление еще одного электрода, имеющего положительный потенциал, вызовет ток /с2 в цепи этого электрода за счет попадающих на него электронов. В общем случае в тетроде
/к =厶 + Zc2 + 厶］•
В большинстве практических случаев многосеточные лампы работают при отрицательном напряжении первой сетки, поэтому катодный ток будет суммой токов анода и экранирующей сетки:
厶< =厶 + Zc2-
Токораспределение в тетроде имеет такие же закономерности, как и в триоде, работающем при положительном напряжении сетки.
На рис. 8.1 приведено распределение потенциала в тетроде при Ua < < 〃2, а на рис. 8.2 показан ход анодной /а = f(q)(&i = const и % 二 const) и экранно-анодной /с2 = /(^4) (Uci = const и Uc2 = =const) характеристик тетрода. Теоретические характеристики изображены пунктирными, а реальные сплошными линиями. При малых анодных напряжениях Ua < Uc2 наблюдается резкая зависимость тока анода от напряжения на нем - режим возврата электронов. Когда напряжение анода достигает некоторого значения U： , реальные характеристики тетрода начинают резко отклоняться от теоретических, а при Ua > Uc2 опять практически совпадают с ними.
Для объяснения этого явления рассмотрим физические процессы в промежутке между экранирующей сеткой и анодом. Электроны, бомбардирующие поверхность анода и имеющие энергию eUa, вызывают вторичную эмиссию из анода. Вторичные электроны попадают в поле, ускоряющее их в направлении экранирующей сетки (см. рис. 8.1). По
Рис. 8.1. Распределение потенциала в тетроде при %<%Рис. 8.1. Распределение потенциала в тетроде при %<%
Рис. 8.1. Распределение потенциала в тетроде при %<%
Рис. 8.1. Распределение потенциала в тетроде при %<%
Рис. 8.2. Статические анодные и экранно-анодные характеристики тетрода мере повышения анодного напряжения вместе с ростом тока анода растет коэффициент вторичной эмиссии. При достижении анодным напряжением значения U： = 10 -^ 20 В скорость роста коэффициента вторичной эмиссии резко увеличивается, что приводит к уменьшению тока анода и увеличению тока экранирующей сетки по сравнению с теоретическими значениями (без учета вторичной эмиссии). Причем при очень резком нарастании коэффициента вторичной эмиссии анодная характеристика может иметь падающий участок. Тетрод в этом режиме характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением 0 • Этот процесс продолжается до тех пор, пока анодное напряжение не станет больше напряжения экранирующей сетки, а вылетающие из анода вторичные электроны не будут возвращаться обратно на анод.
Переход электронов вторичной эмиссии с одного электрода на другой получил название динатронного эффекта. Это явление приводит к появлению падающего участка на анодной характеристике и к нестабильности характеристики в этой области анодных напряжений U： V < Ua< %. Поэтому тетроды не нашли широкого применения.
Для устранения динатронного эффекта необходимо создать такое распределение потенциала между экранирующей сеткой и анодом, при котором вторичные электроны возвращались бы на анод при любых соотношениях анодного напряжения и напряжения экранирующей сетки. На рис. 8.3 показано распределение потенциала, при котором вторичные электроны, имеющие небольшую кинетическую энергию, из-за наличия минимума потенциала попадают в тормозящее поле и возвращаются на анод. Минимум потенциала создается объемным зарядом электронного потока большой плотности или дополнительным электродом (обычно в виде сетки) между экранирующей сеткой и анодом.
Лампы, в которых дая подавления динатронного эффекта используется объемный заряд, называются лучевыми тетродами. Глубина минимума потенциала в лучевых тетродах зависит от плотности электронного потока перед анодом и расстояния между анодом и экранирую- 99
Рис. 8.3. Распределение потенциала в лучевом тетроде при различных анодных напряжениях
Рис. 8.4. Устройство лучевого тетрода:
а - продольное сечение; б - поперечное сечение; 7 - катод; 2 — первая сетка; 3 - вторая сетка; 4 — анод; 5 — лучеобразующие пластины
щей сеткой. Для увеличения плотности электронного потока производится его фокусировка в двух плоскостях. В одной плоскости фокусировка электронов обеспечивается лучеобразующими пластинами, имеющими нулевой потенциал (рис. 8.4, а). Фокусировка в другой плоскости получается в результате вьшолнения управляющей и экранирующей сеток с одинаковым шагом навивки. Электронный поток проходит между витками первой сетки, имеющей отрицательное напряжение, в виде узких пучков. Витки второй сетки почти не изменяют траектории электронов (рис. 8.4, б). По этой причине лучевые тетроды характеризуются малым током экранирующей сетки. Для увеличения глубины минимума потенциала расстояние между второй сеткой и анодом в лучевых тетродах обычно увеличено по сравнению с другими многоэлектродными лампами.
Поскольку для создания минимума потенциала требуется большой ток, лучевые тетроды, как правило, применяют в выходных каскадах для усиления мощности. В маломощных лампах рассмотренный способ устранения динатронного эффекта не может быть реализован.
Электронные лампы, в которых для подавления динатронного эффекта используется третья сетка, называются пентодами. Эта сетка, называемая защитной или антидинатронной, соединяется с катодом. Иногда третья сетка имеет отдельный вывод, на который подается небольшое отрицательное напряжение. Для того чтобы не уменьшался коэффициент токораспределения, третья сетка у большинства пентодов делается редкой с большой проницаемостью.
Для нахождения катодного тока в многоэлектродных лампах, как и W1* триода, можно воспользоваться законом степени трех вторых. Рассмотрим возможность применения этого закона на примере тетрода. 100
Рис. 8.5. Приведение тетрода к эквиваленшым триоду и диоду
Катодный ток тетрода зависит от напряжений анода, первой и второй сеток. Чтобы рассчитать ток катода, нужно заменить неравномерное распределение потенциала в плоскости первой сетки равномерным потенциалом анода эквивалентного диода, воздействующим на поле у катода так же, как воздействуют на это поле потенциалы всех электродов тетрода.
Действующее напряжение тетрода можно найти, если воспользоваться методом последовательного приведения к эквивалентному диоду. Совместное действие анода и экранирующей сетки заменяется действием анода эквивалентного триода, расположенного в области второй сетки тетрода (рис. 8.5, а, б). По аналогии с (7.2) найдем напряжение анода эквивалентного триода
к= 5 4厶,(8.1)
где D2 - проницаемость экранирующей сетки.
Далее эквивалентный триод сводят к эквивалентному диоду, как было показано в § 7.1. Действующее напряжение в тетроде (рис. 8.5,6) определяется из выражения
4=%1+。1g2.(8・2)
Подставляя в (8.2) значение напряжения анода эквивалентного триода (8.1), получаем
4=%i +А&2 +АА4・(8・3)
Произведение проницаемостей первой и второй сеток характеризует воздействие напряжения анода на поле у катода. Это произведение обычно много меньше единицы, поэтому третьим слагаемым в правой части (8.3) можно пренебречь.
Окончательно для большинства тетродов выражение для действующего напряжения будет иметь вид
%=又工 + D*Uc2・(84)
По аналогии с тетродом можно получить выражение для действую-
101
щего напряжения в пентоде
4=41 + а “2 +。也 〃з + DARUa, (8.5)
где D3 — проницаемость третьей сетки.
Учитывая, что проницаемость каждой сетки меньше единицы, можно пренебречь в (8.5) слагаемыми А24з и ААА%. Тогда (8.4) будет справедливо практически для любой многоэлектродной лампы. Основное влияние на катодный ток в многоэлектродных лампах оказывают напряжения первой и второй сеток, поэтому для расчета катодного тока можно пользоваться упрощенным выражением закона степени трех вторых
/k=G'%3/2 =G，(％ +。血 2)3/2. (8.6)
Коэффициент Gr в (8.6) определяется в зависимости от конструкции системы электродов по (7.4) или (7.5), если считать параметры Пс эфф, %,к и『с относящимися к первой сетке многоэлектродной лампы.
При отрицательном напряжении первой сетки катодный ток тетрода будет распределяться только между экранирующей сеткой и анодом. Токораспределение в тетроде аналогично распределению токов в триоде с положительной сеткой. Поэтому для расчета коэффициента токо- распределения тетрода можно пользоваться формулами (7.8) - (7.15), учитывая, что вместо сетки триода нужно иметь в виду вторую сетку тетрода.
Токораспределение в пентоде имеет более сложный характер, чем в триоде и тетроде, из-за наличия третьей сетки. Переход из режима возврата в режим прямого перехвата в пентодах происходит при более низких анодных напряжениях, как правило, составляющих 10-50% напряжения экранирующей сетки.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП
Из множества характеристик многоэлектродных ламп, предназначенных для усиления и генерирования сигналов, наибольший интерес представляют три характеристики: 1) ано дно-сеточная 厶=〃〃1)при постоянных %, &2 и Uc3； 2) экранно-сеточная /с2 =/(41) при постоянных Uc2 н 〃з； 3) анодная /а =/(i4) при постоянных 〃小 Uc2 И 4з・
Анодно-сеточные и экранно-сеточные характеристики различных многоэлектродных ламп мало отличаются по виду, поэтому рассмотрим ход характеристик одного типа ламп, например пентода. На рис. 8.6 приведены указанные характеристики при различных постоянных напряжениях экранирующей сетки и анода. Действующее напряжение 102
т. е. напряжение первой сетки, при котором появляются токи анода и второй сетки, зависит только от напряжения второй сетки.
При изменении напряжения анода меняется глубина минимума потенциала между второй сеткой и анодом, что сказьшается на значении коэффициента токораспределения. С ростом напряжения анода незначительно растет анодный ток и уменьшается ток второй сетки. Этим объясняется веерообразный ход характеристик.
Анодные характеристики тетрода 6Э12Н, лучевого тетрода 6ЖЗП и пентода 6Ж1П, предназначенных для усиления напряжения высокой частоты, приведены на рис. 8.7. На характеристиках любой из приведенных многоэлектродных ламп легко выделить области, соответствующие режиму возврата с резкой зависимостью анодного тока от анодного напряжения и режиму прямого перехвата - пологий участок характеристик. Характеристики тетрода с четко выраженным динатрон- ным эффектом переходят из одного режима в другой при, напряжениях анода, приблизительно равных напряжениям экранирующей сетки, а характеристики лучевого тетрода и пентода - при более низких значениях анодного напряжения.
В лучевом тетроде минимум потенциала между второй сеткой и анодом образуется за счет отрицательного объемного заряда, поэтому электрическое поле в плоскости минимума более равномерное, чем в пентоде. Этим объясняется более крутой ход анодных характеристик лучевого тетрода на начальном участке и резкий переход в режим прямого перехвата по сравнению с пентодом.
Рабочие ано дно-сеточные характеристики многоэлектродных ламп /а = /■(%) при “2 = const, снимаемые при наличии сопротивления нагрузки в анодной цепи, когда напряжение анода не остается постоянным (см. § 7.3), мало отличаются от статических. Причиной этого является очень слабая зависимость в рабочей области, соответствующей режиму прямого перехвата, анодного тока от напряжения анода.
Рис. 8.7. Анодные характеристики многоэлектродных ламп:
а - тетрода 6Э12Н; б - лучевого тетрода 6ЖЗП; в - пентада 6Ж1П
Статические параметры многоэлектродных ламп в отличие от триода определяются не только степенью влияния напряжений электродов на значение катодного тока, но и зависимостью от этих напряжений коэффициента токораспределения.
Крутизна анодно-сеточной характеристики определяет зависимость изменения анодного тока лампы от изменения напряжения первой сетки при постоянстве напряжений на остальных электродах. Как и в триоде, крутизна определяется тангенсом угла наклона анодно-сеточной характеристики в заданной точке. Рабочая крутизна многосеточных ламп практически не отличается от статической. У современных пентодов крутизна характеристики лежит в пределах 1—70 мА/B, у лучевых тетродов 3-20 мА/В.
Внутреннее сопротивление многоэлектродных ламп определяется отношением изменения напряжения анода к вызванному изменению анодного тока при постоянстве напряжений других электродов. Изменение анодного напряжения вызывает, с одной стороны, изменение катодного тока, с другой — изменение коэффициента токораспределе- ния. Оба фактора влияют на ток анода. Внутреннее сопротивление многоэлектродных ламп лежит в пределах от единиц килоом до нескольких мегаом.
Статический коэффициент усиления многоэлектродных ламп определяется отношением изменения напряжения анода к изменению напряжения первой сетки при постоянных значениях анодного тока и напряжения других электродов. В многоэлектродных лампах статический коэффициент усиления значительно выше, чем в триоде, из-за меньшего влияния анодного напряжения на анодный ток, В пентодах статический коэффициент усиления может достигать нескольких тысяч.
Для многоэлектродных ламп, как и для триода, справедливо соотношение, аналогичное внутреннему уравнению триода (7.19).
С помощью семейства анодно-сеточных или анодных характеристик многоэлектродных ламп можно определить статические параметры. Метод нахождения статических параметров аналогичен описанному в § 7.2 для триода.
ОСОБЕННОСТИ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП
РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Высокочастотные пентоды. Малое значение проходной междуэлектродной емкости Са,с1 пентодов позволяет использовать их в усилителях высокой частоты. Маломощные высокочастотные пентоды имеют густую экранирующую сетку, вьшолненную с малым шагом навивки, и дополнительные экраны для уменьшения емкости между выводами. Экранирование электродов и хорошее токораспределение обеспечивают высокое внутреннее сопротивление и большой коэффициент усиления этих ламп.
Лампы с удлиненной характеристикой составляют особую группу высокочастотных пентодов. Для выравнивания сигналов с различной амплитудой, приходящих на радиоприемное устройство, можно использовать пентоды、с переменной крутизной анодно-сеточной характеристики. На рис. 8.8 приведена анодно-сеточная характеристика пентода 6К14Б. Крутизна характеристики меняется в очень широких пределах — от нескольких единиц до сотых долей миллиампера на вольт. Рабочая точка при поступлении большого сигнала находится на участке с малой крутизной, и коэффициент усиления лампы будет невысоким. При уменьшении входного сигнала рабочая точка сдаигается к оси ординат в область высокой крутизны анодно-сеточной характеристики, в результате чего коэффициент усиления лампы возрастает. Для получения такой характеристики применяется управляющая сетка с переменным шагом витков.
Широкололосные усилительные лампы применяют для усиления сигналов, имеющих широкий спектр частот, например импульсов напряжения малой длительности. Возможность использования электронных ламп для усиления сигналов в широком диапазоне частот характеризуют коэффициентом широкополосности
7= %У н7= %У н2я(Свх + Свых)2я(Свх + Свых)(8.7)(8.7)
7= %У н
7= %У н
2я(Свх + Свых)
2я(Свх + Свых)
(8.7)
(8.7)
где ку — коэффициент усиления усилителя на данной лампе; ДГ — полоса усиливаемых частот.
Как следует из (8.7), для увеличения коэффициента широкополосности следует увеличивать крутизну лампы 5 и уменьшать междуэлектрод-
105
Рис. 8.9. Семейство зависимостей пентода 6Ж10БРис. 8.9. Семейство зависимостей пентода 6Ж10БРис. 8.8. Анодно-сеточная характеристика пентода 6К14Б с переменной крутизнойРис. 8.8. Анодно-сеточная характеристика пентода 6К14Б с переменной крутизной
Рис. 8.9. Семейство зависимостей пентода 6Ж10Б
Рис. 8.9. Семейство зависимостей пентода 6Ж10Б
Рис. 8.8. Анодно-сеточная характеристика пентода 6К14Б с переменной крутизной
Рис. 8.8. Анодно-сеточная характеристика пентода 6К14Б с переменной крутизной
ные емкости, входящие в состав Свх и Свых. Один из путей увеличения крутизны электронных ламп, как следует из (7.16), (7.4) и (7,5), состоит в уменьшении расстояния между управляющей сеткой и катодом. Для предотвращения островкового эффекта сетка в этих лампах делается мелкоструктурной с малыми шагом навивки и диаметром витков, Чтобы конфигурация витков, находящихся близко к раскаленному катоду, при нагреве не менялась, часто применяют сетки рамочной конструкции (см. рис. 5.2). В промышленных образцах широкополосных ламп расстояние между сеткой и катодом составляет 30—40 мкм.
Многоэлектродные лампы с двойным управлением. Многоэлектродные лампы можно использовать в режиме двойного управления анодным током. Рассмотрим такой режим работы на примере пентода. В качестве второго управляющего электрода применяют третью сетку пентода. Механизм управления анодным током с помощью третьей сетки заключается в ее воздействии на токораспределение между экранирующей сеткой и анодом. В режиме двойного управления на третью сетку подается небольшое отрицательное напряжение и энергия части электронов, прошедших между витками экранирующей сетки, оказывается недостаточной для преодоления минимума потенциала. Эти электроны возвращаются обратно на вторую сетку.
Изменение с помощью управляющего напряжения на третьей сетке глубины минимума потенциала приводит к изменению количества электронов, приходящих на анод лампы. Очевидно, что электрические параметры ламп с двойным управлением должны обеспечивать работу в режиме возврата электронов. Для повышения эффективности управления анодным током в лампах с двойным управлением третья сетка вы- 106
Рис. 8.10. Зависимость крушзны характеристики по третьей сетке от напряжения на первой сетке пентода 6Ж10Б
полняется с меньшим шагом навивки, чем в обычных пентодах. Ток второй сетки таких ламп близок по значению к анодному току.
На рис. 8.9 приведено семейство кривых зависимостей анодного тока от напряжения третьей сетки пентода 6Ж10Б, снятых при различных постоянных напряжениях первой сетки. Угол наклона характеристик, определяющий крутизну по третьей сетке
$а,сЗ = d/а/ d〃3
(при постоянных напряжениях остальных электродов), зависит от на-. пряжения первой сетки. В связи с тем, что изменение напряжения третьей сетки вызывает изменение коэффициента токораспределения, крутизна анодно-сеточной характеристики по первой сетке также является функцией напряжения третьей сетки.
Для оценки эффективности двойного управления вводится дополнительный параметр, так называемый коэффициент двойного управления или коэффициент преобразования, который характеризует зависимость крутизны характеристики анодного тока по одной сетке от напряжения другой
々д,У=Д5а,сзА%1 = Д5аеА4з・
На рис. 8.10 показана зависимость крутизны характеристики анодного тока по третьей сетке лампы 6Ж10Б от напряжения на первой сетке. Тангенс угла наклона касательной в заданной точке характеристики к оси абсцисс по определению равен коэффициенту двойного управления.
Двойное управление анодным током используется для преобразования частоты сигналов. Для этих целей применяют частотопреобразовательные лампы, состоящие из шести электродов — гексод, из семи — гептод. Вторая и четвертая сетки в гексоде являются экранирующими, на них подается положительное напряжение, составляющее 40—60% анодного, первая и третья сетки — управляющие. Для устранения динат- ронного эффекта в гептоде применена пятая защитная сетка, соеданен- ная с катодом.
Лучшими свойствами обладает комбинированная лампа триод — гептод, в которой вы сок очастотный генератор - гетеродин строится на 107
триоде, а многоэлектродная лампа работает в режиме двойного управления для преобразования частоты.
Контрольные вопросы и задания
С какой целью в многоэлектродные лампы вводится экранирующая сетка?
Какими способами устраняется динатронньш эффект в лампах с экранирующей сеткой?
Как зависит действующее напряжение в пентоде от напряжения на электродах?
Объясните ход анодно-сеточных характеристик многоэлектродаых ламп при различных напряжениях на экранирующей сетке и аноде.
Поясните отличие анодных характеристик тетрода, лучевого тетрода н пентода.
Каковы особенности зависимости статических параметров многоэлектродных ламп от электрических режимов?
Каково назначение пентодов с удлиненной характеристикой?
' 8. Каким путем можно увеличить широкополосность электронных лаМй?
Объясните особенности работы многоэлектродной лампы в режиме двойного управления. Что такое коэффициент двойного управления?
Глава девятая
ГЕНЕРАТОРНЫЕ И МОДУЛЯТОРНЫЕ ЛАМПЫ
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП
Генераторные лампы предназначены для усиления и генерирования электрических колебаний различных частот мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких сотен киловатт. Мощные электронные лампы, служащие для усиления сигналов низкой частоты и формирования импульсов напряжения для работы сверхвысокочастотных генераторов и других устройств, называются модуляторными лампами.
От генераторных ламп требуется отдача возможно большей колебательной мощности Рк в нагрузку при высоком значении КПД схемы 1?. В усилителе и генераторе гармонического сигнала колебательная (выходная) мощность равна (см. рис. 7.15)
「к = °，5，та%&・(9」)
Мощность, расходуемая источником питания схемы, состоит из колебательной мощности в нагрузке и мощности, рассеиваемой анодом, = ^и4о = ^к +
Отсюда КПД схемы_ _ 「к _ Рк'厶 Pk+厶Отсюда КПД схемы_ _ 「к _ Рк'厶 Pk+厶°，5『maUmR°，5『maUmRЛо^иЛо^и(9.2)(9.2)
Отсюда КПД схемы
_ _ 「к _ Рк
'厶 Pk+厶
Отсюда КПД схемы
_ _ 「к _ Рк
'厶 Pk+厶
°，5『maUmR
°，5『maUmR
Ло^и
Ло^и
(9.2)
(9.2)
Таким образом колебательная мощность генератора прн заданном КПД пропорциональна мощности, рассеиваемой анодом,
У 4
Поэтому одним из основных классификационных признаков генераторных ламп является мощность, рассеиваемая анодом. По этому признаку генераторные лампы делятся на три группы: маломощные @а < < 25 Вт), средней мощности (Ра < 1 кВт) и мощные (Ра > 1 кВт), Мощность, рассеиваемая анодом самых мощных генераторных ламп, превышает 500 кВт.
Для обеспечения высоких значений выходной мощности в анодной цепи генераторных ламп должен протекать большой ток, достигающий нескольких сотен ампер, поэтому катоды ламп обладают высокой эмиссионной способностью. Мгновенные значения положительного напряжения управляющей сетки для получения такого тока могут превышать тысячу вольт, вследствие чего генераторные лампы работают с значительными сеточными токами. Импульсные и постоянные значения анодных напряжений некоторых генераторных и модуляторных ламп превышают сто киловольт.
Особенности работы, связанные с высокими значениями предельных электрических параметров генераторных и модуляторных ламп, определяют существенные конструктивные отличия этих приборов от ранее рассмотренных электронных ламп.
РЕЖИМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП
Как следует из (9.2), достигнуть повышения КПД электронных ламп можно путем увеличения отношения амплитуды переменной составляющей анодного тока к значению постоянной составляющей этого тока ^а/Ло- Это отношение определяется положением рабочей точки на ано дно-сеточной характеристике и амплитудой сигнала в сеточной цепи лампы. Кроме того, КПД генератора зависит от отношения амплитуды переменной составляющей напряжения на нагрузке к ЭДС источника питания, т. е. от коэффициента использования анодного напряжения UmRlE^.
Различают несколько режимов работы лампы при усилении и генерации сигналов. В режиме класса А напряжение смещения выбрано так, что ток через лампу протекает в течение всего периода переменного напряжения сигнала на сетке (рис. 9.1, а). Такой режим является ха-
109
в - режим класса АВ; г - режимв - режим класса АВ; г - режимРис. 9.1. Режимы работы ламп:Рис. 9.1. Режимы работы ламп:а - режим класса А; 6 - режим класса В; класса Са - режим класса А; 6 - режим класса В; класса С
в - режим класса АВ; г - режим
в - режим класса АВ; г - режим
Рис. 9.1. Режимы работы ламп:
Рис. 9.1. Режимы работы ламп:
а - режим класса А; 6 - режим класса В; класса С
а - режим класса А; 6 - режим класса В; класса С
рактерным для приемно-усилительных и модуляторных ламп и часто называется режимом линейного усиления. Чем меньше амплитуда сигнала на сетке, тем меньше будут нелинейные искажения и ниже КПД схемы. Очевидно, что амплитуда переменной составляющей анодного тока не может превысить постоянной составляющей, поэтому КПД в режиме класса А, как следует из (9.2), менее 50%. Практически его значение не превышает 20—30%. Такой режим редко используется в мощных генераторных лампах.
В режиме класса В напряжение смещения равно напряжению отсечки анодного тока (рис. 9.1, б). Анодный ток протекает только при положительном напряжении сигнала. Продолжительность импульса анодного тока характеризуется углом отсечки G, который равен половине разности фаз гармонического сигнала от момента начала протекания тока анода до момента запирания лампы. В режиме класса В угол ПО
Рис. 9.3・ Семейство анодных характеристик генераторного триода ГУ-49АРис. 9.3・ Семейство анодных характеристик генераторного триода ГУ-49АРис. 9.2. Семейство анодно-сеточных характеристик генераторного триода ГУ-49АРис. 9.2. Семейство анодно-сеточных характеристик генераторного триода ГУ-49А
Рис. 9.3・ Семейство анодных характеристик генераторного триода ГУ-49А
Рис. 9.3・ Семейство анодных характеристик генераторного триода ГУ-49А
Рис. 9.2. Семейство анодно-сеточных характеристик генераторного триода ГУ-49А
Рис. 9.2. Семейство анодно-сеточных характеристик генераторного триода ГУ-49А
G = 90°, т. е. анодный ток протекает только в течение половины периода сигнала на сетке. Во время отрицательного полупериода лампа закрыта. Такой режим характеризуется существенно большим КПД, чем режим класса А, за счет снижения постоянной составляющей анодного тока и повышения коэффициента использования анодного напряжения. Амплитуда импульсов анодного тока может значительно превышать значение его постоянной составляющей.
Если лампа заперта меньше половины периода гармонического сигнала, то имеет место промежуточный режим класса АВ (рис. 9.1, в). Он характеризуется углом отсечки 90° < 0 < 180°.
В режиме класса С напряжение смещения по абсолютному значению превышает значение напряжения отсечки анодного тока (рис. 9.1, г). Угол отсечки уменьшается (G < 90°). Косинусоидальный импульс тока становится более острым, что приводит к дальнейшему снижению постоянной составляющей анодного тока. Режим класса С позволяет получить максимальный КПД, поэтому генераторные лампы работают, как правило, в этом режиме.
Восстановление формы гармонического сигнала происходит в колебательном контуре, являющемся нагрузкой лампы. Контур настраивается на первую гармонику (редко на вторую) и выделяет ее из спектра частот импульса анодного тока.
Часто мощные генераторные лампы работают в двухтактной схеме, в которой две лампы имеют общую нагрузку и работают поочередно со сдвигом по фазе на 180°. На сетки ламп в каждом плече двухтактной схемы напряжения сигнала подаются в противофазе. Нагрузкой ламп обычно служит первичная обмотка трансформатора, а во вторичной обмотке происходит восстановление сигнала.
9・3・ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГЕНЕРАТОРНЫХ И МОДУЛЯТОРНЫХ ЛАМП
В качестве мощных генераторных ламп чаще всего используются триоды. На рис. 9.2 представлено семейство анодно-сеточных, а на рис. 9.3 — анодных характеристик мощного генераторного триода ГУ-49А. Как видно из рис. 9.2, триод имеет "правме" анодно-сеточные характеристики, основная часть которых лежит в области положительных напряжений на сетке. Правые характеристики генераторных ламп обусловлены необходимостью получения больших значений коэффициента усиления и коэффициента использования анодного напряжения.
Увеличением густоты сеток достигается коэффициент усиления g = =$0 = 100, достаточный для использования ламп в схемах генераторов.
При больших положительных напряжениях на сетке анодные характеристики триода имеют пентодный характер. Это позволяет получить высокий коэффициент использования анодного напряжения, большие токи анода при заданном анодном напряжении, а следовательно, большую выходную мощность триода с высоким КПД.
На анодных характеристиках генераторного триода, снятых при положительных напряжениях сетки, наблюдается резкий переход из режима возврата к режиму прямого перехвата. Как было отмечено, генераторные лампы, как правило, работают в режимах класса С или В, причем напряжение на нагрузке при протекании анодного тока изменяется от значения Ек до 厶小加.В общем случае от сопротивления нагрузки в анодной цепи и амплитуды сигнала на сетке лампы зависит коэффициент использования анодного напряжения, а следовательно, и КПД схемы генератора.
Наиболее выгодным положением рабочей точки, соответствующим максимальному анодному току, является перегиб анодной характеристики при переходе из режима возврата в режим прямого перехвата. Мощность в нагрузке в этом случае будет наибольшей. Значение выходной мощности, как следует из (9.1), пропорционально площади прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является отрезок нагрузочной прямой от точки £и на оси абсцисс до рабочей точки Л, а катетами — отрезки на координатных осях, равные /та и Uma (рис. 9.3). Чем меньше остаточное напряжение на лампе U^in при максимальном анодном токе, тем меньшая мощность будет вьщелять- ся на аноде лампы. Уменьшение сопротивления нагрузки приводит к возрастанию мощности, выделяющейся на аноде лампы, и уменьшению мощности в нагрузке. Такой режим работы генератора называют недо- напряженным. Увеличение сопротивления нагрузки в целях уменьшения значения Uamjn приводит к уменьшению мощности, вьщеляющей- ся на аноде, однако при этом лампа перейдет в режим возврата и сеточный ток резко возрастет, а анодный уменьшится, что приведет к снижению КПД.
Рис. 9.5. Семейство анодных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗАРис. 9.5. Семейство анодных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗАРис. 9.4. Семейство анодно-сеточных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗАРис. 9.4. Семейство анодно-сеточных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Рис. 9.5. Семейство анодных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Рис. 9.5. Семейство анодных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Рис. 9.4. Семейство анодно-сеточных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Рис. 9.4. Семейство анодно-сеточных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Если в течение какой-то части периода колебаний лампа переходит в режим возврата, то режим работы генератора называют перенапряженным. Оптимальное положение нагрузочной прямой соответствует критическому режиму. Линией критического режима на семействе анодных характеристик называется кривая, соединяющая точки перехода характеристик из режима возврата в режим прямого перехвата.
Для большинства генераторных ламп линия критического режима совпадает с крутым участком анодных характеристик. Перенапряженный режим используется рецко, так как он приводит к резкому возрастанию сеточного тока. Мощность, выделяемая на сетках, разогревает их до высокой температуры, что может привести к деформации сеток и выходу из строя лампы.
Модуляторные лампы, применяющиеся в мощных выходных каскадах усиления напряжения низкой частоты, должны обеспечивать малые нелинейные искажения входных сигналов. Эти лампы используются, как правило, в режиме класса А обычно с заходом в область положительных напряжений на сетке. Однако сеточные токи невелики и мощность, рассеиваемая сетками, у модуляторных ламп небольшая по сравнению с генераторными лампами. Лампы имеют невысокий КПД, но должны отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому их аноды, как и у генераторных ламп, рассеивают большую мощность.
На рис. 9.4 приведены анодно-сеточные, а на рис. 9.5 - анодные характеристики мощного модуляторного триода ГМ-ЗА. Триод имеет левые анодно-сеточные характеристики с большой протяженностью линейного участка в области отрицательных сеточных напряжений. Сетка в модуляторных лампах редкая с большой проницаемостью, поэтому коэффициент усиления имеет небольшое значение (от 5 до 20).
На графике семейства анодных характеристик модуляторных ламп приведена кривая допустимой мощности, рассеиваемой анодом,厶 - = ^а,доп/ 4 Гипербола ограничивает сверху область возможных электрических режимов лампы, и нагрузочная характеристика, по которой перемещается рабочая точка, должна проходить ниже этой кривой. Кроме того, в предельных эксплуатационных данных лампы приводятся максимально допустимые значения тока и напряжения. На семействе анодных характеристик (рис. 9.5) выделена область допустимых электрических режимов, т. е. границы, в пределах которых разрешается выбор рабочей точки. Такая же область существует не только у мощных ламп, нои у других электронных ламп любого назначения.
Дополнительные параметры генераторных и модуляторных ламп. Возможность применения мощных ламп в различных устройствах определяется не только статическими параметрами, но и рядом дополнительных параметров. Рассмотрим основные из них.
Ток эмиссии катода — зто ток с катода на соеданенные вместе остальные электроды при определенном напряжении на них. Действующий потенциал в мощных лампах может в определенные моменты работы достигать такого значения, что объемный заряд у поверхности катода рассасывается и ток катода становится равным току эмиссии.
Напряжение на электродах генераторных и модуляторных ламп не должно даже кратковременно превышать предельных значений из-за возможности возникновения пробоев между электродами, имеющими высокую разность потенциалов. Пробои могут произойти по причине ухудшения вакуума в баллоне лампы и изоляционных свойств крепежных деталей.
Мощность, рассеиваемая сетками. При работе генераторных ламп с большими положительными напряжениями управляющих сеток выделяющаяся на них мощность может достигать больших значений. Большая мощность вьщеляется также на экранирующих сетках генераторных тетродов и пентодов. Поэтому важным параметром мощных ламп является мощность, рассеиваемая сетками, что требует принятия конструктивных мер при разработке этих ламп.
Обратные токи управляющей сетки. Природа обратного сеточного тока будет рассмотрена в гл. 10. Поэтому остановимся лишь на одной компоненте сеточного тока, обусловленной термоэлектронной эмиссией сетки. В результате разогрева управляющей сетки генераторных ламп излучением с катода и анода, а также мощностью, выделяющейся при протекании прямого сеточного тока, термоэлектронная эмиссия сетки может быть заметной. В отрицательные полупериоды переменного напряжения на сетке разность потенциалов между сеткой и катодом иногда достигает значений, превышающих киловольты. При этом электроны, эмиттированные горячей сеткой, бомбардаруют катод, что может привести к разрушению его поверхности. Это явление особенно опасно при использовании оксидных и карбидированных катодов. 114
Сопротивление холодного катода. Вольфрамовые и карбидирован- ньхе катоды имеют в холодном состоянии гораздо меньшее сопротивление, чем в горячем, поэтому при подаче полного (номинального) напряжения накала пусковой ток может в 10 раз превьппать установившееся для горячего катода значение. Возникающие при этом электродинамические усилия могут привести к разрушению катода. Накал на мощные генераторные и модуляторные лампы подают ступенями, а среда параметров ламп указывается наибольший пусковой ток накала.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАТОРНЫХ
И МОДУЛЯТОРНЫХ ЛАМП
В отличие от ранее рассмотренных электронных ламп малой и средней мощности электроды в лампах большой мощности не монтируются на одной стеклянной или керамической ножке.
Катоды. Тип и конструкция катода мощной лампы определяются требуемым значением тока эмиссии, допустимыми напряжениями между электродами и рабочей температурой окружающих катод деталей. В генераторных лампах применяют оксидные, оксидно-ториевые, карби- дированные и вольфрамовые катоды. При очень высоких анодных напряжениях большую опасность представляет ионная бомбардировка поверхности катода, поэтому в генераторных лампах с высоким напряжением анода к вакууму предъявляются повышенные требования.
Оксидный катод, обладающий наибольшей эмиссионной способностью, применяют, как правило, в маломощных генераторных лампах с невысоким рабочим напряжением. При очень высоких напряжениях используются вольфрамовые катоды, не боящиеся ионной бомбардировки.
В ряде случаев существенное значение имеет время разогрева катода. Для уменьшения этого времени применяют специальные конструкции катодов с малой тепловой инерционностью. В прямонакальных катодах используется так называемая решетчатая конструкция (рис. 9.6), представляющая собой перекрещивающиеся нити ториро- ванной вольфрамовой проволоки.
Время разогрева катодов косвенного накала во многом зависит от теплоемкости алундовых изоляторов подогревателя. Устранение алунда с поверхности подогревателя позволило резко увеличить скорость нагрева катода. На рис. 9.7 представлен катод мощной лампы с неалун- дированным подогревателем. Изоляцию катода от подогревателя обеспечивают тонкие гребенки из керамики.
Аноды. Конструкция анодов генераторных ламп определяется значением мощности, рассеиваемой анодом, и способом их охлаждения. В лампах малой и средней мощности аноды имеют естественное охлаждение за счет излучения энергии. Размеры анодов зависят от требуемого значения рассеиваемой мощности. Материалом анода чаще всего служит 115
Рис. 9.7. Конструкция катода мощной генераторной лампы с неалундированным подогревателем:
У — цилиндрический катод; 2 — гребенки из алундовой керамики; 3 — тело накала; 4 - цилиндрический к却кас из ниобиевой или танталовой жести; 5 - ниобиевая или танталовая лента для крепления алундовых гребенок
никель, поверхность которого подвергается чернению для увеличения коэффициента излучения (см. § 5.4). Конструкция анодов генераторных и модуляторных ламп малой и средней мощности не имеет принципиального отличия (кроме геометрических размеров) от анодов приемно-усилительных ламп (см. рис. 5.3).
В мощных генераторных и модуляторных лампах применяется принудительное охлаждение анодов, которое бывает воздушным, водяным и испарительным. При использовании принудительного охлаждения анод должен бьнь вьшолнен как часть внешней оболочки лампы, что позволяет подвести к нему охлаждающую среду. Аноды мощных ламп изготовляют из меди, обладающей большой теплопроводностью и высокой газонепроницаемостью.
Воздушное охлаждение осуществляется обдуванием радиаторов, припаянных к аноду (рис. 9.8, д). Применение радиаторов увеличивает теплоотдачу анода. Тепловой контакт между анодом и радиатором обеспечивается оловянным или кадмиевым припоем.
При водяном охлаждении анод лампы помещают в бачок, через который пропускают воду под давлением 3—4 кПа (рис. 9.8,办 Температура анодов ламп не должна превышать температуры кипения воды, так как образующаяся на поверхности горячего анода пленка пара ухудшает тепловой контакт с охлаждающей средой. Следует отметить, что в некоторых типах ламп может быть использовано как воздушное, так
Рис. 9.8. Мощные лампы с принудительным охлаждением воздухом (〃) и водой (б)Рис. 9.8. Мощные лампы с принудительным охлаждением воздухом (〃) и водой (б)
Рис. 9.8. Мощные лампы с принудительным охлаждением воздухом (〃) и водой (б)
Рис. 9.8. Мощные лампы с принудительным охлаждением воздухом (〃) и водой (б)
и водяное охлаждение, при этом допустимая мощность на аноде будет определяться видом охлаждения.
Наибольший эффект дает испарительное охлаждение, так как затраты тепла на испарение воды в несколько раз больше, чем на нагревание. Лампы, в которых применяется испарительное охлаждение, называются вапотронами. Наружная поверхность анода вапотронов снабжена коническими выступами, препятствующими образованию пленки пара (рис. 9.9). Пузырьки пара, образующиеся на поверхности анода, отбрасываются от него, и на их место поступают новые порции воды.
Сетки. Конструкция сеток, как и конструкция анодов, определяется рассеиваемой мощностью и допустимой температурой. В генераторных лампах малой и средней мощности применяются обычно молибденовые спиральные сетки, намотанные на никелевые или молибденовые траверзы. Для охлаждения сеток используются черненые радиаторы, которые приваривают к траверзам. В мощных лампах выводы сеток имеют принудительное воздушное или водяное охлаждение. Кроме спиральных сеток в мсщных лампах применяют стержневые сетки из прутков, параллельных катоду, или из танталовых лент, приваренных к танталовым кольцам (рис. 9.10). Поверхность сеток генераторных ламп покрывают цирконием, что увеличивает коэффициент излучения материала сетки.
Для снижения термоэмиссии сеток на них наносят покрытие, увеличивающее работу выхода материала сетки. В качестве такого покрытия часто используют золото.
Баллоны генераторных и модуляторных ламп малой и средней мощности изготовляют, как правило, из специальных сортов стекол. Мощные лампы имеют обычно металлостеклянное оформление. Медные аноды, являясь частью баллона лампы, спаиваются со стеклянной частью непосредственно или через коваровые кольца.
.Самые мощные генераторные лампы, у которых рассеиваемая анодом мощность составляет более 100 кВт, иногда делают разборными. Металлическая колба лампы собирается из отдельных пришлифованных частей. Для поддержания требуемого разрежения во время работы лампа находится под непрерывной откачкой. Преимуществом разборных ламп является возможность замены вышедших из строя деталей, однако такие лампы неудобны в эксплуатации.
Для крепления электродов генераторных и модуляторных ламп малой мощности обычно применяют слюдяные изоляторы. В лампах средней и большой мощности используют изоляторы из алундов ой или стеатитовой керамики, имеющей по сравнению со слюдой большую термостойкость и прочность.
МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАМПЫ
Во многих радиотехнических устройствах электронные лампы используются в импульсном режиме. Импульсным считается режим работы лампы, при котором время протекания тока меньше длительности процессов, ограничивающих работу лампы, например меньше времени перегрева анода и катода. 118
При работе короткими импульсами, длительность которых составляет от десятых долей до нескольких сотен микросекунд, с большими промежутками между ними, лампа может отдавать в нагрузку мощность, в 1000 раз превышающую выходную мощность в непрерывном режиме. Использование лампы в импульсном режиме позволяет значительно снизить среднюю мощность, вьщеляемую на электродах, что дает возможность уменьшить размеры электродов и облегчить условия работы лампы
尸а,ср= Ра,н%1 Т,
где 才н - длительность импульса; Г - период следования импульса.
Импульсный ток ламп во много раз выше тока в непрерывном режиме. Предельное анодное напряжение запертой лампы мажет также значительно превышать предельное постоянное значение напряжения открытой лампы. Образующиеся ионы остаточных газов за короткое время протекания тока не успевают произвести разрушительную бомбардировку катода, а в промежутках между импульсами происходит практически полная их рекомбинация.
Для ламп, предназначенных для работы в импульсном режиме, основными параметрами являются максимальный импульсный ток, допустимое анодное напряжение и мощность, рассеиваемая анодом. Ряд других параметров определяется конкретным назначением лампы.
Импульсные генераторные лампы используются в схемах высокочастотных генераторов радиолокационных станций. В течение управляющего импульса эта лампа отдает в нагрузку мощный высокочастотный сигнал в виде "обрывка” синусоиды. Включение лампы может производиться двумя способами. Первый - подачей на сетку запертой отрицательным напряжением смещения лампы положительного импульса, во время которого лампа включается в схему высокочастотного генератора, В этом случае при высоких анодных напряжениях даже небольшой ток анода, протекающий непрерывно, может привести к выделению на аноде мощности, превышающей допустимую.
В перерывах между импульсами у запертой напряжением смещения лампы все же протекает небольшой ток анода, значение которого обыч- • но не превышает одного миллиампера. Этот ток составляют электроны с отдельных участков катода за счет возможной неравномерности намотки управляющей сетки и электроны, эмиттируемые сетками. Поэтому при использовании высокого анодного напряжения предъявляются повьппенные требования к допустимому значению тока термоэлектронной эмиссии сеток.
Второй способ включения генераторной лампы осуществляется подачей на время импульса анодного напряжения. Для формирования мощного положительного импульса на аноде генераторной лампы служит импульсный модулятор, активным элементом которого является
Рис. 9.11. Схема импульсного модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора
импульсная модуляторная лампа. Лампа высокочастотного генератора является в этом случае нагрузкой импульсной модуляторной лампы.
Работа импульсного модулятора основана на принципе длительного накопления энергии в течение промежутка между импульсами и отдаче ее генератору во время импульса. В качестве накопителя энергии может использоваться конденсатор. На рис. 9.11 приведена схема импульсного модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора. Рассмотрим работу такого модулятора.
На сетку импульсной модуляторной лампы подан© большое отрицательное напряжение смещения, запирающее лампу. Во время паузы между импульсами происходит заряд накопительного конденсатора до напряжения источника питания, после чего ток через зарядные резисторы /?зр прекращается. Когда на сетку модуляторной лампы поступает положительный импульс напряжения, лампа открывается и подключает накопительный конденсатор к нагрузке — высокочастотному генератору. Ток разряда конденсатора протекает через модуляторную лампу и лампу генератора. Протекающие через резисторы &р токи гораздо меньше тока в нагрузке. Напряжение, прикладываемое к генераторной лампе 4ых, равно разности между напряжением источника питания, до которого зарядился накопительный конденсатор, и остаточным напряжением на аноде импульсной модуляторной лампы
4ых 二 Ен - Uamin*
Чем меньше падение напряжения на модуляторной лампе при протекании импульса тока, тем меньше мощность, выделяемая на аноде лампы, и тем больше КПД модулятора. Емкость накопительного конденсатора выбирается из расчета допустимого спада напряжения △〃 в течение протекания импульса тока
CftQU
В качестве импульсных модуляторных ламп, как правило, используются тетроды, позволяющие получить малое остаточное напряжение на аноде при протекании импульса тока. Напряжение экранирующей сетки в этих лампах составляет всего несколько процентов анодного напряжения, достигающего нескольких десятков киловольт. Срав- 120
Рис. 9.12. Поперечное сечение импульсной модуляторной лампы типовой многокатодной пакетной конструкции:
1 - анод; 2 - экранирующая сетка; 3 一 управляющая сетка; 4 - катод; 5 - баллон
Рис. 9.13. Поперечное сечение импульсной модуляторной лампы типовой однокатодной цилиндрической конструкции:
1 - анод; 2 - экранирующая сетка; 3 - управляющая сетка; 4 - катод; 5 - баллон
нительно малое напряжение экранирующей сетки тетрода позволяет получить напряжение отсечки меньшее, чем в триоде, поэтому не требуется большой амплитуды управляющего импульса.
Конструктивные особ电ности мощных импульсных ламп. В лампах с большими импульсными токами часто используют синтерированные оксидные катоды. Наличие металлических включений в оксидном слое уменьшает его сопротивление, а также сопротивление контакта с керном, что позволяет повысить плотность тока.
В импульсных тетродах для уменьшения термоэлектронной эмиссии покрывают золотом не только управляющие, но и экранирующие сетки. В лампах с большой средней мощностью, выделяемой на сетках, температура последних достигает 600 °C. Золочение сеток с такой температурой не представляется возможным из-за испарения золота в вакууме, поэтому в этих случаях применяется платинирование сеток или нанесение карбида вольфрама.
Конструкция импульсных модуляторных ламп бывает трех видов: многокатодная пакетная, однокатодная цилиндрическая и многокатодная с анодом в центре.
Многокатодная пакетная конструкция представляет собой несколько катодов овального сечения, смонтированных вместе с сеткой в единый пакет (рис. 9.12). Количество пакетов в одной лампе, соединенных параллельно и охваченных одним общим анодом, зависит от требуемого импульсного тока. Такая конструкция, применявшаяся в лампах первых вьшусков, обладает недостаточной устойчивостью к механическим воздействиям.
Рис. 9.14. Поперечное сечение триода с защитной сеткой:
7 - анод; 2 - защитная сетка; 3 - управляющая сетка; 4 - катод; 5 - подогреватель; 6 - эмиссионный слой
В лампах однокатодной цилиндрической конструкции один мощный катод окружен управляющей и экранирующей сетками, выполненными в виде ^беличьего колеса". Анод представляет собой цилиндр с ребрами радиатора на
внешней поверхности (рис. 9.13). Повышение механической прочности достигается применением нескольких держателей анода, впаянных в верхнюю часть колбы.
Разновидностью ламп однокатодной цилиндрической конструкции является триод с защитной сеткой. В цилиндрическом катоде эмиссионный слой наносится только на поверхности продольных канавок (рис. 9.14). Стержни управляющей сетки находятся против участков катода, не покрытых эмиссионным слоем. Стержни защитной (антиди- натронной) сетки расположены за стержнями управляющей сетки. Фокусировка электронных пучков с катода в междуэлектродном пространстве позволяет получить высокий коэффициент токораспределе- ния и снизить мощность, выделяемую на сетках. Кроме того, триод с защитной сеткой обладает повышенной электрической прочностью. Даже при возникновении пробоя защитная сетка, имеющая нулевой потенциал, локализует пробой в промежутке между анодом и защитной сеткой, предохраняя тем самым поверхность катода от разрушения.
Для получения очень больших анодных токов используется многокатодная конструкция с анодом в центре (рис. 9.15). Катоды, закрытые с внешней стороны тепловыми экранами, являются образующими цилиндра. Первая и вторая сетки представляют собой концентриче-' ские цилиндры с продольными щелями напротив катодов. Сетки и анод выполняются обычно из меди и имеют водяное охлаждение.
Для формирования импульсов напряжения, составляющих несколько сотен киловольт, применяется трехэлектродная импульсная лампа — инжектрон. Управление электронным пучком в инжектроне происходит в скрещивающихся электрическом и магнитном полях. Конический катод, боковые поверхности которого покрыты оксидным змиттирую- щим слоем, экранируется от ионной бомбардировки и междуэлектродных разрядов управляющим электродом, выполняющим роль сетки (рис. 9.16). Массивный управляющий электрод способен рассеивать зна- 122
Рис. 9-15. Поперечное сечение многокатодной лампы с анодом в центре:
1 - тепловой экран катода; 2 - катод; 3 - управляющая сетка; 4 - экранирующая сетка; 5 - анод; 6 — баллон
Рис. 9.16. Устройство инжектрона:
7 - анод; 2 - баллон; 3 - электронный пучок; 4 - управляющий электрод;
5 — магнитная система; 6 - катод
чительную мощность. Внешний постоянный магнит создает однородное продольное магнитное поле.
Благодаря такой конструкции запирание лампы производится небольшим отрицательным напряжением на управляющем электроде относительно катода. При подаче на управляющий электрод положительного напряжения электроны с катода начинают двигаться в сторону управляющего электрода. Однако совместное воздействие скрещивающихся электрического и магнитного полей формирует электронный поток в виде вращающейся трубы, вытягиваемой полем в сторону анода. Внутренний диаметр управляющего электрода больше наружного диаметра электронного пучка, и почти все электроны достигают анода, поэтому коэффициент токораспределения составляет в инжект- роне 98—99%.
В связи с тем, что поле анода практически не участвует в формировании электронного пучка, появляется возможность увеличивать расстояние до анода, тем самым обеспечивается электрическая прочность лампы. Минимальное падение напряжения на открытом инжектроне не превышает нескольких процентов напряжения источника питания, поэтому прибор имеет очень высокий КПД. Импульсная мощность инжектрона составляет десятки миллионов ватт.
Контрольные вопросы и задания
Какие режимы работы лампы используют при усилении и генерации сигналов? Что такое угол отсечки анодного тока?
Как колебательная мощность генератора связана с КПД и с допустимой мощностью, рассеиваемой анодом?
Каковы особенности статических характеристик и параметров мощных генераторных ламп?
Поясните следующие понятия: недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы генератора.
Каковы особенности статических характеристик и параметров мощных модуляторных ламп?
Какие конструктивные особенности имеют катоды и сетки мощных генераторных и модуляторных ламп?
Как осуществляется охлаждение анодов мощных генераторных и модуляторных ламп?
В чем особенности импульсного режима работы электронных ламп?
Почему в качестве импульсных модуляторных ламп целесооб- разно использовать тетроды?
Какие конструкции имеют импульсные модуляторные лампы?
Глава десятая
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛАМПЫ'
ЛАМПЫ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА И ШУМОВЫЕ ДИОДЫ
При работе с очень малыми электрическими сигналами важно знать минимальное пороговое значение входного напряжения, которое может быть усилено каскадом на электронной лампе. Основным фактором, ограничивающим предельное значение входного сигнала, являются внут- риламповые шумы.
Даже при постоянстве всех напряжений на электродах электронной лампы токи в цепях электродов не остаются постоянными во времени. Они беспорядочно меняются относительно какого-то постоянного среднего значения. Самопроизвольное изменение токов, вызванное непостоянством процесса термоэлектронной эмиссии, хаотическим тепловым движением электронов в электрических цепях и другими причинами, назьшается флуктуациями. Если значение входного напряжения лампы оказьгеается соизмеримым с флуктуациями, то на их фоне полезный сигнал на выходе усилителя может оказаться неразличимым.
Флуктуации токов и напряжений в электронике принято называть шумами, потому что, будучи усиленными и поданными на вход звуковоспроизводящего устройства, они воспринимаются как слышимый шум. Поскольку флуктуации являются случайным процессом и шумовой ток не имеет определенной формы, для количественной оценки уровня шума_ вводится понятие ср^неквадратического значения шумового тока 1ш w напряжения Мш.
Шумы в электронных лампах вызьшаются раэливдыми явлениями: дробовым эффектом, фликкер-эффектом или эффектом мерцания, флуктуациями процесса токораспределения и др.
Дробовым эффектом называются флуктуации количества электронов, эмиттируемых катодом. Дробовой шум является основным шумом диода, работающего в режиме насьпцения. Среднеквадратическое значение тока, вызванного дробовым шумом, пропорционально значению анодного тока
T^tap = 2ela^f. (Ю.1)
Дробовой шум равномерно распределен по спектру частот, а мощность шума пропорциональна полосе частот △/, в которой он измеряется, независимо от того, в какой частотной области эта полоса выделяется.
Способность генерировать равномерный по спектру шум, интенсивность которого определяется только значением тока, используется в специальных диодах, называемых шумовыми диодами. Они имеют термоэлектронный катод, обеспечивающий четко выраженный режим насьпцения катодного тока. Для перехода в режим насыщения на диоды подают напряжение, превышающее 100 В, поэтому аноды должны рассеивать мощность около 5—6 Вт. Шумовые диоды применяются как генераторы шума в измерительных радиотехнических устройствах.
При работе лампы в режиме объемного заряда дробовой шум будет меньше, чем в режиме насьпцения, что объясняется влиянием объемного заряда на амплитуду флуктуаций тока. Увеличение в коротком отрезке времени тока эмиссии приводит к росту плотности объемного заряда, а следовательно, к увеличению глубины минимума потенциала у катода. Поэтому приращение анодного тока будет существенно меньше, чем тока эмиссии. Влияние объемного заряда в выражении для дробового шума учитьшается коэффициентом депрессии
%нр = 2е7аГ2Д/; Г2= 1,29 手 , (10.2)
где Тк — термодинамическая температура катода; Г2 一 коэффициент депрессии приемно-усилительных ламп, обычно он лежит в пределах 0,1-0,2.
В многоэлектродных лампах к дробовым шумам добавляются шумы, обусловленные флуктуациями процесса токораспределения. Среднеквадратическое значение шумового тока за счет токораспределе- иия определяется выражением
На низких частотах проявляется фликкер-эффект — флуктуации тока эмиссии из-за случайных сравнительно медленных изменений работы выхода катода. Значение фликкер-шума можно найти из эмпирической формулы
^ш.ф = Al^flf,(10.3)
где 4 — экспериментально определяемая константа;兀=0 ±2.
На частотах, превышающих один килогерц, фликкер-шум в отличие от дробового можно не принимать во внимание.
Для возможности сравнения собственных шумов электронных ламп с напряжением сигнала шумы пересчитьшают во входную сеточную цепь. Лампу при этом считают идеальным нешумящим прибором, в сеточной цепи которого находится эквивалентный генератор шума. Усиленные лампой шумы этого генератора дают в анодной цепи флуктуации, равные собственным шумам реальной лампы. Для триода, работающего в режиме объемного заряда, ЭДС эквивалентного генератора шума можно найти
«ш.экв = ^/^/S = “W^/S.(10.4)
При анализе шумовых свойств ламп обычно пользуются понятием эквивалентного шумового сопротивления. Известно, что хаотическое тепловое движение носителей заряда приводит к появлению на активном сопротивлении R флуктуаций напряжения, среднеквадратическое значение которого определяется формулой Найквиста
1^R =砍 TRM.(10.5)
Мощность тепловых шумов имеет такое же равномерное распределение по спектру, как дробовые шумы анодного тока лампы. Под эквивалентным шумовым сопротивлением лампы понимают такое активное сопротивление Кш,зкв, которое, находясь в сеточной цепи нешумящей лампы, создает за счет своих тепловых шумов в анодной цепи шумовой ток, равный собственным шумам реальной лампы.
Приняв 吟,экв =箱尺 ИЗ (10.4) и (10.5) при К =Лш,экв» получим выражение для эквивалентного шумового сопротивления триода
Кщ,зкв=最fC j '(26)
Подставив (10.2) в (10.6) и приняв Тк = 1100 К, 7 = 293 К, получим
^ш.экв 弋 2,5/S.(10.7)
Эквивалентное шумовое сопротивление пентода с учётом шумов за счет токораспределения находится из выражения 126
Rm,3KB =年 ± (1 + ^~)・ (1。・8)
Из (10.7) и (10.8) видно, что для снижения эквивалентного шумового сопротивления электронных ламп необходимо, прежде всего, увеличивать крутизну анодно-сеточной характеристики, В многоэлектродных лампах к снижению шумов приводит также увеличение коэффициента токораспределения, т. е. уменьшение доли тока второй сетки в катодном токе лампы. Экранирующая сетка в малошумящих лампах должна быть редкой. Для малошумящих ламп, работающих во входных каскадах усилителей низких частот, принимаются меры к снижению фликкер-шумов путем повышения однородности материала катода. Эквивалентное шумовое сопротивление ламп с низким уровнем шума удалось снизить до 100—200 Ом.
На уровень шумов электронной лампы влияет электрический режим. Поэтому рабочую точку выбирают на участке анодно-сеточной характеристики, имеющем наибольшую крутизну. Для увеличения коэффициента токораспределения используется пониженное напряжение на экранирующей сетке, при этом не должны существенно ухудшаться другие параметры лампы.
ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ
При рассмотрении физических процессов в электронных лампах в гл. 7, 8 условно считалось, что при отрицательном напряжении сетки ток в сеточной цепи отсутствует. Практически в цепи сетки всегда протекает ток, который при отрицательном напряжении сетки очень мал по сравнению с токами в цепях положительно заряженных электродов. Однако в некоторых случаях даже очень слабый сеточный ток может оказывать влияние на работу лампы.
Рассмотрим природу тока сетки при подаче на нее отрицательного напряжения. Сеточный ток является суммой нескольких токов, имеющих различную причину возникновения (рис. 10.1).
При малых отрицательных напряжениях в цепи сетки протекает ток за счет электронов с катода, энергия которых достаточна для преодоления тормозящего поля сетки (кривая 7). Он называется прямым то* ком сетки и направлен от сетки к катоду. Остальные токи сетки протекают в противоположном направлении, и их сумма носит название обратного тока сетки. Компонентами обратного сеточного тока являются токи утечки по изоляции между электродами сетка—катод (кривая 2) и сетка—анод (кривая 5).
Разгоняясь в поле анода, электроны производят ионизацию молекул остаточных газов. Положительные ионы движутся к сетке, имеющей наиболее низкий потенциал из всех электродов. Ионы получают
Рис. 10.1. Характеристики компонент сеточного тока при отрицательных напряжениях сетки
от сетки недостающие электроны, тем самым создавая ионный ток сетки (кривая 4).
Весомый вклад в обратный сеточный ток дает термоэлектронная эмиссия сетки, нагретой излучением с катода. Кроме того, излучение катода и излучение, проходящее через прозрачный баллон снаружи, вызывают фотоэлектронную эмиссию сетки. Ток термо- и фотоэлект- 際 ронной эмиссий практически не зависит от напряжения сетки (кри- 扌 ваяЗ).
Результирующий ток сетки при уменьшении на ней отрицательного напряжения меняет направление (кривая 6). Сеточный ток определяет входное сопротивление лампы. Обратный сеточный ток приемно-усилительных ламп составляет 1(Г7 — 10~5 А.、<
Для измерения сверхмалых токов (около 10-16 — 1(Г10 А) исполь-总 зуются устройства, содержащие электрометрические лампы, С помощью g этих ламп измеряют напряжения» возникающие на высокоомном ак- { тивном сопротивлении при протекании измеряемого тока. Сеточный 扌 ток электрометрических ламп должен быть значительно меньше изме- j рнемого, поэтому при разработке и эксплуатации таких ламп принима- | ют ряд мер, позволяющих снизить ток сетки. Резкое уменьшение пря- 1 мого тока происходит при использовании отрицательного напряжения I смещения порядка —(2+3) В. Токи утечки снижаются за счет конструк-〔 тивных мер, применения высококачественных изоляционных материа- & лов и уменьшения рабочих напряжений. Для уменьшения токов термо- и фотоэлектронной эмиссии уменьшают температуру катода, экра- 128
нируют электроды от внешних излучений и увеличивают работу выхода материала сетки путем покрытия ее золотом.
Для повышения эффективности цепи подогревателя при пониженном напряжении накала в ряде электрометрических ламп используют катоды прямого накала. Устранение ионного тока обеспечивается снижением анодного напряжения до 5—6 В, при этом ионизация молекул остаточных газов отсутствует. При столь низких анодных напряжениях крутизна анодно-сеточной характеристики и ток анода имеют очень малые значения. Чтобы улучшить эти параметры, в некоторых электрометрических лампах используется катодная сетка, на которую подается небольшое положительное напряжение 2—4 В. В результате повышается действующий потенциал в области управляющей сетки и тлубина минимума потенциала уменьшается. Крутизна анодно-сеточной характеристики электрометрических ламп лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен микроампер на вольт.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ и экономичности
Кроме ранее рассмотренных параметров электронных ламп, существует еще ряд дополнительных параметров, характеризующих свойства приборов при эксплуатации.
Механические параметры электронных ламп характеризуют устойчивость прибора к внешним механическим воздействиям, которыми являются вибрации с различной частотой и ускорением, однократные и многократные удары. Механические воздействия вызывают в лампах изменения междуэлектродных расстояний, что приводит к нежелательной модуляции анодного тока и появлению на нагрузке напряжения виброшумов. Удары ламп могут привести к разрушению связей между деталями и их деформации. Особенно опасны удары для мощных ламп, имеющих значительные массу и размеры деталей. Поэтому в справочниках приводится напряжение виброшумов и допустимое ускорение при многократных или однократных ударах.
Климатические параметры показьшают устойчивость электронных ламп к изменению температуры, атмосферного давления и влажности. На работу ламп особенно влияет повышение температуры окружающей среды, так как при этом возрастает температура электродов ламп. Увеличение температуры катода приводит к изменению электрических параметров лампы и сокращению срока службы катодного узла. Повышение температуры анода и сеток может привести к нарушению теплового баланса этих электродов (см. § 5.4).
Снижение атмосферного давления ухудшает теплообмен с окружающей средой, что может вызвать чрезмерное повышение температуры баллона. Кроме того, при уменьшении давления и повышении влажности может снизиться пробивное напряжение между вьшодами электро-
дов. Допустимый интервал температур окружающей среды, максимальная температура баллона, влажность приводятся в предельных эксплуатационных данных на каждый тип лампы.
Долговечность электронных ламп - это минимальное время работы прибора, при котором он сохраняет работоспособность, а основные параметры не изменяются больше заданных значений. Требуемая от ламп долговечность определяется назначением и условиями работы устройств, в которых применяются эти лампы. Долговечность указы- вается в часах.
Надежность лампы — способность вьшолнять заданные функции и сохранять параметры в указанных пределах в определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени. Надежность оценивается по интенсивности отказов (в процентах) за определенное время работы. Наиболее распространенными причинами отказов ламп при эксплуатации являются короткие замыкания между электродами, перегора- ние подогревателя, нарушение герметичности баллона, возрастание токов управляющей сетки и т. д.
Экономичность электронных ламп принято оценивать отношением крутизны анодно-сеточной характеристики к полной мощности, потребляемой лампой от источников питания,
Для работы в сложных эк сплуатационных условиях разработаны специальные серии электронных ламп повышенной надежности и долговечности. Как следует из причин отказов, надежность и долговечность в основном определяется устойчивостью ламп к механическим и климатическим воздействиям, а также качеством применяемых материалов и уровнем технологии производства.
Для повышения надежности разработанных типов ламп в их конструкцию были внесены усовершенствования, в результате чего возросла механическая прочность арматуры. Применение исходных материалов высокой степени чистоты позволило увеличить срок службы приборов. В результате этих мер у ряда типов ламп появился аналог повышенной долговечности и надежности.
Представляют интерес сверхминиатюрные металлокерамические лампы, обладающие устойчивостью к воздействию вибраций, ударов и повышенных температур, так называемые нувисторы. Эти лампы имеют низкий уровень шумов и весьма экономичны. Нувисторы имеют цилиндрическую систему электродов, которая монтируется на керамической плате — ножке с помощью конических фланцев (рис. 10.2).
Жесткое закрепление электродов дало возможность уменьшить междуэлектродные расстояния, что позволило получить достаточно высокую крутизну при небольших напряжениях на электродах. Малые раз* 130
Рис. 10.2. Конструкция триода-нувистора:
1 - катод; 2 - сетка; 3 - анод; 4 - металлический баллон
Рис. 10.3. Схематическое изображение поперечного сечения стержневого пентода:
1 — анод； 2 - стержни, экранирующие от внешних полей; 3 — антидинатрон- ные стержни; 4 - экранирующие стержни; 5 - управляющее стержни; 6 - катод
меры и одностороннее крепление катода требуют меньшую мощность для его нагрева. Отсутствие слюды и замена стекла керамикой и металлом повышает устойчивость лампы к воздействию повышенных температур.
Нувисторы выдерживают одиночные удары с ускорением 1000g, имеют напряжение виброшумов в несколько раз меньшее, чем другие лампы. Диапазон температур окружающей среды от —60 до +200 °C. Конструкция нувисторов позволяет полностью автоматизировать процесс производства ламп.
Высокой экономичностью и устойчивостью к внешним механическим воздействиям отличаются стержневые лампы. Использование катода прямого накала позволило резко снизить мощность на нагрев катода. Управление током, экранирование поля анода и подавление динатронного эффекта в таких лампах осуществляются электродами в виде стержней, вьшолняющих роль соответствующих сеток обычных jfaMn. Поперечное сечение стержневого пентода приведено на рис. 10.3. Там же показаны эквипотенциальные линии электрического поля.
Рис. 10.4. Планарный вариант вакуумной интегральной схемы:1 - подложка; 2 — катод; 3 — сетка; 4 - анодРис. 10.4. Планарный вариант вакуумной интегральной схемы:1 - подложка; 2 — катод; 3 — сетка; 4 - анод
Рис. 10.4. Планарный вариант вакуумной интегральной схемы:
1 - подложка; 2 — катод; 3 — сетка; 4 - анод
Рис. 10.4. Планарный вариант вакуумной интегральной схемы:
1 - подложка; 2 — катод; 3 — сетка; 4 - анод
Рис. 10.5. Объемный вариант вакуумной интегральной сх^ш на двух подложках:
1 - анод; 2 - подложка; 3 - подогр^атель; 4 - катоды; 5 - сетки
Управление катодным током с помощью стержней 5 основано не только на изменении глубины минимума потенциала у поверхности катода, но и на изменении рабочей поверхности катода, электроны с которой составляют катодный ток. Поэтому выражение, описьшающее зависимость катодного тока от действующего напряжения в стержне- вьк лампах, отличается от закона степени трех вторых. Электростатическая линза, образующаяся в прикатодной области при отрицательном напряжении управляющих стержней 5, фокусирует электронный по ток, что приводит к возрастанию коэффициента токораспределения, доходящего в режиме прямого перехвата до 0,98. Снижение бесполез- ного тока экранирующих стержней 4 повышает экономичность лам- пы- Номинальное напряжение анода и экранирующих стержней сетки стержневых ламп в несколько раз меньше, чем у ламп обычной кон- струкции. В некоторых типах ламп напряжение на аноде снижено Д° 6 В. Конструкция стержневых ламп позволяет выдерживать однократные ударные нагрузки до 600g. Лампы имеют малые габаритные размеры и низкий уровень шумов.
Вакуумные интегральные схемы (ВИС). В ряде областей промышленности, науки и техники нужны контрольно-измерительные приборы, работающие в условиях высоких температур. Для построения таких приборов весьма перспективными могут быть ВИС, в которых явление термоэлек тронной эмиссии используется в сочетании с тонкопленочной интегральной технологией. Один иэ вариантов построения ВИС на- эьшавтся планарным. В одной плоскости на общей диэлектрической подложке из сапфира располагаются пленочные электроды (рис. 10.4). Термоэмиссия катода обеспечивается нагревом всей подложки. Регулировка мощности накала позволяет ВИС работать в широком диапазоне температур. В качестве материала керна катода используется воль- 132
фрам, сетки и анода — титан. На одной подложке может располагаться большое количество приборов. Недостатком такой конструкции ВИС является низкая экономичность, так как нагревать приходится всю подложку, а также возможность нарушения междуэлектродной изоляции из-за перемещения покрытия катода по подложке.
В другом варианте построения ВИС — объемном эти недостатки в значительной мере устранены. Одна иэ конструкций объемного варианта ВИС с двумя подложками изображена на рис. 10,5. Нагреву подвергается только активная эмиттирующая зона нижней подложки. Такая структура аналогична триоду, сетка которого смещена в плоскость катода. Малое расстояние между электродами повышает эффективность управления анодным током.
Вакуумные интегральные схемы могут работать при температуре 400-500 °C, поэтому их корпуса должны обеспечивать хорошую герметичность, минимальное газоотделение, малые токи утечки между вьшодами и стойкость к окислению. Материалом корпуса ВИС могут служить стеклокерамика, специальное стекло, ковар, нержавеющая сталь, никель. Проводники выводов изготовляются из тугоплавких металлов, например платины. Предполагается, что применение более производительных газопоглотителей, чем титан, позволит повысить рабочую температуру ВИС.
МЕХАНОТРОНЫ
Механотронами называются электронные лампы, имеющие один или несколько подвижных электродов, соединенных с баллоном лампы с помощью упругого элемента: мембраны, сильфона, специального подвеса и т. п. Перемещение электродов приводит к изменению электрических параметров прибора, поэтому механотроны применяют для преобразования механических величин в электрические. Эти лампы используются в качестве датчиков при измерении перемещений, давлений, ускорений и т. п.
В механотронах, предназначенных дая измерения перемещений (рис. 10.6, а), внешнее механическое воздействие через штырь 5 передается на анод 2, который смещается относительно катода 1, вызывая тем самым изменение анодного тока.
В механотронных измерителях давлений (рис. 10.6, б) механический сигнал (давление) воспринимается непосредственно мембраной 4, с которой жестко связан подвижный анод.
Механотроны с внутренним управлением (рис. 10.6, в) не имеют гибких оболочек. Инерционная масса 6 соединяется с подвижным электродом внутри лампы на упругой опоре в виде плоской пружины. Такие механотроны применяются в виброметрах, измерителях угла поворота и т. п.
Рис. 10.6. Устройство механотронов различного назначения:Рис. 10.6. Устройство механотронов различного назначения:1 一 катод； 2 - анод; 3 - баллон; 4 一 мембрана;
Рис. 10.6. Устройство механотронов различного назначения:
Рис. 10.6. Устройство механотронов различного назначения:
5 - штырь; 6 — инерционная масса
Подвижный электрод, как правило, пере
мещается относительно неподвижного элект-、"i~ ] । ] ] ]―гр
рода вдоль или поперек линий электрического
поля междуэлектродного промежутка. Кон- U U LI U L структивно механотроны выполняются в ви
де оданочных ИЛИ сдвоенных ДИОДОВ либо Р110- 1о-7- Конструкция с гмеханотрона
триодов. На рис. 10.7 показана в упрощенном виде конструкция симметричного диодного' механотрона с двумя подвижными анодами для прецизионного измерения линейных перемещений и сил.
Плоскопараллельная система электродов имеет подогревный оксидный катод 7, который является неподвижным. Два симметричных подвижных анода 2 жестко соединены со штырем 3 с помощью изоляторов. Мембрана 4 соединяется со стеклянным баллоном через металлический фланец 5, предохраняющий ее от механических повреждений при монтаже и эксплуатации прибора. Сдвоенный даод включается в мостовую измерительную схему, благодаря этому снижается влияние неконтролируемых внутриламповых процессов: нестабильности тока эмиссии, изменения вакуума и др. При механическом воздействии на штырь один из анодов приближается к катоду, другой удаляется от него, поэтому изменения токов в диодах имеют разные знаки. В результате изменения анодных токов в мостовой измерительной схеме возникает напряжение разбаланса, характеризующее механическое воздействие.
Достоинствами механотронов являются высокая чувствительность, достаточно высокий уровень выходного сигнала, малое измерительное усилие и др.
Контрольные вопросы и задания
Какова природа шумов электронных ламп? Как количественно оцениваются шумы?
Почему уровень шума в многоэлектродных лампах выше, чем в триодах?
Что такое эквивалентное шумовое сопротивление?
Какова природа обратного тока сетки? Каким путем его уменьшают в электрометрических лампах?
Какие параметры характеризуют свойства электронных ламп при эксплуатации?
Какие конструктивные особенности имеют нувисторы? В чем достоинства этих ламп?
Какой механизм управления токами в стержневых лампах?
Опишите конструкцию и принцип работы ВИС. Где они применяются?
Опишите устройство и принцип работы механотронов. Каково их назначение?
Часть третья
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава одиннадцатая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
ОПТИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН СПЕКТРА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Оптическим диапазоном спектра электромагнитного излучения называется область с длинами волн от одного нанометра до одного миллиметра. Границы оптического диапазона являются условными, они выделяют область спектра излучения, отличающуюся общностью принципов излучения и методов приема электромагнитных волн. Оптический диапазон включает в себя три области спектра. Излучение видимой области с длинами волн от 0,38 до 0,78 мкм непосредственно воспринимается человеческим глазом. Со стороны коротких волн к видимой области примыкает область ультрафиолетового (УФ) излучения с длинами волн 0,001—0,38 мкм, со стороны длинных волн — область инфракрасного (ИК) излучения 0,78—1000 мкм. УФ и ИК излучения невидимы для человеческого глаза.
Энергия излучения в оптическом диапазоне спектра We обычно измеряется в джоулях. Мерой энергии, излучаемой или принимаемой в единицу времени, будет поток излучения
Фе - dWe/dt.
Являясь мощностью излучения, поток излучения измеряется в ваттах. Поток иачучения, испускаемый в очень узком диапазоне длин волн, назьшается монохроматическим ①金入，такой поток излучают, например, лазеры. Если считать монохроматический поток излучения как поток фотонов с энергией hv, то интенсивность излучения Nможно оценивать числом фотонов, излучаемых в единицу времени:
Большинство естественных и искусственных источников излучения оптического диапазона испускают сложный поток излучения Фе, распределенный по спектру. У источников с линейчатым спектром излучения (рис. 11.1, а) сложный поток излучения является суммой со- 136
Рис. 11.1. Спектры излучения: а - лин^чатый; 6 — сплошнойРис. 11.1. Спектры излучения: а - лин^чатый; 6 — сплошной
Рис. 11.1. Спектры излучения: а - лин^чатый; 6 — сплошной
Рис. 11.1. Спектры излучения: а - лин^чатый; 6 — сплошной
ставляющих его монохроматических потоков
Фe =我入1 +我入2 +…+我入"=?①*，Фe =我入1 +我入2 +…+我入"=?①*，（11.1）（11.1）
Фe =我入1 +我入2 +…+我入"=?①*，
Фe =我入1 +我入2 +…+我入"=?①*，
（11.1）
（11.1）
где 〜 一номера гармоник, присутствующих в .спектре излучения.
На рис. 11.1, б показан сплошной спектр излучения нагретого тела. Распределение излучения по спектру характеризуется спектральной плотностью потока излучения 屮（入）
9（入）=lim△入f09（入）=lim△入f0△Фе△Фе他他（П-2）（П-2）
9（入）=lim
△入f0
9（入）=lim
△入f0
△Фе
△Фе
他
他
（П-2）
（П-2）
где △①e и d①е — потоки излучения узких участков спектра △入 и d入. Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на микрон （нанометр）-
Сложный поток излучения источника со сплошным спектром излучения определяется выражением
①e = ?9（入）及（1L3）
о
Графически сложный поток излучения может быть найден как площадь под кривой 9（入）на рис, 11,1, б.
Энергия излучения и поток излучения являются энергетическими величинами. Существует также система световых величин. Мощность излучения можно оценивать по световому ощущению, которое она производит, т. е. реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения. Глаз представляет собой избирательный （селективный） приемник излучения, его реакция зависит от длины волны излучения. На рис. 11.2 приведена характеристика относительной спектральной чувствительности человеческого глаза, называемая кривой относительной
видности V （入）.
Рис. 11.2. Спектральная характеристика относительной видности
Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по зрительному восприятию, т. е. он представляет собой видимую часть любого потока излучения. Очевидно, одинаковые по значению потоки излучения, но имеющие различный спектральный состав, будут
иметь различные световые потоки. Единицей светового потока является люмен (лм). В максимуме кривой относительной видаости при 入= =0,555 мкм 1 Вт монохроматического потока излучения равен 680 лм соответствующего монохроматического светового потока. Чтобы перейти от монохроматического потока излучения к монохроматическому световому потоку ①卩入 с той же длиной волны, можно воспользоваться соотношением
ФрХ = 680ФеХУ(Х).(1L4：
Световой поток источника с линейчатым спектром излучения может быть найден из (ИЛ) и (11.4)
ФР =6803 我人〃人)，
入左—номера гармоник в пределах видимой части спектра излучения.
Световой поток источника со сплошным спектром излучения с известной функцией спектральной плотности 屮(入)находится интегрированием в пределах границ видимого диапазона
入2 =0,78 мкм
①> 二 680/ip(X)F(X)dX.(11.5)
入 1 = 0,38 мкм
НАЗНАЧЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Приемником излучения или фотоприемником называется прибор, предназначенный для преобразования оптического сигнала в электрический. В зависимости от механизма преобразования энергии излуче* ния приемники излучения делятся на тепловые и фотоэлектронные (фотоэлектрические, фотонные). В тепловых фотоприемниках погло* щенная энергия излучения превращается в тепло, в результате чего изменяются электрические свойства вещества.
В фотоэлектронных приемниках происходит прямое взаимодействие между фотонами и электронами материала чувствительного слоя фото-
приемника. Электрические свойства фотоприемника при этом изменяются, а температура остается практически неизменной.
Фотоэлектронные приемники излучения, в свою очередь, можно разделить на два класса, включающих в себя большинство применяемых на практике приемников излучения: электровакуумные фотоэлектронные приборы и полупроводниковые фотоэлектрические приборы. Принцип действия первых основан на внешнем фотоэффекте, или фотоэлектронной эмиссии, работа вторых основана на внутреннем фотоэффекте (фоторезистивном или фотогальваническом).
К электровакуумным фотоэлектронным приборам, которые будут рассмотрены в данной книге, относятся фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
ПОНЯТИЕ О ПАРАМЕТРАХ И ХАРАКТЕРИСТИКАХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ .
В том случае, когда специальный состав излучения не влияет на определение параметра и ход характеристики рассматриваемого прибора, поток будем обозначать символом Ф без индексов.
Чувствительность. Под чувствительностью фотоприемника в общем случае понимают отношение его реакции к оптической величине, вызвавшей эту реакцию. Реакцией электровакуумных фотоэлектронных приборов на изменение потока удобно считать изменение тока. Это связано с тем, что ток в рассматриваемых приборах в рабочем режиме зависит в основном от интенсивности потока, попадающего на фотоприемник, и практически не зависит от напряжения на выходном электроде. Различают дафференциальную чувствительность, определяемую как отношение приращений тока и потока S = di /i/Ф, и статическую, равную отношению постоянных значений этих величин S = 7/Ф. У вакуумных фотоэлектронных приборов дифференциальная и статическая чувствительности равны в связи с линейностью характеристики / = f(①).
Спектральной чувствительностью называется чувствительность к монохроматическому потоку излучения, т. е. отношение тока к падающему монохроматическому потоку S^入二 //Фе\. Спектральная чувствительность фотоэлектронных приборов зависит от дайны волны излучения. Эта зависимость 5巳入=F(①sX) является спектральной характеристикой прибора. Для удобства на практике пользуются понятием относительной спектральной чувствительности S (入) 一отношением чувствительности на данной дайне волны к максимальной спектральной чувствительности Se^ax
5(入)=晶 MSe^g.(U.6)
Относительная спектральная характеристика S (入)=/(X) позволяет сравнивать избирательные свойства приборов, имеющих большие 139
Рис. 11.3. Спектралыше характер стики фотокатодов:
а — зависимость абсолютной спектральной чувствительности многощелочного (7) и серебряно-кислородно-цезиевого (2) фотокатодов от длины волньц б - относительные спектральные характеристики этих фотокатодов
различия по абсолютным значениям чувствительности. Для примера на рис. 11.3, а приведены спектральные характеристики двух фотоэмиттеров одинакового размера, а на рис. 11.3, 6 показаны их относительные спектральные характеристики. Из рисунков видно, что относительные спектральные характеристики являются более удобными дая практического использования.
Интегральной чувствительностью называется чувствительность фотоприемника к немонохроматическому сложному потоку излучения заданного спектрального состава
晶=〃我.(П.7)
Интегральная чувствительность измеряется в амперах на ватт. Поскольку значение интегральной чувствительности зависит от спектрального состава потока излучения, она как параметр имеет смысл лишь применительно к конкретному источнику излучения. В справочниках интегральную чувствительность фотоприемников указывают по отношению к потоку эталонных источников. У электровакуумных фотоэлектронных приборов измерение интегральной чувствительности производят по источнику типа 4 [образцовая светоизмерительная газополная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, имеющая цветовую температуру 7口= (2856 ± 10) К].
Между интегральной и спектральной чувствительностями существует определенная связь. Ток d/, вызванный потоком излучения с участка спектра 办，можно найти как
Из определения спектральной плотности потока излучения (1.2) имеем d/=晶入9(入)dA(1L8)
Отсюда ток от воздействия всего сложного потока находится ин*
тегрированием уравнения （11.8） по длинам волн всего спектра
/=『晶入9（入）以入）.（Й.9）
о
Из （11.6） находим 5е入 и подставляем в （11.9）, тогда
I = Sg^max / S（入）9（入）砍.（11.10）
о
Подставив （11.3） и （11.10） в （11.7）, получаем
J S （人）收入）d入
S© 二 SeXmax ^5 •（1Ы1）
J 9（人）d人 о
Числитель в （11.11） называется эффективным для данного приемника потоком излучения, а отношение интегралов - коэффициентом использования. Эффективный поток ФеЭф составляет ту часть полного потока излучения, которая вызывает реакцию приемника （например, протекание тока в выходной цепи）.
Коэффициент использования потока излучения, равный отношению эффективного к полному потоку излучения К = Феэф/Фе, показьша- ет, какую часть сложного потока излучения составляет эффективный для данного фотоприемника поток. Зная спектральные характеристики фотоприемника и излучателя, можно графически определить коэффициент использования как отношение площади, ограниченной кривой S （入）屮（入）и осью абсцисс, к площади под кривой 屮（入）（рис. 1L4）.
Очевидно, что световой поток является эффективным потоком любого излучателя с заданной функцией спектральной плотности 屮（入）
S以）,夕"）
Рис. 11.4. К расчету коэффициента использования потока излучения:
ОО
1 - функция S（K; 2 - функцияS（内屮（2； 3 - площадь ^эф = f S （内9（給处 ooО
4 一 площадь Фе = J 屮（内 dX; 5 - функция 屮（内 о
для приемника, имеющего относительную спектральную характеристику 7 (X), сбвпадающую с характеристикой человеческого глаза. Если правую часть уравнения (11.5) умножить и разделить на сложный по^ок излучения (11.3), то получим зависимость, связывающую световой поток с полным потоком излучения любого источника:
Фу = 680①е ть
где 1? — коэффициент использования глаза или КПД глаза,
т?=『9(人)p(入)卓.(11.12)
оФе
Отношение Фу/Фе = 680т? называют световой отдачей источника излучения.
Таким образом интегральная и спектральная чувствительности связаны через коэффициент, использования потока
Se = ^e^max^'(11.13)
Чтобы вычислить интегральную чувствительность фотоприемника по отношению к произвольному реальному источнику З^р 口。известному значению интегральной чувствительности к потоку излучения эталонного источника 5е э, можно воспользоваться выражением
Sep = Se》(11.14)
где Кр к К» — коэффициенты использования данным приемником потоков излучения соответственно реального и эталонного источников.
Для электровакуумных фотоэлектронных приборов широко используется параметр световая чувствительность Sv . Световой чувствительностью называется интегральная чувствительность к световому потоку источника типа А
г^ёл?иДx / S (人)9/(人)dX.
М = =—= 5^，(И.15)
%力680 /г(入)% (人)办
где % (X) — спектральная плотность потока излучения, а %< — световой поток источника типа А. Световая чувствительность измеряется в амперах на люмен.
На рис. 11.5 представлены спектральные характеристики: источника типа А % (入)，человеческого глаза V (X) и условного фотоприемника 5(入).(Яношение интегралов в (11.15) можно вычислить графически как отношение заштрихованных площадей П^Щ на рисунке. Для вычисления КПД глаза к излучению источника типа А 吃 необхо-
РиЬ. 11.5. К расчету световой чувстаительности оо
и Й1Д глаза: % - площадь / S 而臥(入)dX;
ооD
П2 - площадь J Р (内勿(К d入 о
дамо «зять отношение площади П2 к площади под кривой % (入).Следует учесть, что на интервал спектра 300—1000 нм, приведенный на рисунке, приходится 25% полного потока излучения эталонного источника.
Интегральная чувствительность электровакуумного фотоэлектронного прибора к потоку излучения эталонного источника связана со световой чувствительностью через КПД глаза
S© з == 68017/?.
(11.16)(11.16)Подставив значение %= 0,0246, получим
(11.16)
(11.16)
Sg 3 ~ 16,63,.
Кроме спектральных характеристик электровакуумных фотоэлектронных приборов представляют интерес световые, вольт-амперные и частотные характеристики.
Световой характеристикой называется зависимость выходного тока прибора от потока при неизменном его спектральном составе и постоянном напряжении на электродах / = f (Ф).
Вольт-амперной характеристикой называют зависимость выходного тока от напряжения, приложенного к фотоэлектронному прибору, при неизменном падающем потоке I ~ f (S.
Частотной fамплитудно-частотной / характеристикой называется зависимость чувствительности прибора от частоты модуляции падающего на него потока.
При отсутствии облучения чувствительного элемента прибора и поданном напряжении на его электроды в выходной цепи протекает темновой ток, В электровакуумных фотоэлектронных приборах темновой ток обусловлен термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией электродов и конечным значением сопротивления между электродами (ток утечки) .При низких уровнях облученности ток от полезного сигнала может оказаться меньше темнового тока. Значение темнового тока в значительной мере определяет минимальный поток, который может быть принят фотоэлектронным прибором.
Кроме полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеется хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум при-
бора. Шумы в электровакуумньхх фотоэлектронных приборах обусловлены дробовым эффектом, фликкер-эффектом и флуктуациями /самого падающего потока. /
Радиационный (фотонный) шум, вызванный флуктуациями чйсла фотонов, приходящих на фотоприемник, учитывают, как правлю, при наличии постоянной фоновой засветки, существенно превышающей полезный сигнал. /
Основными шумами в электровакуумных фотоэлектронных приборах, как и в электронных лампах, являются дробовой шум и фликкер- шум. Среднеквадратическое значение шумовых токов можно н車тн из (10.1) и (10.3), если под 厶 понимать анодный (выходной) ток фотоэлектронного прибора. I
Пороговым потоком Фп или порогом чувствительности фотоэлектронного прибора считается такой поток излучения Феп или световой поток Фуц, который вызывает на выходе прибора ток, равны^ амплитуде среднеквадратического суммарного шумового тока, т. е. ।
Отсюда/
% = V^?S・(11.17)
На практике для сравнения различных фотоприемников пороговый поток приводят к единичной полосе частот (А/ = 1 Гц)
Фп1 =ФП /V^f.
Приведенный пороговый поток излучения измеряется в Вт ■ Гц"1^2, а приведенный пороговый световой поток — лм • Гц""】/?. Монохроматический пороговый поток 6е\п не зависит от источника излучения, а пороговые потоки Феп и 兩卩口，как и интегральная чувствительность, связаны с конкретными излучателями. Пороговые потоки электровакуумных фотоэлектронных приборов измеряются и нормируются по излучению источника типа А.
Пороговый поток фотоприемника от произвольного реального источника ①еп,р с заданным спектром излучения можно определить по известному значению порогового потока от эталонного источника Феп,э С помощью формулы
+еп,р = 6еп,э^э/Кр,
которую получаем из (11.14), разделив обе части на，7备.
Контрольные вопросы и задания
Как связаны между собой сложный поток излучения и его спектральная плотность?
144
\2. Что такое световой поток? Какая количественная связь между световым потоком и потоком излучения?
Дайте определение спектральной и интегральной чувствительности.
С какой целью при измерении ряда параметров фотоэлектронных приборов используют эталонные источники?
i Какой физический смысл имеют понятия: эффективный для фотоэлектронного прибора поток излучения, коэффициент использования потока излучения и 1ОТД глаза?
Цто такое световая чувствительность электровакуумного фото- электрэнного прибора?
Что такое темновой ток и какова его природа в электровакуумных фотоэжктронных приборах?
Какова природа шумов в электровакуумных фотоэлектронных приборах?
Что такое пороговый поток фотоэлектронного прибора и от чего он зависит?
Глава ^двенадцатая
ФОТОКАТОДЫ
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОКАТОДОВ
Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов основан на фотоэлектронной эмиссии, основные законы которой были рассмотрены в § 2.4. Источником электронов в этих приборах является электрод, называемый фотокатодом.
Важным параметром фотоэмиссионных материалов, из которых изготовляются ^отокатоды, является работа выхода электрона из твердого тела при взаимодействии с фотоном. Фотоэлектронной работой выхода (порогом фотоэффекта) hvQ называется энергия, которую нужно сообщить электрону, находящемуся на наивысшем энергетическом уровне при Г = О К, для того, чтобы он мог выйти в вакуум. Не каждый фотон, даже обладающий энергией, большей hvOi вызывает вылет электрона из фотокатода. Некоторые фотоны, взаимодействуя с электронами, находящимися на низких энергетических уровнях, вызовут переход электронов на более высокие уровни, но расположенные ниже уровня вакуума. Вместе с тем часть оптически возбужденных электронов, обладающих в результате взаимодействия с фотонами энергией, достаточной для выхода, двигаясь к поверхности, теряет часть этой энергии при различных взаимодействие в твердом теле.
Эффективность использования материала в качестве фотокатода характеризуется квантовым выходом или квантовой эффективностью Y. Квантовый выход равен отношению числа эмиттированных электронов п к числу квантов света — фотонов N (см. § 2.4).
Квантовый выход связан со спектральной чувствительностью фо' катода соотношением/
品入一百一而品入一百一而
品入一百一而
品入一百一而
Коэффициент пропорциональности между спектральной чувствительностью и квантовым выходом зависит от частоты падающего потока излучения. /
Уход эмиттированных электронов из фотокатода должен компенсироваться притоком электронов от источника питания прибора, поэтому необходимо, чтобы материал фотокатода обладал проводимостью. Этому условию удовлетворяют металлы и полупроводники. /
Металлические фотокатоды имеют значительный коэффициент отражения и большую фотоэлектронную работу выхода, их пороговая частота р0 соответствует излучению УФ-области спектра. Значительная часть возбужденных фотонами электронов теряет приобретенную энергию при движении к поверхности. Квантовый выход металлических фотокатодов в ближней УФ-области спектра не превышает 0,01,/поэтому они имеют малое практическое применение.
Широкое распространение получили полупроводниковые фотокато- ды, характеризующиеся значительно меньшим коэффициентом отражения, чем металлы, сравнительно малым значением работь^ выхода, вследствие чего их порог фотоэффекта лежит в видамой И ближней ИКобласгях спектра. В полупроводниках потери энергии Оптически возбужденными электронами при движении к поверхности суйдественно ниже, чем в металлах. Квантовый выход полупроводниковых фотокатодов может приближаться к теоретическому пределу.
На рис. 12.1 представлены энергетические диаграммы собственного, электронного и дырочного полупроводников. Независимо от типа проводимости фотоэлектронная работа выхода полупроводников с малой концентрацией примеси равна сумме ширины запрещенной зоны и энергии электронного сродства 恥р, которая равна интервалу энергий между уровнем вакуума % и дном зоны проводимости Wc
hvQ = △% + Wcp・ (12.1)
Вероятность фотозмиссии электронов с примесных уровней ничтожно мала в связи с малой концентрацией атомов примеси по сравнению с концентрацией электронов в валентной зоне.
Термоэлектронная работа выхода ^屮。в полупроводниках зависит от типа проводимости. Наибольшего значения она достигает у полупроводников с дырочным типом проводимости. Термоэлектронная работа выхода определяет значение тока термоэлектронной эмиссии материала (см. § 2.2). Этот ток является компонентой темнового тока фотокатода, от которого зависит пороговый поток фотоэлектронного прибора.
146
Рис. 12.1. ^Энергетические диаграммы собственного О слаболегированных электронного (Л) и дырочного (р) полупроводников при Т = О К
Дырочныр полупроводники, применяемые для большинства фотокатодов, имеют меньшее значение тока термоэлектронной эмиссии, чем собственные н электронные полупроводники.
К важным параметрам фотокатодов относится интегральная чувствительность, в частности световая чувствительность. Основной характеристикой, определяющей назначение фотокатода, является спектральная характеристика.
К эксплуатационным параметрам фотокатодов относятся нестабильность чувствительности во времени (утомление) и нестабильность при хранении (старение).
ТИПЫ ФОТОКАТОДОВ
Фотокатод электровакуумного фотоэлектронного прибора представляет собой тонкую пленку полупроводникового материала, нанесенную на часть внутренней поверхности прозрачного баллона прибора либо на металлическую пластину, являющуюся подложкой для фоточувстви- тельного слоя. Фотокатоды бывают двух типов: массивные и полупрозрачные. Массивные фотокатоды имеют толщину не более десятых долей микрона. Поток излучения попадает на фотокатод со стороны эмит- тирующей поверхности, обращенной в вакуум баллона (фронтальное освещение).
Полупрозрачные фотокатоды толщиной 20—30 нм облучаются со стороны стекла (тыловое освещение). Поток излучения попадает на 147
夕
V
Рис. 12.2. Фотокатод на зеркальной подложке:/
/ — фоточувствительный слой; 2 - зеркальная подложка; 3 - стекло баллона
Рис. 12.3. Пример использования явления полного внутреннего отражения в фотокатоде:j
? - призма; 2 — оптическое окно баллона; 3 - фотокатод/
одну сторону тонкой пленки фотокатода, а эмиссия происходит《другой стороны в вакуум. Полупрозрачные фотокатоды находят в фотоэлектронных приборах более широкое применение, чем массивные. ।
Одним из основных требований, предъявляемых к фото^сатодам,
является максимальное поглощение излучения на таком расстоянии от эмиттирующей поверхности, при котором значительная часть возбужденных фотонами электронов может достигнуть поверхности, сохранив энергию, достаточную для выхода в вакуум. Поэтому чувствительность полупрозрачных фотокатодов зависит от их толщины. Малая толщина фотокатода позволяет значительной части падающего потока излучения проходить насквозь. При слишком большой толщине поглощение фотонов будет происходить вблизи стеклянной подложки фоточувствительно го слоя и значительная часть возбужденных электронов может потерять энергию, приобретенную при взаимодействии с фотонами, не достигнув поверхности. Для каждого типа полупрозрачных фотокатодов существует оптимальная толщина, при которой квантовый выход будет
иметь максимальное значение.
Существует много способов повышения чувствительности фотокатодов. Оптические способы заключаются в повышении эффективности поглощения излучения в фоточувствительном слое, т. е. увеличении чувствительности за счет более полного использования падающего потока излучения. Одним из таких способов является использование в массивных фотокатодах зеркальной отражающей излучение подложки (рис. 12.2). Толщина чувствительного слоя в этом случае приблизительно в 2 раза меньше обычной. Поток излучения, прошедший через фотокатод, отражается от зеркальной подложки ? проходит еще раз чувствительный слой. Таким образом, получается, что процесс поглощения происходит в слое двойной толщины по отношению к реаль-
Рйр. 12.4. Ход лучей в коническом элементе рельефной тюд・ поиски фотокатода
ному, а процессы взаимодействия фотонов с элект ронами переносятся ближе к эмиттирующей поверх ности.
ЭффективнымЭффективнымности полупрозрачныхности полупрозрачныхфотокатодов является ис-фотокатодов является ис-способом повышения чувствитель-
Эффективным
Эффективным
ности полупрозрачных
ности полупрозрачных
фотокатодов является ис-
фотокатодов является ис-
пользрвание явления полного внутреннего отраже
ния потока излучения от границ раздела фотокатод—
вакуум и стекло—воздух. Узкий параллельный пучок света вводится через призму, оптически согласованную с материалом стекла, под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения (рис. 12.3). На границе фотокатод-вакуум луч полностью отражается и проходит второй , раз через слой фотокатода. Условия полного внутреннего отражения должны обеспечиваться также на границе стекло-воздух, тогда луч будет многократно отражаться в слое фотокатода до полного поглощения. Фоточувствительныи слой в этом случае может быть очень тонким, вследствие чего вероятность выхода «возбужденных электронов реэко увеличится. Чувствительность фотокатода будет приближаться к теоретическому пределу, зависящему от материала фотокатода.
Если фотоэлектронный прибор предназначен для работы с широким пучком света и применение наружных оптических систем не предусмотрено, то для получения полного внутреннего отражения используется рельефная подложка фотокатода. На рис. 12.4 показан ход лучей в одном элементе рельефной подложки. Применение рельефной подложки дает меньший эффект по сравнению с плоским фотокатодом и наружной призмой. Это объясняется частичным поглощением потока излучения фотокатодом, так как полное внутреннее отражение происходит только на границе фотокатод-вакуум. Небольшое повышение чувствительности может быть получено даже в том случае, если внутреннюю поверхность стекла, на которую наносится фотоэмиссионный слой, подвергнуть механическому матированию (насечке мелкого рельефа).
СОВРЕМЕННЫЕ ФОТОКАТОДЫ
Вид спектральной характеристики фотокатодов определяется материалом и толщиной фоточувствительного слоя, а также материалом подложки и оптического окна. Стекло баллона, являющееся оптическим окном, у ряда фотокатодов служит подложкой фоточувствительного материала. По спектральным характеристикам фотокатоды подразделяются на три типа: фотокатоды, применяемые в приборах для измерений в видимой, ближней ИК- и У①областях оптического диапазона спектра. Характеристики некоторых фотокатодов охватывают
широкий спектральный диапазон от УФ-области до ближней ИК-обла- | стй, однако по ряду причин их применение, как правило, ограничива- 1 ется более узкой областью спектра.]
Сурьмяно-цезиевый (Sb—Cs) фотокатод является наиболее pacijpo- 1 страненным для приборов, работающих в видимой области спектра, j Фотокатод может быть выполнен как массивным, так и полупро^рач-] ным. В качестве материала фоточувствительного слоя используется I соединение сурьмы с цезием CsaSb, на поверхности которого адсорби- 1 рована пленка цезия, снижающая работу выхода фотоэлектронов. /
Массивные Sb—Cs-фотокатоды изготовляются напылением сурьмы j путем термического испарения в вакууме на металлическую подлож- j ку5 затем сурьма обрабатывается в парах цезия. При изготовлении j полупрозрачных фотокатодов пленка напыленного на стеклянную 1 подложку слоя сурьмы имеет толщину 5—6 нм. После обработки в | парах цезия пленка сурьмы разбухает до толщины 25—35 нм и имеет I прозрачность 35-50%. В целях увеличения электропроводности фото-] чувствительного слоя на стеклянную подложку предварительно напыля- S ют в вакууме пленку хрома «ли двуокиси олова. Увеличения чуветви- | тельности Sb—Cs-фотокатода в 1,5—2 раза можно достигнуть путем об-] работки поверхности фоточувствительного слоя кислородом. Эта опера- | ция, называемая сенсибилизацией фотокатода, приводит также к снижению фотоэлектронной работы выхода.j
На рис. 12.5 приведены спектральные характеристики обычного ) (кривая*/) и сенсибилизированного (кривая 2) Sb-Cs-фотокатодов. j Из рисунка видно, что сенсибилизация сдвигает спектральную харак-[ теристику в длинноволновую область. В серийных фотоэлектронных приборах световая чувствительность массивных Sb-Cs-фотокатодов достигает 120 мкА/лм, полупрозрачных 一 примерно 100 мкА/лм. Плотность тока термоэлектронной эмиссии несенсибилизированных фотокатодов при комнатной температуре составляет 1СГ16-1СГ^5 А/см2, сенсибилизированных — 1СГ14 А/см2, квантовый выход достигает 0,25—0,3- Одним из серьезных недостатков Sb—Cs-фотокатода явля- { ется утомление при увеличении тока, снимаемого с фотокатода. Заметное ухудшение чувствительности наступает при плотностях^тока, пре-； вышающих 1 мкА/см2.
Многощелочной фотокатод образуется при соединении сурьмы с атомами трех щелочных металлов: калия, натрия и цезия — NaaKSbfCs). Этот фотокатод по сравнению с Sb—Cs-фотокатодом обладает более высокой световой чувствительностью и квантовым выходом в видимой области спектра. Световая чув ствител ьно сть много щелочи ых фотокатодов достигает 400 мкА/лм, а квантовый выход в максимуме спектральной характеристики может быть равен 0,4.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре не превышает 1СГ16 А/см2. Полупрозрачные многощелочные фотокатоды имеют меньшее продольное сопротивление, чем сопро-
Рис. 12.5. Спектральные характеристики сурьмяно-цезиевых фотокатодов
Рис. 12.6. Спектральные характеристики ви смуто -серебряно-цезиев ого фото катода и относительной видноста
тивление сурьмяно-цезиевых фотокатодов, поэтому при их изготовлении нет необходимости в проводящей подложке. Утомление многощелочных фотокатодов наступает при плотностях тока, превышающих несколько миллиампер на сантиметр квадратный, т. е. более чем на три порядка превышающих предельные токи Sb—Cs-фотокатодов.
По всем параметрам многощелочные фотокатоды превосходят сурь- мяно-цезиевые, однако технология их изготовления значительно сложнее. Она допускает широкое варьирование последовательности введения щелочных металлов и режимов обработки. Изготовление фотокатода происходит путем обработки тонкого слоя сурьмы последовательно парами калия и натрия, затем полученное двухщелочное соединение обрабатывается в парах цезия до получения на поверхности моноатом- ной пленки.
На рис. 11.3 (кривая У) была приведена спектральная характеристика одного из многощелочных катодов. Длинноволновый порог фотоэффекта фотокатода находится в ближней ИК области спектра 入о =900 нм.
Висмуто-серебряно-цезиевый (Bi—Ag-0-Cs) фотокатод имеет спектральную характеристику, близкую к кривой видности глаза (рис. 12.6), поэтому он нашел широкое распространение в фотоэлектронных приборах телевизионной техники и для колориметрических измерений. Процесс изготовления полупрозрачного Bi-Ag-O-Cs-фо- токатода состоит в последовательном напылении на стекло тонких (толщиной 4—5 нм) пленок висмута и серебра с последующим окислением серебра кислородом и окончательной обработкой в парах цезия.
Световая чувствительность этих фотокатодов такая же, как у сурьмяно-цезиевых (до 100-120 * мкА/л м), квантовый выход не превышает 0,1, плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре составляет 1СГ14 А/см2.
Двухщелочные фотокатоды Na2KSb и К2 CsSb образуются при взаимодействии сурьмы с двумя щелочными металлами. Световая чувстви- 151
тельность и квантовый выход двухщелочных фотокатодов имеют такие же значения, как у Sb —Сs-фотокатода, но они обладают значительно меньшей плотностью тока термоэлектронной эмиссии^ составляющей 1СГ17 А/см2. По этой причине двухщелочные фотокатоды могут работать при температуре окружающей среды, доходящей до 120 °C при сохранении стабильности параметров, в то время как приборы с другими типами фотокатодов имеют допустимую температуру, не превышающую 70 °C. Порог фотоэффекта двухщелочных фотокатодов расположен близко к длинноволновой границе видимого диапазона спектра.
Серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (Ag-0-Cs) предназначен для работы в ближней ИК-области оптического диапазона. При получении этого фотокатода на часть внутренней поверхности баллона наносится слой серебра, которое окисляется электрическим разрядом в атмосфере кислорода. Далее слой окисленного серебра прогревается в парах цезия. Если ^^тoлcтый^^ слой серебра окисляется не полностью, то получается массивный фотокатод на серебряной подложке. При полном окислении тонкой пленки серебра образуется полупрозрачный фотокатод. Ag—О—Cs-фотокатод является по/гупроводником с электронной проводимостью, с донорными примесями серебра и цезия. Спектральные характеристики фотокатода, приведенные на рис. 11.3 (кривая 2), отличаются наличием двух максимумов. Квантовый выход фотокатода очень мал: (3 — 7) • 10"3 в длинноволновом максимуме и 7 • 1СГ3 в к о ротк ов олново м. Световая чувствительность Ag —О —Сs-фотокатода, несмотря на малый квантовый выход и небольшую спектральную чувствительность (晶乂以 &3 мА/Вт), составляет 30-40 мкА/лм. Это объясняется большим коэффициентом использования • фотокатодом потока излучения источника типа Л [см. (11.13) и (11.16)] за счет значительной протяженности спектральной характеристики. Серьезным недостатком Ag—О—Cs-фотокатода является большая плотность тока термоэлектронной эмиссии, лежащая в пределах 10'13 — 10-10 А/см2.
Фотокатоды с отрицательным электронным сродством (ОЭС-фото- катоды). Для снижения работы выхода полупроводниковых фотокатодов нужно использовать материалы с малыми шириной запрещенной зоны и энергией электронного сродства [см. (12.1)]. На поверхность сильнолегированного дырочного полупроводника наносят моноатом- ную пленку электроположительного вещества, которое образует дипольный слой с положительным зарядом на поверхности, граничащей с вакуумом. В качестве электроположительного материала используют, как правило, цезий, окись цезия и другие его соединения. Электрическое поле дипольного слоя облегчает выход электронов в вакуум. На энергетической диаграмме таких материалов уровень вакуума может оказаться ниже уровня дна зоны проводимости, т. е. энергия электронного сродства становится отрицательной (рис. 12.7).
Фотоэлектронная работа выхода в этом случае будет равна ширине запрещенной зоны. Любой электрон, преодолевший в результате взаимодействия с фотоном запрещенную зону, может участвовать в фотоэмиссии. Потери энергии возбужденными электронами здесь сведены к минимуму и в основном определяются рекомбинацией. Следовательно, в фотоэмиссии могут принимать участие электроны, возбужденные на расстоянии диффузионной длины от поверхности (т. е. расстоянии, на котором избыточная концентрация электронов уменьшается за счет рекомбинации в е раз). Это расстояние значительно превышает их длину свободного пробега (движение без столкновений). Большая глубина выхода электронов дает резкий подъем спектральной характеристики на границе длинноволнового порога фотоэффекта. Квантовьш выход приближается к теоретическому пределу 0,5.
О ЭС -фотокатоды являются самыми перспективными фотокатодами для работы в ИК-области спектра. Чув ствитель но сть О ЭС-фотокатода InAsP—Cs2O на длине волны 1,05 мкм в 20 раз превышает чувствительность Ag—О—Cs-фотокатода. Световая чувствительность ОЭС-фото- катода GaAs (Cs—О) достигает 2 мА/лм при плотности тока термоэлектронной эмиссии 10"16 А/см2.
Фотокатоды для ультрафиолетовой области спектра изготавливаются с оптическими окнами, пропускающими УФ-излучение. Для этого используется увиолевое стекло, кварц, сапфир, фториды магния и лития. Следует отметить, что все фотокатоды для видимой области спектра чувствительны и к УФчизлучению. Однако их использование в приемниках УФ-излучения связано с необходимостью тщательной защиты от засветки дневным солнечным светом. Поэтому целесообразно применять фотокатоды, длинноволновая граница которых не заходит в видимую область спектра, так называемые солнечно-слепые фотока-
тоды. Такие фотокатоды позволяют проводить измерения УФ-потока излучения в условиях интенсивного даевного освещения.
К потоку излучения УФ-области спектра чувствительно большинство
чистых металлов, например пленки магния и кадмия, но их квантовый выход не превышает 1(Г3, а спектральные характеристики имеют очень пологий длинноволновый край. Более резкий польем характеристики в области красной границы наблюдается у сплавных металлических фотокатодов, например магниево-серебряных и магниево-бариевых. ~ Они имеют длинноволновый порог фотоэффекта в области 400 нм и квантовый выход 0,07.
Высоким квантовым выходом Y = 0,25 в области излучения 200— 350 нм обладают теллуриды цезия и рубидия. Эти фотокатоды в полу
прозрачном варианте имеют высокое продольное сопротивление, поэтому их наносят на тонкую металлическую подложку (хромовую или вольфрамовую), пропускающую до 85% УФ-излучения. Теллуриды щелочных металлов имеют очень малую плотность тока термоэлектрон- ной эмиссии (10-18 — 1СГ17 А/см2). Спектральная характеристика тел- луридо-цезиевого фотокатода приведена на рис. 12.8.
В приборах для измерения излучения с длиной волны 入 < 100 нм нашли применение фотокатоды из фторида магния и лития, имеющие длинноволновый порог 95 и 140 нм соответственно. Максимальный квантовый выход фторида магния составляет 0,4 при 入=55 нм. В связи с отсутствием прозрачных материалов в этой области спектра фото- катоды должны сохранять свои параметры после пребывания на воздухе. В целях стандартизации параметров для серийных приборов разработана система типовых спектральных характеристик С-1, С-2 и т.д.
Контрольные вопросы и задания
Как квантовый выход фотокатода связан с его спектральной чувствительностью?
Какие преимущества имеют полупроводниковые фотокатоды по сравнению с металлическими? Почему большинство фотокатодов — по лупров одники с дырочной проводимостью?
Какими характеристиками и параметрами оцениваются качества фотокатода?
Как реализуются оптические способы повышения чувствительности фотокатодов?
Опишите структуру, свойства и основные параметры современных фотокатодов для видимой области спектра.
Опишите структуру, свойства и основные параметры современных фотокатодов для ближней ИК-области спектра. Почему ОЭС-фотокато- ды являются наиболее перспективными?
Какие фотокатоды применяются для УФюбласти спектра? Каковы их структура и особенности работы?
154
Глава тринадцатая
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Электровакуумным фотоэлементом называется вакуумный прибор, имеющий фотокатод и анод. Баллон фотоэлемента выполняется из стекла с малым коэффициентом поглощения излучения в рабочем для прибора диапазоне спектра. У фотоэлементов, предназначенных для работы в УФ-области спектра, в баллоне делается окно из материала, прозрачного в этой области. Некоторые фотоэлементы имеют металло- стеклянные баллоны. Конструкции фотоэлементов весьма разнообразны в зависимости от назначения прибора. Классификационными признаками могут быть спектральный рабочий диапазон, тип и конструкция фотокатода, режимы работы и области применения. По областям применения фотоэлементы удобно объединить в три основные группы.
К первой группе можно отнести фотоэлементы, предназначенные для регистрации сравнительно слабо меняющихся во времени потоков излучения, интенсивность которых намного больше пороговой. Эти фотоэлементы применяются в звуков о спроизв одящей киноаппаратуре, в фототелеграфии, в схемах автоматики и контрольно-измерительных устройствах. Фотоэлементы этой группы обычно работают с произвольными источниками света, поэтому основными требованиями к приборам являются наличие высокой интегральной чувствительности, а также
их долговечность и взаимозаменяемость.
Баллон фотоэлементов, выпускаемых для указанных целей, представляет собой сферу, на часть внутренней поверхности которой нанесен массивный фотокатод. Анод выполняется в виде кольца, сетки, петли из тонкой проволоки, находящихся обычно в центре сферы. Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Типичные конструкции фотоэлементов первой группы приведены на рис. 13.1.
Ко второй группе относятся фотоэлементы, используемые для из
мерения слабых медленно меняющихся потоков излучения различного спектрального состава, а также для точного измерения световых потоков в фотометрии. В фотоэлементах могут применяться как полупро-
Рис. 13.1. Устройство некоторых типов фотоэлементов, используемых в звуковоспроизводящей кино аппаратур е, фототелеграфии и приборах автоматического контроля:
- анод; 2 — фотокатод
Рис. 13.2. Устройство некоторых типов измерительных фотоэлементов:
2 - фотокатод; 2 - охранное кольцо; 3 - анод
зрачные, так и массивные фотокатоды. Подложкой последних служит стекло или металлическая пластина. Для снижения токов утечки вводится третий электрод — охранное кольцо. Электроды могут иметь жесткие вьшоды в виде штырьков и цилиндров и гибкие выводы — металлические ленты и проволочки. Некоторые конструкции фотоэлементов второй группы представлены на рис. 13.2.
К характеристикам и параметрам рассматриваемых фотоэлементов предъявляются более жесткие требования, определяемые их назначением. Фотоэлементы должны обладать высокой стабильностью спектральных характеристик, линейностью световой характеристики, доста* точно большими значениями спектральной и световой чувствительности, высокой пороговой чувствительностью.
Третья группа включает в себя импульсные сильноточные фотоэле* менты, предназначенные для измерения параметров мощных потоков излучения, длительность которых может составлять десятые доли нано* секунды. Импульсные токи фотоэлемента могут достигать десятков ампер, а напряжение между электродами 一 нескольких киловольт. Такие приборы находят широкое применение в лазерной технике, ядер- ной физике, нелинейной оптике и в импульсной фотометрии.
Массивные фотокатоды сильноточных фотоэлементов наносятся на металлические пластины. Конструируются импульсные фотоэлементы
Рис. 13.3. Устройство некоторых типов импульсных сильноточных фотоэлементов: 7 - анод; 2 - фото катод
по принципу сверхвысокочастотных приборов. Малое расстояние между электродами и сильное электрическое поле обеспечивают небольшое время пролета электронов от фотокатода к аноду. Некоторые фотоэлементы имеют коаксиальный вывод, позволяющий включать фотоэлемент непосредственно в разъем коаксиального кабеля, согласованного с низкоомной нагрузкой. Устройство некоторых типов импульсных сильноточных фотоэлементов приведено на рис. 13.3.
ХАРАКТЕРИСТИКИ Й ПАРАМЕТРЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Спектральные характеристики фотоэлементов были рассмотрены в § 12.3. В паспорте прибора обычно указывается номер типовой характеристики относительной спектральной чувствительности и абсолютное значение максимальной спектральной чувствительности.
Вольт-амперные характеристики фотоэлементов. При освещении фотокатода эмиттируемые электроны образуют в пространстве между электродами о&ьемный заряд. Когда напряжение анода мало, потенциал пространства около катода отрицательный, т. е. имеет место режим о&ьемного заряда фотоэлемента. Для плоскопараллельной и цилиндрической системы электродов анодный ток фотоэлемента имеет зависимость от анодного напряжения, близкую к закону степени трех вторых. Анодный ток в фотоэлементе, как и в вакуумном диоде, появляется при небольшом отрицательном напряжении на аноде. Это объясняется наличием начальной кинетической энергии у ряда фотоэлектронов, позволяющей им преодолевать тормозящее поле анода.
Когда напряжение анода достигает определенного значения, анодный ток становится равным току фотоэмиссии и его рост почти прекращается. Напряжение насыщения зависит от конструкции фотоэлемента, типа фотокатода и от значения падающего потока излучения. Дальнейшее повышение напряжения приводит к очень слабому возрастанию фототока эа счет эффекта Шоттки и улучшения сбора электронов на анод. В фотоэлементах с полупрозрачным фотокатодом, имеющим большое продольное сопротивление (без проводящей подложки) ,при работе в импульсном режиме с большими потоками излучения насыщения фототока не происходит. Это связано с вторичной эмиссией электронов с удаленных от катодного ввода участков фотокатода, которые при протекании тока вдоль слоя приобретают положительный потенциал. Разность потенциалов между участками фотокатода может достигать значения, при котором коэффициент вторичной эмиссии будет больше единицы. На рис. 13.4, а приведено семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента с массивным фотокатодом, а на рис. 13.4, б — фотоэлемента с высоким продольным сопротивлением фотокатода.
Световые характеристики фотоэлементов, работающих в режиме насыщения, в соответствии с законом Столетова линейны. При боль-
157
Рис. 13.4. Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлементов:
а - фотоэлемента с массивным фотокатодом типа СЦВ; б - фотоэлемента с полупрозрачным фотокатодом, обладающим высоким продольным сопротивлением
ших потоках излучения световая характеристика отклоняется от прямой, что объясняется образованием объемного заряда или утомлением фотокатода. За предел линейности световой характеристики принимается значение анодного тока, при котором отклонение от прямой пропорциональности фототока падающему потоку излучения не превышает заданного значения. У фотоэлементов, работающих в непрерывном режиме, предел линейности не превышает КГ4 А. В импульсном режиме облучения при высоких напряжениях анода это значение доходит до десятков ампер.
По аналогии с электронными лампами по семейству вольт-амперных и световых характеристик фотоэлемента можно определить чувствительность и внутреннее сопротивление % прибора соответственно как тангенс угла наклона световой характеристики и котангенс угла наклона вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.
Сопротивление нагрузки может включаться в цепь анода или фотокатода. При заданной ЭДС источника питания сопротивление нагрузки выбирается таким, чтобы рабочая точка Л лежала в пределах области насыщения вольт-амперных характеристик (рис. 13.5). В этом случае рабочая световая характеристика фотоэлемента с нагрузкой будет совпадать со статической, т. е. оставаться линейной в пределах измеряемых потоков.
Чувствительность по напряжению (вольтовая чувствительность) фотоэлемента с нагрузкой, работающего в режиме насыщения при & » Rh, равна
SU = S&h・
Частотная характеристика. Частотные свойства фотоэлемента определяются временем пролета электронов от фотокатода к аноду и временем перезарядки паразитной междуэлектродной емкости через сопро-
Рис. 13.5. Связь между вольт-амперными и световыми характеристиками фотоэлемента
тивление нагрузки (временем схемной релаксации). Время пролета электронов зависит от расстояния между электродами и от напряжения анода. В импульсных сильноточных фотоэлементах с малыми междуэлектродными расстояниями и высокими анодными напряжениями время пролета не превышает 1СГ11 - 1СГ10 с. В других фотоэлементах оно составляет 1СГ9 — 1СГ8 с.
Если частотные свойства определяются переходными процессами в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление нагрузки, то граничная частота прибора /гр, при которой чувствительность уменьшается в раз, находится из известного соотношения
/гр= 1/(2 呜,к&н)・ (13.1)
Сопротивление нагрузки импульсных сильноточных фотоэлементов составляет несколько десятков ом, а междуэлектродная емкость — единицы пикофарад, поэтому граничная частота таких приборов доходит до 109 Гц. Емкость анод—катод фотоэлементов первой и второй групп составляет несколько десятков пикофарад, и их граничная частота в основном зависит от сопротивления нагрузки.
Временное разрешение фотоэлемента определяет минимальный временной интервал между двумя очень короткими импульсами, при котором они могут быть раздельно зарегистрированы. Искажение формы импульсов тока на аноде фотоэлементов вызывается как переходными процессами в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление нагрузки, так и разбросом времени пролета электронов от фотокатода к аноду. На практике используют значения временного разрешения, определяемые временем нарастания фронта анодаого тока при подаче на фотокатод ступеньки потока излучения, или минимальной длительностью выходного импульса тока по уровню 0,1 (иногда 0,5) максимального (рис. 13.6).
Рис. 13.6。Характер изменения фототока при работе прибора в импульсном режиме: 〃 -переходная характеристика; 6 — импульсная характеристика
Стабильность чувствительности фотоэлементов. При *подаче на фото-貝 элемент, включенный в цепь источника питания, потока излучения происходит изменение его чувствительности (как правило, спад).三 Через некоторое время значение чувствительности стабилизируется и j может полностью или частично восстановиться после выключения ис-《 точника излучения или источника питания прибора. Нестабильность 1 чувствительности во времени, называемая утомлением, зависит от типа j фотокатода, технологии изготовления фотоэлемента и режима его ； работы.犬
Необратимое изменение чувствительности при хранении фотоэле мен- тов, называемое старением, связано с изменением свойств фоточув- 扌 ствительного слоя. Характер старения, как и процесса утомления,，彳 определяется типом фотокатода, технологией изготовления фотоэле- 片 мента, состоянием вакуума в баллоне.j
Темновой ток фотоэлемента имеет два основных компонента: ток ； термоэлектронной эмиссии фотокатода и ток утечки между электро- 讨 дами. Ток автоэлектронной эмиссии фотокатода может иметь сравнимое { с названными компонентами значение при напряжениях анода около I нескольких киловольт. При столь высоких напряжениях работают толь-； ко сильноточные фотоэлементы, для которых уровень темнового тока ,， не имеет существенного значения.•
Ток термо эмиссии фотокатода, занимающего у фотоэлемента большую площадь, при комнатной температуре достигает значений 1СГ11 — 16"'° А. В связи с тем, что эта компонента определяется типом фото-: катода и технологией его получения, уменьшение термотока возможно только путем снижения температуры или уменьшения размеров фотокатода.
Рис. 13.7. Схемы включения фотоэлемента с охранным кольцом
Ток утечки по наружной и внутренней сторонам стекла колбы, а также по цоколю при рабочих напряжениях 200-300 В имеет значение в пределах 1СГ9 — 1(Г7 А. Для повышения сопротивления изоляции при конструировании фотоэлементов увеличивают расстояние между вводами, а на наружную поверхность баллона наносят влагостойкое покрытие. В конструкции фотоэлементов, предназначенных для измерения очень малых потоков, предусмотрено охранное кольцо, вваренное в баллон между выводами ф°токатода и анода. Этот электрод соединяют с отрицательным или положительным полюсом источника питания в зависимости от того, в катодную или анодную цепь фотоэлемента включен измерительный прибор или сопротивление нагрузки (рис. 13.7). Благодаря охранному кольцу ток утечки не протекает через измерительный прибор.
Эффективным способом снижения темновых токов является использование балансных (мостовых) схем включения фотоэлемента. На рис. 13.8 показана схема балансного электрометрического катодного повторителя с фотоэлементом во входной цепи. Напряжение от протекания темнового тока через резистор &i на входе левой лампы компенсируется на выходе таким же напряжением, которое возникает от протекания тока затемненного фотоэлемента через резистор & на входе правой лампы. Изменение влажности и температуры окружающей среды вызывает одинаковое изменение темновых токов в двух плечах балансной схемы, поэтому измерительный прибор не реагирует на эти изменения. При отсутствии измеряемого потока потенциометром &б производится начальная установка измерительного прибора на нуль.
Для выделения полезного сигнала из темнового тока иногда применяется модуляция измеряемого потока излучения с помощью оптического затвора, например вращающегося диска с прорезями. Модулированный с некоторой частотой ток сигнала легко выделяется путем фильтрации из медленно меняющегося темнового тока. При не обходи мости сигнал после фильтра может быть восстановлен в первоначальный вид с помощью детектирования.
Пороговый поток фотоэлемента, включенного во входную цепь усилительного каскада, определяется чувствительностью фотоэлемента к потоку данного спектрального состава и суммарным шумовым током
Рис. 13.8. Схема балансного электрометрического катодного повторителя с фото-f элементом во входной цепи
во входной цепи усилителя. Очень слабый фототок обычно не подца- j ется прямым измерениям, и требуется его предварительное усиление, j Для этого в цепь фотоэлемента включается высокоомный резистор, ? напряжение сигнала с которого поступает на усилитель с высоким вход-：； ным сопротивлением.?
Среднеквадратическое значение суммарного шумового напряже-； ния на входе усилителя с фотоэлементом равно сумме среднеквадрати- J ческих значений отдельных независимых составляющих；
诵=五孟,др + кьф + ^Мк，]
где 吃,др,以盂,ф и йщ/^ - соответственно среднеквадратические значе-] ния дробового шума, фликкер-шума и теплового шума, вносимого у си- ? литепем.J
Вносимый усилителем шум определяется тепловым шумом нагрузоч- j ного резистора Rn фотоэлемента и шумами активного элемента усили-[ теля, например электро метрической лампы, которые равны тепловому ； шуму его эквивалентного шумового сопротивления R1n экв (см.' §21)：'；
恥=4WW(RJ Rm,g)・：
При измерении фотоэлементом слабых, потоков всегда выполняется неравенство Кн > ^ш,экв> поэтому можно считать, что вносимые усилителем шумы будут определяться только тепловым шумом сопротив- j пения нагрузки.
Если частота модуляции регистрируемого потока излучения превышает несколько десятков герц и фликкер-шумом можно пренебречь ; по сравнению с дробовым шумом фотоэлемента, то среднеквадратиче- | ское значение суммарного шумового напряжения будет|
^ = 2е/вых^Д/ + 4kTRH£,f,1
где『вых — суммарный ток, протекающий на выходе фотоэлемента.
162I
Ток /вых включает в себя токи от воздействия измеряемого потока Ф, фонового потока ФфН, а также темновой ток /тем：
^вых =①S + ① фн$фн + 'тем，
где S и 5фН — чувствительности фотоэлемента к измеряемому и фоновому потокам излучения соответственно.
При измерении фотоэлементом потоков излучения, близких к пороговому, в отсутствие фоновых засветок темновой ток за счет термоэлектронной эмиссии фотокатода значительно превосходит ток от измеряемого потока, поэтому /вых ★ /тем.
Если обеспечить режим работы фотоэлемента, при котором шумы, вносимые усилителем, окажутся много меньше собственных шумов фотоэлемента
4kTRH^f《2〃тем储△『，(13.2)
то прибор будет обладать нацлучшей пороговой чувствительностью. Такой оптимальный режим работы фотоэлемента для измерения предельно слабых потоков обеспечивается при высоком сопротивлении нагрузки. Из (13.2) получаем
4ем&н》2кТ/е.
При комнатной температуре 1кТ/ е =0,05 В и условие оптимального режима работы фотоэлемента приобретает следующий вид:
3 0,05//тем.(13.3)
Пороговый поток фотоэлемента, работающего в оптимальном режиме, будет определяться только собственным шумом фотоприемника и согласно (11.17) может быть найден
Ф“=寸2叫 емАГ/5・(13.4)
При наличии фоновой засветки пороговый поток увеличится
^п,фн 二 \^2е(/тем+ &4＞口5力口) A//S.
Увеличение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению граничной частоты модуляции сигнала [см. (13.1)], поэтому на практике оптимальный режим обеспечивается только при измерении медленно меняющихся потоков. Однако в этом случае нужно учитывать фликкер-шумы фотоэлемента.
В общем случае, когда вьшолнить неравенство (13.3) не представляется возможным, пороговый поток фотоэлемента определяется выражением
①口 = 7^^+ 4kT^/RH/S.
Пороговые потоки измерительных фотоэлементов с малыми темновыми токами достигают 1(ГГ5 — 1(Г16 им.
Контрольные вопросы и задания
Опишите основные конструкции вакуумных фотоэлементов в зависимости от их назначения.
Объясните ход вольт-амперных характеристик фотоэлементов.
Какие факторы ограничивают предел линейности световой характеристики фотоэлементов?
Как выбрать сопротивление нагрузки фотоэлемента, чтобы фототок был пропорвдонален падающему на фотокатод потоку?
Что такое утомление и старение фотоэлементов?
Какие существуют методы уменьшения темнового тока фотоэлементов? Покажите схему включения фотоэлемента с охранным кольцом.
Какой режим работы фотоэлемента называется оптимальным при регистрации предельно малых потоков? Приведите выражение для порогового потока.
Почему наилучшую пороговую чувствительность фотоэлемента удается реализовать только при низкой частоте модуляции потока?
Глава четырнадцатая
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — это электровакуумные приборы, в которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посредством вторичной электронной эмиссии.
При измерении очень слабых потоков излучения выходной сигнал фотоэлементов приходится усиливать. Пороговый поток фотоприем- ного устройства с фотоэлементом, как было показано в § 13.2, во многом зависит от оптимального согласования фотоэлемента с входной цепью усилительного устройства, что часто связано со значительными трудностями. Такие важные параметры фотоприемного устройства, как широкополосность и порог чувствительности, в значительной мере определяются параметрами усилителя. Поэтому на практике очень редко удается реализовать предельные возможности электровакуумного фотоэлемента.
Существенными преимуществами при измерении слабых сигналов обладают ФЭУ, в которых фотоэлемент сочетается с встроенным в общий баллон усилителем фототока. Для усиления тока используются эмиттеры вторичных электронов — диноды. Усилитель тока, построен- 164
ный на динодах, называют вторично-электронным умножителем. Он состоит из ряда последовательно расположенных динодов, каждый из которых имеет потенциал более высокий, чем предыдущий. Напряжение между любыми динодами должно быть достаточным для того, чтобы коэффициент вторичной эмиссии о был больше единицы. Вторичноэлектронный умножитель можно' использовать в приборах с любым источником первичных электронов, но наиболее широкое распространение он получил в ФЭУ.
Схематическое изображение ФЭУ приведено на рис. 14.1. Основными элементами конструкции ФЭУ являются катодная камера, умножитель- ная система (вторично-электронный умножитель), анод и баллон. Катодная камера включает в себя фотокатод 7 и электронно оптическую систему 2, обеспечивающую сбор электронов со всей поверхности фотокатода на первый данод 3 умножительной системы. Электронный поток, количество электронов в котором увеличивается по мере движения от динода к диноду, пройдя у множительную систему, поступает на анод 4, представляющий собой металлическую лластину, штырь или мелкоструктурную сетку. Баллон ФЭУ — это, как правило, стеклянный цилиндр, с одной стороны которого находится оптическое окно, а с другой — многоштырьковая ножка. Приваренные к электродам ФЭУ вводы могут иметь гибкие или жесткие наружные части. На боковую поверхность баллона ФЭУ иногда наносят светонепроницаемое покрытие, защищающее фотокатод и диноды от внешних засветок. Напряжение на электроды ФЭУ подается через делитель, встроенный или внешний, входящий в блок питания ФЭУ.
Поток излучения, падающий на фотокатод, частично поглощается и вызывает фотоэлектронную эмиссию. Эмиттируемые электроны ускоряются и фокусируются в катодной камере на первый динод. Часть электронов не попадает на поверхность динода из-за несовершенства электронно-оптической системы катодной камеры. Эффективность сбора фотоэлектронов 7K на первый динод представляет собой отношение количества электронов, достигающих первого динода, к числу электронов, эмиттированных фотокатодом. При пролетах меж-
ду динодами часть электронов также рассеивается. Отношение числа | электронов, эмиттированных с динода и участвующих в процессе далм| нейшего умножения, к полному числу электронов, вылетевших с ди-寻 иода, называется эффективностью каскада усиления ?. Поверхность^ первого динода с коэффициентом вторичной эмиссии s бомбардируют ； в единицу времени 7кмк электронов, поверхность второго динода с ко ： эффициентом вторичной эмиссии и2 — TK«K7i ai электронов. На третий ' динод попадают Тк^кХтХб электронов и т. д. Количество электро-； нов, достигающих анода ФЭУ, равно произведению
«а= «к7„ 口 *，
где т— число динодов; q — коэффициент вторичной эмиссии i -га динода; п - эффективность i -го каскада усиления.
Произведение т, % называется коэффициентом усиления каскада. Принимая во внимание, что анодный ток /& =еиа, ток фотокатода /к = =еик, а у современных ФЭУ 7к « 1, получаем выражение для коэффициента усиления ФЭУ
М = /а〃к= П О；・. Z = 1
Если предположить, что коэффициенты усиления всех каскадов одинаковы, т. е. Oi =о2 =• • -o,h = 72 = • • •= 7)получим
М =(")吗
У множительная система современных ФЭУ включает в себя от 7 до 14 динодов, имеющих коэффициент вторичной эмиссии от 3 до 8. Эффективность сбора каскада усиления ФЭУ лежит в пределах 0,7— 0,95. Коэффициент усиления ФЭУ в зависимости от их назначения может быть от 103 до 108. Среднее значение выходного (анодного) тока ФЭУ, как правило, не превышает нескольких миллиампер. Для того чтобы ток динодов, протекая через сопротивления делителя, не приводил к заметному изменению напряжения между каскадами, сопротивления резисторов в делителе не должны быть очень большими,- Поэтому на практике задаются током делителя, в 10—100 раз превышающим ток последнего дано да.”
ЭФФЕКТИВНЫЕ ЭМИТТЕРЫ ВТОРИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Эффективными эмиттерами вторичных электронов являются материалы, обладающие высоким коэффициентом вторичной эмиссии при сравнительно небольших энергиях первичных электронов. От материа- 166
ла эмиттера требуется термостойкость, его свойства не должны изменяться при электронной бомбардировке. Термоэлектронная эмиссия динодов, влияющая на уровень темнового тока, должна быть по возможности малой.
По аналогии с массивными и полупрозрачными фотокатодами эмиттеры вторичных электронов также могут работать на отражение» когда вторичные электроны эмиттируются навстречу первичным, и на прострел —первичные электроны бомбардируют одну сторону тонкого эмиттера, а вторичные электроны выходят с другой стороны. Подавляющее большинство промышленных ФЭУ имеют диноды, работающие на отражение. Они бывают двух видов: пленочные и сплавные. В пленочных эмиттерах активный слой наносится обычно путем напыления на металлическую подложку. Для эмиттеров используются те же материалы, что и для большинства фотокатодов; в частности, широкое применение нашли Sb—Cs-эмиттеры на никелевых пластинах, имеющие и=4+5 при энергии первичных электронов 100 эВ. Более высоким коэффициентом вторичной эмиссии обладают многощелочные эмиттеры, например у Na2KSb (Cs) -эмиттеров а ^7.
Основными недостатками этих эмиттеров является высокая фото- чувствительность и малая допустимая плотность тока, не превышающая единиц микроампер с квадратного сантиметра. Фоточувствитель* ность динодов (в основном первого) особенно нежелательна для сол- нечно-слепых ФЭУ, которые часто работают в условиях интенсивного освещения (см. § 12.3). В этом случае весьма перспективным является теллуридо-цезиевый эмиттер, имеющий такой же коэффициент вторичной эмиссии, как Sb—Cs-эмиттер, но фоточувствительность к дневному свету у него близка к нулю.
В сплавных эмиттерах эмиттируюхций слой получается в результате термической обработки и окисления поверхности сплавов на основе меди, серебра или алюминия с присадкой магния или бериллия. Во время прогрева атомы щелочных металлов диффундируют на поверхность и окисляются, образуя пленку окиси толщиной около 100 нм. Коэффициент вторичной эмиссии сплавных эмиттеров о = 3 ^ 4, допустимая плотность тока в несколько раз выше, чем у Sb—Cs-эмиттеров.
Появление эмиттеров вторичных электронов из материалов с отрицательным электронным сродством позволило существенно улучшить ряд основных параметров ФЭУ. В качестве ОЭС-материалов используются в основном фосфид галлия и кремний. Коэффициент вторичной эмиссии фосфида галлия, активированного цезием, при энергии первичных электронов 100 эВ составляет приблизительно 5-7 и линейно возрастает с увеличением напряжения, ускоряющего первичные электроны, до тех пор, пока глубина проникновения первичных электронов в материал эмиттера не окажется больше глубины выхода вторичных
электронов.
Эмиттеры, работающие на прострел, представляют собой тонкие пленки толщиной около 10 нм из окиси магния, хлористого калия и др. Проводящей подложкой пленок служит алюминиевая фольга, зо- лото. Иногда подложка выполняется в виде мелкоструктурной сет~ ки. Общими недостатками этих эмиттеров, ограничивающими их приме- нение, являются малая плотность допустимых токов (десятые доли микроампер на квадратный сантиметр) 5 недостаточная механическая прочность и необходимость использования высоких ускоряющих на- пряжений для получения таких же значений коэффициента вторичной эмиссии, как у эмиттеров, работающих на отражение.
КОНСТРУКЦИЯ КАТОДНЫХ КАМЕР И УМНОЖИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Катодные камеры. Конструкция катодной камеры ФЭУ должна обеспечивать максимальный сбор электронов с поверхности фотокатода и изохронность траекторий фотоэлектронов, т. е. одинаковое время пролета электронов, эмиттируемых с разных точек фотокатода, до первого данода. Изохронность траекторий определяет временное разрешение ФЭУ, которое является важным параметров приборов, предназначенных для регистрации коротких импульсов.
Подавляющее большинство современных ФЭУ имеют полупрозрачный фотокатод, сформированный на торцевой поверхности баллона. Массивные фотокатоды в ФЭУ применяются редко. В этом случае фото- чувствительный слой наносится на металлическую подложку, по конструкции обычно не отличающуюся от каскада у множительной системы.
Размеры поверхности полупрозрачных фотокатодов, как правило, значительно превышают площадь динода у множительной системы. Фокусировка электронов с фотокатода на первый динод осуществляется с помощью электронно-оптической системы. На рис. 14.2 представлено несколько конструкций катодных камер ФЭУ. В катодной камере с боковым оптическим входом и массивным фотокатодом (рис. 14.2, а) сетка экранирует прикатодную 'область от потенциала внутренней поверхности баллона.
Широкое распространение имеет простой вариант конструкции катодной камеры, приведенный на рис. 14.2, б. Электронно-оптическая система состоит из поверхности фотокатода, электрически соединенного с ним металлического цилиндра (манжеты), который можно изготовить напылением на стенку колбы проводящего слоя, и диафрагмы с отверстием, находящейся под положительным потенциалом относительно катода. Оптимальная фокусировка получается при отношении даа- метра к длине манжеты, равном 1,1. Электронный пучок с фотокатода в этом случае сжимается в области диафрагмы в 10 раз.，
Для получения максимальной изохронности траекторий фотокатоды делают сферической формы и вводят дополнительные электроды, 168'
0・0・
0・
0・
Рис. 14.2. Конструкция катодных камер ФЭУ:
а - с боковым оптическим входом; 6 - с торцевым оптическим входом и плоским фотокатодом; в ~ с торцевым оптическим входом и сферическим фотокатодом
расположенные между фотокатодом и диафрагмой (рис. 14.2, в). В целях уменьшения темнового тока в катодную камеру может быть введен управляющий электрод, напряжение на котором меняет размер рабочей поверхности катода.
У множительные системы иа дискретных динодах. Как и катодные камеры, каскады умножительной системы должны обладать эффективностью и обеспечивать изохронность траекторий электронов. Кроме того, конфигурация последних динодов и их электрическое поле должны быть такими, чтобы в междукаскадаом промежутке и перед анодом не возникал объемный заряд, который приводит к нелинейности световой характеристики ФЭУ.
У множительные системы на дискретных динодах бывают двух видов: системы с электростатической фокусировкой электронов и системы сквозного типа.
Умножительные системы с фокусировкой электронов имеют коробчатые, ковшеобразные и торовидные диноды (рис. 14.3). Коробчатые диноды представляют собой четвертую часть закрытой с торцов поверхности цилиндра (рис. 14.3, а). Для повышения эффективности в каждом диноде устанавливается сетка, находящаяся под потенциалом этого динода. Коробчатые умножительные системы обладают компактностью и жесткостью формы, высокой эффективностью каскада (до 95%). Из-за малой напряженности электрического поля у поверхности динодов система имеет плохое временное разрешение. Наличие сквозного канала от анода к фотокатоду может привести к возникновению ионной и оптической обратных связей. Ионы и фотоны, образующиеся в каскадных промежутках и на аноде ФЭУ, могут попасть обратно на фотокатод и вызвать эмиссию электронов. Для перекрытия сквозного канала на динодах вместо сеток иногда устанавливаются козырьки.
Умножительные системы с ковшеобразными динодами обеспечивают большую напряженность электрического поля и лучшую фокусиров- 169
Рис. 14.3. Умножительные системы с фокусировкой электронов :
а - с коробчатыми динодами； б, в - с ковшеобразными динодами (в — с компенсацией разброса времени пролета электронов); z — с торовид* 切0В ными динодами
5) ку электронных пучков, чем коробчатые. Установка перед динодами дополнительных ускоряющих электродов, имеющих потенциал одного из последующих динодов, повышает временное разрешение ФЭУ (рис. 14.3, б).
Для повышения изохронности траекторий применяется система с компенсацией разброса времен пролета электронов (рис. 14.3, в). Сильное ускоряющее поле перед динодом 乌 создается сетками, имеющими потенциал динода Di +2，Форма и расположение динодов подбираются таким образом, чтобы более длинной траектории электронов соответствовала более высокая скорость их движения.
Диноды торовидных у множительных систем представляют со» бой поверхности вращения линий сечения ковшеобразных динодов (рис. 143, г). Эти системы состоят из динодов двух типов: наружных, у которых эмиттирующей поверхностью является внутренняя, и внутренних —с наружной эмиттирующей поверхностью. Торовидные системы обладают рядом преимуществ перед системами на коробчатых и ковшеобразных динодах. Сбор электронов на первый динод облегчается благодаря большей площада входного отверстия диафрагмы; отсутствие острых боковых краев снижает вероятность появления тока автоэлектронной эмиссии при повышении каскадных напряжений. Возможность стабильной работы при высоких напряжениях, в свою очередь, улучшает временное разрешение ФЭУ. Большая рабочая поверхность динодов позволяет получить значительный выходной ток прибора. Торовидные системы нашли применение в в ысокочастотных ФЭУ с фотокатодом больших размеров..
У множительные системы сквозного типа могут быть построены на жалюзийных, сетчатых и пленочных динодах. Траектории электронов в таких системах пересекают плоскость динода. Недостатком динодов-
дамидамиРис. 14.4. У множительная система с жалюзийными диноРис. 14.4. У множительная система с жалюзийными диноно домно дом
дами
дами
Рис. 14.4. У множительная система с жалюзийными дино
Рис. 14.4. У множительная система с жалюзийными дино
но дом
но дом
сеток является низкая эффективность каскада (примерно 50%). Умно- жительные системы на пленочных динодах, работающих "на прострел", не нашли пока применения в ФЭУ, хотя используются в электроннооптических прео бр азов ател ях.
Широкое распространение получили системы с жалюзийными динодами. Эмиттирующей поверхностью таких динодов является ряд тонких пластин, наклоненных под определенным углом к плоскости основания данода (рис. 14.4). На диноде укрепляется прозрачная для электронов сетка, имеющая потенциал динода. Сетка улучшает структуру электрического поля в междукаскадном промежутке. Жалюзийная система характеризуется отсутствием специальной фокусировки электронов в пространстве между динодами. Поэтому ФЭУ с жалюзийными динодами малочувствительны к влиянию внешних магнитных полей и не очень критичны к режиму питания. Световая характеристика ФЭУ с такими динодами имеет широкий диапазон линейности. Большая площадь данодов позволяет работать при повышенных токовых нагрузках. Основным недостатком таких у множительных систем является возможность пролета электронов через какие-либо каскады без умножения, что снижает эффективность каскадов усиления и ухудшает временное разрешение ФЭУ.
У множительные системы иа распределенных динодах. Весьма перспективными являются у множительные системы, имеющие непрерывный динод с распределенным сопротивлением. Электрические выводы наносятся на торцевые поверхности динода. Потенциал поверхности такого динода непрерывно возрастает от фотокатода к аноду. Широкое применение находят системы с динодом в виде круглого канала (трубки) из диэлектрика (рис. 14.5) , внутренняя поверхность которого покрыта эмиттирующим слоем с высоким сопротивлением. В качестве материала трубки часто используется высокосвинцовистое стекло, у которого после термической обработки в атмосфере водорода образуется слой окиси свинца. Сопротивление такого динода 107 一 108 Ом, коэффициент вторичной эмиссии 3,5 —4,5 лри энергии первичных электронов 300 эВ.
Рис. 14.6. У множительная система с двумя микроканальными пластинами
Электроны с фотокатода влетают в канал под некоторым углом и бомбардируют поверхность динода. Вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля и ударяются о стенку канала в области более высокого потенциала. Таким образом происходят многократные соударения электронов со стенками канала. Коэффициент усиления канального электронного умножителя достигает значения 108. Он зависит от вторично-электронных свойств покрытия канала, приложенного напряжения и калибра трубки, который равен отношению длины трубки к ее диаметру. Оптимальным значением калибра канала является 50—100.
Прямоканальные умножители не позволяют получить усиление, превышающее 105 5 из-за возникновения ионной и оптической обратных связей. Для устранения этого явления трубку изгибают, в частности придают ей форму спирали.
Недостатками у множительных систем с распределенным динодом является большой разброс времен пролета электронов и очень малые выходные токи. Для обеспечения линейности световой характеристики анодный ток должен быть много меньше тока, протекающего через высокоомный слой распр ед еленно го эмиттера вторичных электронов. Влияние разброса времен пролета электронов на временное разрешение ФЭУ может быть уменьшено, если сократить общее время пролета электрона в канале, т. е. уменьшить длину канала.
Для повышения быстродействия ФЭУ и снижения его габаритных размеров используются сотовые конструкции распределенных у множительных систем, так называемые микроканальные пластины (МКП). 172
Рис. 14.7. Устройство и схема включения гибридного ФЭУ
Они представляют собой матрицы с множеством параллельных каналов умножения. При диаметре канала 15—20 мкм толщина пластины не превышает 1—2 мм. Время пролета электронов в МКП может быть меньше одной наносекунды, в то время как в дискретных системах умножения она составляет несколько десятков наносекунд. Очевидно, что абсолютное значение разброса времен пролета очень мало. Для уменьшения ионной и оптической обратных связей и повышения коэффициента усиления у множительная система строится на двух последовательно расположенных МКП, каналы в которых наклонены к продольной оси ФЭУ на некоторый оптимальный угол (рис. 14.6). Системы на двух МКП позволяют получить коэффициент усиления 107 и в 100 раз снизить токи обратных связей.
Применение умножительных систем на МКП позволило создать миниатюрные быстродействующие ФЭУ, обладающие высокой механической прочностью.
Гибридные (вакуумно-полупроводниковые) ФЭУ. Эти приборы имеют у множительную систему в виде включенного в запирающем направлении полупроводникового диода с мелкозалегающим от поверхности электронно-дырочным переходом (рис. 14.7). Между фотокатодом / и диодом 2 подается высокое ускоряющее напряжение около 10 кВ. Фотоэлектроны бомбардируют полупроводник, вызывают ионизацию атомов и появление свободных зарядов, число которых определяется энергией фотоэлектронов % и энергией ИА , затрачиваемой на образование одной пары электрон-дырка. Коэффициент усиления умножитель- ной системы приблизительно равен отношению М 弋 ％/ 弘，его значение в гибридных ФЭУ с кремниевым диодом составляет 103.
Достоинством гибридных ФЭУ являются быстродействие (длительность фронта выходных импульсов составляет десятые доли наносекунд) и возможность получения больших выходных токов, плотность которых достигает десятков ампер на сантиметр квадратный. Недостатками являются высокие напряжения питания, небольшой коэффициент усиления и сложность обеспечения технологических режимов обра
ботки.
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ФЭУ
Спектральные характеристики ФЭУ, как и спектральные характеристики фотоэлементов, определяются типом применяемого фоток^то- да. Тип спектральной характеристики и абсолютное значение спектральной чувствительности фотокатода SeM на определенной длине волны указывают в паспорте на ФЭУ.
Характеристики и параметры ФЭУ, измеренные при постоянных значениях потоков излучения и прикладываемых к электродам напряжений, называют статическими. Способность ФЭУ регистрировать им
пульсные потоки излучения характеризуют импульсные параметры.
Статические характеристики и параметры ФЭУ. Спектральной чувствительностью ФЭУ называется отношение анодного тока к падающему на фотокатод монохроматическому потоку излучения.
Световая анодная чувствительность ФЭУ — отношение анодного тока
к световому потоку источника тапа А. Анодная чувствительность ФЭУ
равна чув ствительно сти фотокатода, умноженной на коэффициент у си- •
пения, т. е. световая анодная чувствительность Sv =MSVK, а спектральная чувствительность ФЭУ Se\ = MS§M・ Анодная чувствительность
измеряется при равномерном освещении всей поверхности фотокатода. Если последовательно освещать различные точки фотокатода узким
пучком, то можно выявить неравномерность чувствительности по поверхности фохо катода.
Зависимость чувствительности от координат точки освещения называется зонной характеристикой. На рис. 14.8 приведена зонная характеристика одного из приборов, измеренная по диаметру фотокатода. Изменение чувствительности ФЭУ при освещении различных участков фото катода обусловлено неравномерностью чувствительности фото- эмиссионного слоя и неодинаковостью сбора электронов с разных точек фотокатода на первый динод.
Световая характеристика ФЭУ — зависимость анодного тока от потока излучения при постоянном напряжении питания. При небольших потоках излучения световые характеристики линейны. Отклонение от линейности характеристик по мере роста потока излучения в статическом режиме определяется в основном утомлением динодов при протекании значительных токов. Если напряжение между последним динодом и анодом окажется слишком малым, например, при слишком большом сопротивлении нагрузки, то возможно возникновение объемного заряда перед анодом. Это также приводит к нелинейности световой характеристики. В импульсном режиме предел линейности световой характеристики может составлять несколько ампер. Чтобы предотвратить переход ФЭУ в режим объемного заряда, необ
ходимо повышать напряжения на последних каскадах умножения.
На рис. 14.9 приведено семейство статических световых характеристик ФЭУ при различных напряжениях питания. Чувствительность ФЭУ
при различных напряжениях питания может быть определена как тангенс угла наклона световой характеристики.
Зависимость анодной чувствительности от напряжения питания ФЭУ показана на рис. 14.10. С увеличением напряжения чувствительность, пропорциональная коэффициенту усиления ФЭУ, растет по степенному закону. Скорость роста (наклон характеристик) зависит от вторично- эмиссионных свойств динодов и числа каскадов умножительной системы. В паспортах ФЭУ обычно указывают фикжрованные напряжения питания, соответствующие номинальным значениям световой анодной чувствительности: 1,3,10, 30,100 А/лм
Анодная характеристика ФЭУ показывает зависимость анодного тока (или анодной чувствительности) от напряжения между анодом и последним динодом. На рис. 14.11 изображено семейство анодных характеристик ФЭУ при различных потоках излучения и неизменном напряжении на каскадах усиления. Крутой, участок характеристики соответствует режиму объемного заряда, который образуется между анодом и последним динодом. При увеличении напряжения прибор переходит в режим насыщения, который является рабочим режимом ФЭУ. При выборе сопротивления нагрузки необходимо обратить внимание на то, чтобы рабочая точка не выходила за пределы области насыщения характеристик (рис. 14.11).
Темновой ток ФЭУ имеет следующие составляющие:
усиленней умножительной системой ток термоэлектронной эмиссии фотокатода, электродов катодной камеры и первых одного-двух динодов (вклад токов термоэмиссии остальных динодов мал, так как эти токи проходят меньше каскадов усиления);
ток автоэлектронной эмиссии динодов, который также может усиливаться умножительной системой;
ток утечки между анодом и остальными электродами;
токи, вызванные ионной и оптической обратными связями (эти токи условно относятся к темновым, так как их значение определяется плотностью электронного потока в ФЭУ).
Рис. 14.11. Анодные характеристики потока излученияРис. 14.11. Анодные характеристики потока излученияРис. 14.10. Зависимость световой анодной чувствительности ФЭУ от напряжения питаю^
Рис. 14.11. Анодные характеристики потока излучения
Рис. 14.11. Анодные характеристики потока излучения
Вклад в темновой ток анода каждой из перечисленных составляющих зависит от электрического режима работы ФЭУ. Все темновые токи растут при увеличении напряжения питания ФЭУ. На рис. 14.12 представлены зависимости суммарного темнового тока и световой анодной чувствительности ФЭУ от подаваемого напряжения питания. При небольших напряжениях (область I ), когда коэффициент усиления ФЭУ мал, основной составляющей является ток утечки, который пропорционален .напряжению питания. Ток от полезного угнала, пропорциональный анодной чувствительности, растет с увеличением напряжения по степенному закону, т. е. быстрее роста темнового тока. В области II основной вклад в темновой ток дает термоэлектронная эмиссия фото- катода и электродов катодной камеры. Скорости роста темнового тока и сигнала в этой области одинаковы. В области III темновой ' ток в основном определяется автоэлектронной эмиссией, которой характерна очень резкая зависимость от напряжения.
Возможности ФЭУ принимать слабые сигналы зависят как от значения темнового тока, так и от значения анодной чувствительности. Для оценки влияния темнового тока на отношение сигнал—помеха этот ток приводят к входу прибора.
Световой fэнергетический) эквивалент темнового тока — это световой поток (поток излучения), падающий на фотокатод ФЭУ и вызывающий анодный ток, равный темновому току
①у зкв - /тем/Sy •
Очевидно, что для получения наибольшего отношения сигнал—по-- меха Фр /Ф% экв необходимо выбрать режим работы ФЭУ, при котором
Рис. 14.12. Зависимость световой анодной чувствительности и темнового тока от напряжения питания
Рис. 14.13. Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питанияРис. 14.13. Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питаниясветовой эквивалент темнового тока будет наименьшим. На рис. 14.13 приведена зависимость Фг экв = f(U), полученная путем деления ординат кривых, представленных на рис. 14.12. Максимальное отношение сигнал—помеха соответствует области II графика функции /тем = = /(0-
Рис. 14.13. Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питания
Рис. 14.13. Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питания
Для снижения темнового тока ФЭУ используют те же способы, что и доя уменьшения темнового тока фотоэлемента.
Пороговый поток ФЭУ зависит от чувствительности к потоку излучения данного спектрального состава и суммарного шумового тока на выходе прибора. Среднеквадратическое значение дробового шума на выходе ФЭУ можно найти по формуле
^>ДР = 2е1кМ\В + 1)Д/,
где /к — ток фотокатода, равный сумме токов от воздействия измеряемого и фонового потоков, а также тока термоэлектронной эмиссии; 1 + 5 — фактор шума, характеризующий вклад, вносимый в уровень дробового шума у множительной системой.
Дробовой ток создает на сопротивлении нагрузки напряжение шума, среднеквадратическое значение которого
陪再 р = 2eIKM\B + l)^f.
При расчетах фактор шума, как правило, принимают равным 2,5.
Суммарный шум на выходе ФЭУ является суммой средаеквадрати- ческих значений дробового шума, теплового шума нагрузки и шума активного элемента усилителя
% = 2е/к〃2(8 + 1)皤△/+ 4кТ*н + Кш,зкв) АЛ
Шумом активного элемента усилителя можно пренебречь, так кйк обычно Кн» Кт чкп. /
Условие оптимального режима работы ФЭУ, при котором шумы, вносимые усилителем, оказываются много меньше собственных цту- мов ФЭУ, можно найти из неравенства /
2е%М(В + 1)欠必f > 4kTRn^f.
При измерении потоков излучения, близких к пороговому, в отсутствие фоновых засветок основной составляющей тока фотокатода является его темновой ток (ток термоэлектронной эмиссии). Тогда можно записать условие оптимального режима в виде
0,05"2 (В + 1Нк,тем0,05"2 (В + 1Нк,тем
0,05
"2 (В + 1Нк,тем
0,05
"2 (В + 1Нк,тем
В отличие от фотоэлемента [см. (13.3)] это условие выполняется при любых используемых на практике сопротивлениях нагрузки (начиная с сопротивлений, превышающих несколько десятков ом). Поэтому высокая пороговая чувствительность ФЭУ реализуется в широком частотном диапазоне. Пороговый поток ФЭУ на основании (11.17) можно вычислить по формуле
\/2е/к,темМ”(8 + ])ДГ
(14.1)(14.1а)(14.1)(14.1а)Ф" = s—
(14.1)
(14.1а)
(14.1)
(14.1а)
или =.
где §к - чувствительность фотокатода.
Сравнивая выражения для пороговых потоков фотоэлемента (13.4) и ФЭУ (14.1), можно отметить, что при выполнении условия оптимального режима фотоэлемент имеет лучшую пороговую чувствительность, однако она реализуется только на очень низких частотах модуляции потока.
Для удобства расчетов преобразуем (14.1) таким образом, чтобы входящие в него параметры можно было найти в паспорте прибора. Тогда формулу для расчета приведенного к единичной полосе частот порогового потока можно представить в виде
где 7тем - темновой ток анода ФЭУ, /тем = /к,тем^- 178
\ Если заданы световые чувствительности анода Sv и фотокатода ，к, то пороговый световой поток источника типа / Фуп,Л будет из- - “ряться в лм • Гц-1^2.
；При наличии фоновой засветки приведенный пороговый поток мож- 血 найти по формуле
.фп1
V 7темзнг.а к
где 5фн - чувствительность ФЭУ к фоновому потоку излучения. “
Ц.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЭУ
Щирокое применение ФЭУ нашли в ядерной физике в качестве элемента сцинтилляционного счетчика. Счетчик состоит из сцинтиллятора — вещества, высвечивающего при поглощении ионизирующего излучения, ФЭУ, преобразующего вспышки сцинтиллятора в короткие электрические импульсы, и регистрирующего устройства, измеряющего количество импульсов в единицу времени или их амплитуду. Число вспышек в сцинтилляторе про по рцио нал ьно количеству поглощенных частиц, а интенсивность вспышек — энергии частиц.
Эффективность применения ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках характеризуется следующими параметрами: амплитудным разрешением, временным разрешением и энергетическим эквивалентом собственных шумов.
Собственное амплитудное разрешение. Флуктуахщи процесса фотоэлектронной и вторичной эмиссии диодов приводят к тому, что вспышкам одинаковой интенсивности на входе будут соответствовать электрические импульсы различной амплитуды на выходе ФЭУ. Собственное амплитудное разрешение ФЭУ — это способность различать близкие по интенсивности световые импульсы. Для оценки системы сцинтиллятор-ФЭУ используется параметр ^энергетическое разрешение”, который показывает способность различать близкие по энергии кванты гамма-излучения. Очевидно, что этот параметр во многом зависит от собственного амплитудного разрешения ФЭУ, которое определяется двумя основными характеристиками — интегральным и дифференциальным спектрами амплитуд. .
Интегральный спектр амплитуд характеризуется зависимостью скорости поступления импульсов на выходе ФЭУ (скорости счета) от амплитуды импульсов «ими =/(4)・ Ординате %乂口 каждой точки графика соответствует скорость счета импульсов, амплитуда которых превышает заданное пороговое значение %. Импульсы на выходе ФЭУ реги-
Рис. 14.14. Интегральные амплитудные спектры идеального и реального ФЭУ
Рис 14.15. Дифференциальные амплитудные спектры идеального и реального ФЭУ
стрируются электронным устройством с регулируемым порогом чув-， ствитёльности — амплитудным дискриминатором, который пропускает только импульсы с амплитудой, превышающей заданное значение порогового напряжения. На рис. 14,14 приведены интегральные спектры идеального (кривая У) и реального (кривая 2) ФЭУ. Идеальным считаем ФЭУ, у которого отсутствуют флуктуации фотоэлектронной и вторичной эмиссии и коэффициент усиления не претерпевает мгновенных изменений. При подаче на вход такого ФЭУ световых импульсов одинаковой интенсивности все импульсы на выходе будут равны по . амплитуде.
Для оценки собственного амплитудного разрешения ФЭУ чаще поль-, зуются дифференциальным спектром амплитуд — графиком зависимо-， сти скорости счета импульсов с амплитудой, укладывающейся в небольшой интервал, от амплитуды импульсов d%Mn/dU = /(^Мп)- Дифференциальный спектр измеряется одно- и многоканальными амплитудными анализаторами (дифференциальными дискриминаторами). На выходе такого устройства появляется стандартный импульс, если входной сигнал попадает в заданный интервал амплитуд. В одноканальном дифференциальном дискриминаторе напряжение дискриминации можно регулировать, но при этом установленная ширина канала (интервал амплитуд) не должна изменяться. На рис. 14.15 показаны дифференциальные спектры идеального (график 7) и реального (кривая 2) ФЭУ. Разброс амплитуд характеризуется наклоном (крутизной) границы интегрального спектра или шириной дифференциального спектра. Собственное амплитудное разрешение R ФЭУ выражается в процентах и находится как отношение ширины кривой дифференциального распределения анодных импульсов ^U (рис. 14.15), определяемой на полувысоте этой кривой, к наиболее вероятной амплитуде распределения при облучении фотокатода вспышками одинаковой интенсивности
R= S0S - 100.
Таким же образом определяется энергетическое разрешение системы сцинтиллятор —ФЭУ при облучении моноэнергетически ми части-
цами. Наилучшее энергетическое разрешение на практике не превосходит 7%, причем собственное амплитудное разрешение ФЭУ составляет приблизительно 4%.
Временное разрешение ФЭУ, как и фотоэлемента, характеризуется группой параметров: временем нарастания фронта между уровнями ОД—0,9 значения амплитуды, шириной импульсов на половине высоты или по основанию на уровне 0,1 амплитуды (см. рис. 13.6).
Энергетический эквивалент собственных шумов — это энергия гамма-излучения %, вызывающая в системе сцинтиллятор—ФЭУ импульсы с амплитудой, определяемой по уровню собственных шумов. Этот параметр, характеры зующий пороговую чувствительность системы сцинтиллятор—ФЭУ, выражается в единицах энергии ядерных излучений по аналогии с единицами пороговой чувствительности при оптических измерениях. Энергетический эквивалент собственных шумов ФЭУ вычисляют по формуле
%1 =畋％/4мп,ср，
где 畋一энергия моноэнергетического излучения эталонного сцинтиллятора; %мп,ср - средняя амплитуда импульса на выходе ФЭУ при попадании частицы с энергией 歐；Un — порог дискриминатора при заданной скорости счета (обычно 50 имп/с) шумовых импульсов ФЭУ без сцинтиллятора.
Вместе с И4n необходимо указать скорость счета шумовых импульсов и тип используемого сцинтиллятора.
Одноэлектронные характеристики ФЭУ. Очень большой коэффициент усиления ФЭУ позволяет регистрировать на выходе сигналы, вызванные одиночными электронами, эмиттируе мы ми фотокатодом. Действительно, каждый электрон, проходя у множительную систему, приводит к появлению у анода заряда еМ. Средняя амплитуда импульса на анодной нагрузке равна
4мп,ср = еМ]С,
где С - емкость цепи анода, включающая междуэлектродную емкость ФЭУ и емкость, вносимую электронной схемой регистрации.
Амплитуда выходных импульсов, вызванных одиночными электронами с фотокатода, составляет десятки—сотни милливольт, поэтому эти импульсы могут быть без труда зарегистрированы с помощью измерительной аппаратуры.
При измерении сверхслабых световых сигналов возможны два способа использования ФЭУ в измерительной аппаратуре: 1) измерение среднего значения анодного тока, 2) измерение средней частоты следования импульсов анодного тока, вызванных одиночными фотонами, падающими на фотокатод.
Рис. 14.16. Счетные характеристики идеального и ного ФЭУ
Эффективность работы ФЭУ в режиме счета ] фотонов оценивается по следующим его харак-" теристикам: счетной характеристике — эависи-= мости скорости счета импульсов от напряжения -! питания ФЭУ /мп =/(0 при неизменном поро- j говом напряжении дискриминатора, амплитудно-； му распределению шумовых импульсов при по- j стоянием напряжении питания и стабильности 1 уровня шумов во времени при фиксированных j напряжении питания и пороговом напряжении : дискриминатора.
Счетная характеристика ФЭУ. Если ФЭУ считать идеальным прибором, то каждый электрон, вышедший с фотокатода, создает в анодной цепи импульс тока, обусловленный зарядом еМ. При малом напряжении питания амплитуда выходных импульсов ФЭУ оказывается ниже порогового напряжения дискриминатора и импульсы не будут поступать в счетчик. По мере увеличения напряжения питания растет коэффициент усиления ФЭУ. Когда амплитуда выходных импульсов достигнет порогового напряжения, все импульсы, создаваемые эмиттиро- ванными с фотокатода электронами, будут зарегистрированы. При дальнейшем повышении напряжения скорость счета не изменится. Счетная характеристика идеального ФЭУ представлена на рис. 14.16 (кривая 1).
Из-за флуктуации коэффициента усиления реальных ФЭУ даже при небольших напряжениях питания могут появляться на выходе импульсы с амплитудой, превышающей пороговое напряжение дискриминатора. Участок Л на рис. 14.16 (кривая 2) соответствует ситуации, когда усиление недостаточно для регистрации каждого электрона, вышедшего из фотокатода. На участке Б (плато счетной характеристики) регистрируется каждый электрон, эмиттированный из фотокатода. Когда напряжение питания превысит некоторое значение, наблюдается резкое увеличение скорости счета импульсов, вызванное интенсивным развитием обратной связи и автоэлектронной эмиссии. Такой режим относится к участку В счетной характеристики. Рабочей областью напряжений питания ФЭУ является участок Б.
Для того чтобы не предъявлять очень жестких требований к стабильности напряжения питания, для работы в режиме счета фотонов выбираются ФЭУ, имеющие плато на счетной характеристике.
Скорость счета импульсов полезного сигнала определяют вычитанием из показаний счетчика скорости счета темновых импульсов, образованных электронами термоэлектронной эмиссии фотокатода. Использование ФЭУ в режиме счета импульсов позволяет несколько улучшить пороговую чувствительность по сравнению с режимом измерения среднего анодного тока.
Применение ФЭУ. Области применения ФЭУ весьма обширны. Наиболее широко эти приборы используются в сцинтилляционных счетчиках, приемниках лазерного излучения (светолокаторах, линиях связи, лазерных дальномерах), космической аппаратуре (устройствах астроориентации), измерительной технике.
Контрольные вопросы и задания:
Приведите схематическое изображение ФЭУ и поясните принцип его работы. Изобразите схему включения ФЭУ.
Какие эмиттеры вторичных электронов применяются в у множительных системах ФЭУ?
Сформулируйте требования, предъявляемые к катодным камерам и у множительным системам. Проведите сравнительный анализ различных конструкций у множительных систем на дискретных динодах.
Какие преимущества и недостатки имеют у множительные системы на распределенных динодах? Что дает применение МКП?
Приведите основные характеристики и параметры ФЭУ, объясните ход характеристик.
Объясните природу темнового тока ФЭУ и его зависимость от напряжения питания. Что такое световой эквивалент темнового тока?
Объясните природу шумов ФЭУ. Приведите выражение для расчета порогового потока.
Почему с помощью ФЭУ можно регистрировать очень малые потоки, модулированные с высокой частотой, а с помощью электровакуумного фотоэлемента не удается?
Какими параметрами характеризуется эффективность применения ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках?
Что такое одноэлектронные характеристики ФЭУ?
Часть четвертая
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Глава пятнадцатая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
'15.1. СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ
ЗЙКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
Электронно-лучевыми приборами (ЭЛП) принято называть группу электровакуумных приборов, действие которых основано на формировании и управлении интенсивностью и направлением электронных пучков.
В любом ЭЛП можно вьщелить следующие основные элементы: электронный прожектор — устройство, представляющее собой систему электродов, предназначенное для создания сфокусированного электронного луча. Более общим является понятие ^электронно-оптическая система” 一 совокупность электродов и внешних элементов ЭЛП, образующая электростатические и магнитные поля, формирующая электронный луч и управляющая им;
отклоняющая система — устройство, создающее магнитные и (или) электрические поля для отклонения электронного луча;
экран - конструктивный элемент ЭЛП, представляющий собой подложку (внутренняя сторона фронтального стекла баллона) с нанесенным на нее люминофором. Люминофор преобразует кинетическую энергию электронов луча в электромагнитное излучение в видимом диапазоне длин волн;
мишень — элемент ЗЛИ, на котором создается и хранится потенциал ы!ый рельеф (определенное распределение потенциала).
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛП
Современные ЭЛП выполняют в радиоэлектронной аппаратуре самые различные функции преобразования информации. С этой точки зрения многообразные ЭЛП принято классифицировать на следующие группы: приборы, осуществляющие преобразование электрических сигналов в оптическое изображение (приемные электронно-лучевые трубки — ЭЛТ); к ним относятся осциллографические трубки, индикаторные радиолокационные трубки, кинескопы - приемные телевизионные трубки, а также трубки, предназначенные для решения специальных задач, например вывода информации с ЭВМ;
приборы, преобразующие оптическое изображение в последовательность электрических сигналов (передающие ЭЛТ). К ним относятся и первые малочувствительные передающие трубки типа кинескоп и современные суперортиконы, видиконы и их модификации;
приборы, обладающие свойством хранить и считывать введенную информацию в течение определенного времени до ее стирания (запоминающие трубки). К ним прежде всего относятся потенциалоскопы, графеконы и др.;
приборы, позволяющие осуществлять перенос оптического изображения из одной спектральной области в другую или усиливающие яркость изображения (электронно-оптические преобразователи 一 ^рЛ). Приборы этого типа хотя и рассматривают совместно с элект^энно- лучевыми, но в них используют не сфокусированный, а широкий электронный поток.⑦
Глава шестнадцатая
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЖЕКТОРЫ
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОННЫМ ПРОЖЕКТОРАМ
Электронные прожекторы для ЭЛП должны удовлетворять следующим требованиям:
создавать в плоскости приемника электронный пучок необходимой плотности тока и возможно меньшего сечения;
ток в пучке должен плавно регулироваться от нуля до максимального значения;
электронный прожектор должен быть достаточно экономичным;
материалы, используемые для изготовления элементов прожектора, должны иметь хорошие вакуумные свойства.
В зависимости от назначения ЭЛП электронные прожекторы могут иметь весьма различающиеся характеристики. Так, ток луча может меняться от долей микроампера в передающих трубках до сотен микроампер в приемных трубках; диаметр пучка в плоскости приемника - от долей миллиметров в передающих трубках до единиц миллиметров в приемных (в зависимости от размера экрана), а ускоряющее напряжение может изменяться от нескольких сотен вольт для малогабаритных кинескопов и осциллографических трубок до десятков киловольт для проекционных кинескопов.
ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКА В ЭЛЕКТРОННОМ ПРОЖЕКТОРЕ
Современные прожекторы, как правило, строятся по двух- или трехлинзовой системе. Необходимость применения таких систем вытекает из анализа соотношения однолинзовой геометрической оптики,
185
Рнс. 16.1. К пояснению теоре- мм Лагранжа-Гельмгольца
известного в литературе под названием теоремы Лагранжа-Гельмгольца：
尸1小%=г2&72，
(16.1)
Это условие (теорема) связывает линейные размеры объекта ri и тцо^бражения г2 и углы расхождения 71 и схождения >? (рис. 16.1).
Заменив в (16.1) показатели преломления в области объекта / и изображения 小 соответственно величинами \/Ц и \/Щ, найдем радиус изображения на экране
(16.2)(16.2)「2 = (riTl/T2)，^W・
(16.2)
(16.2)
Из (16.2) видно, что для уменьшения радиуса пятна на экране г2 следует уменьшать размер объекта - катода 门，апертурный угол 力 или увеличивать отношение U2/U\^ Уменьшение 厂1 и 72 связано со снижением тока луча, что нежелательно. Отношение Uz/G ограничивается электрической прочностью прибора. Наконец, доя уменьшения “ можно было бы уменьшить отношение 力/七・ Однако в однолинзовой системе уменьшение 72 связано с приближением к линзе экрана, что, в свою очередь, приводит к резкому снижению чувствительности отклоняющей системы [см. (17.10) и (17.16)]. По этой причине прожекторы с одной линзой не применяются, а упомянутые выше противоречия устраняются в прожекторе, имеющем как минимум две линзы.
Схема формирования электронного пучка электронным прожектором с двумя линзами представлена на рис. 16.2. Под действием преломляющей силы первой линзы (иммерсионного объектива) электронные лучи, выходящие из точек а и б катода, сходятся в некоторой плоскости, где образуют электронное изображение катода а , 6’. В плоскости, проходящей через фокус К электронный пучок имеет наименьшее из всех сечений, называемое в литературе скрещением или кроссове- ром. Вторая линза отображает кроссовер в виде пятна на экране ЭЛТ.
Следует отметить, что первая линза должна не только фокусировать электроны, но и ускорять их. По этой причине она может быть только электростатической. Вторая линза прожектора может быть электростатиА ческой или магнитной.
Изображение катода
Рис. 16.2. Примерный характер траектории электронов и сечения электронного луча в электронно-оптической системе:
7 - катод; 2 — первая линза (иммерсионный объектив); 3 - вторая фокусирующая линза; 4 - экран
В ЭЛТ в зависимости от начальных скоростей электронов, гокй пучка и аберрации линз диаметр пятна составляет от десятков микромй^ ра до единиц миллиметра.
ТИПЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЖЕКТОРОВ
В электронных прожекторах с электростатической фокусировкой, как правило, используется оптическая система, где первой линзой является иммерсионный объектив, а второй — иммерсионная или одиночная линза. В некоторых ЭЛТ используются прожекторы, выполненные по трехлинзовой схеме: иммерсионный объектив — иммерсионная линза — одиночная линза. Такая схема позволяет уменьшить угол расхождения пучка на входе в одиночную (главную фокусирующую) линзу, что улучшает качество фокусировки прибора.
Простейший электронный прожектор (рис. 16.3, а) состоит из катода, модулятора, первого и второго анода (тетродная система).
Выше указывалось (§ 3.8), что в ЭЛТ применяются торцевые оксидные катоды косвенного накала. Модулятор выполняется в виде металлического цилиндра, перегороженного тонким диском с центральным отверстием в середине. На него чаще всего подается отрицательный потенциал (несколько десятков вольт) по отношению к катоду. Аноды выполняются в виде диафрагм, цилиндров. Для изготовления названных электродов применяется немагнитная сталь, константан, нихром.
Одним из недостатков тетродной системы является взаимосвязь между линзами. При изменении, например, фокусирующего напряжения на первом аноде изменяются оптические свойства не только второй, но и первой линзы, что приводит к изменению тока луча, и наоборот. Для устранения этого недостатка между модулятором и первым анодом помещается ускоряющий электрод, вьшолненный в виде металлического цилиндра с одной или несколькими диафрагмами и слу-
Рис. 16.3. Схемы прожекторов с электростатической фокусировкой:
а - тетрадного; 6 - пентодного; в - пентодного с нулевым током фокусирующего электрода; г - пентодного с нулевым потенциалом фокусирующего электрода; К - катод; М - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; / на? - соответствеиио первый и второй аноды; 3 - экран
жащий электростатическим экраном между первой и второй линзами (рис. 16.3,6).
В системе (рис. 16.3, в) первый анод представляет собой короткий цилиндр с большим отверстием, диаметр которого превышает диафраг- мы ускоряющего электрода и второго анода. По этой причине первый анод при любом его потенциале не перехватывает электроны пучка. Указанная конструкция получила название прожектора с нулевым током первого анода. Электроды такого прожектора можно питать от одного источника питания, что является его достоинством.
Разновидностью прожектора, рассмотренного выше, является прожектор с нулевым потенциалом фокусирующего электрода (рис. 16.3, г). Такой прожектор рассчитьшается так, что автоматически достигается фокусировка луча на экране. Из-за погрешностей, существующих при 188
рис. 16.4. Прожекторы с магнитной фокусировкой:
а - триодный; б - тетрадный; Л - анод; К - катод; М - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; МЛ 一 магнитная лииза
сборке прожектора, получить оптимальную фокусировку луча на экране в такой системе не удается. Поэтому в 'указанной конструкции предусматривают подрегулировку фокусирующего напряжения.
В прожекторах с электромагнитной фокусировкой первая линза электростатическая (иммерсионный объектив), а вторая 一 магнитная, создается полем короткой, обтекаемой током катушки.
Прожекторы с магнитной фокусировкой строят по триодной или тетродной схеме (рис. 16<4). В схеме (рис. 16.4, а) колебания анодного напряжения сильно влияют на изменение тока пучка, поэтому в таких прожекторах необходимо обеспечивать жесткую стабилизацию ускоряющего анодного напряжения.
В тетродном прожекторе (рис. 16.4, 6) между модулятором и анодом помещен ускоряющий электрод, потенциал которого относительно катода составляет несколько сот вольт.
Между анодом и ускоряющим электродом образуется иммерсионная линза, осуществляющая дополнительную фокусировку луча. Кроме того, при наличии между анодом и модулятором ускоряющего электрода, обладающего экранирующим действием, можно изменять в значительных пределах рабочее анодное напряжение, не влияя при этом на ток пучка.
Каждая из рассмотренных фокусирующих систем обладает определенными достоинствами и недостатками. Прожекторы с магнитной фокусировкой имеют большие габаритные размеры и массу, менее экономичны в эксплуатации, требуют стабилизации напряжений источников питания и, как правило, дают высокое разрешение при точной установке катушки на горловине трубки. Такие фокусирующие системы широко применяются в радиолокационных и в ряде специальных ЭЛП.
Прожекторы с электростатической фокусировкой, напротив, имеют малую массу и габаритные размеры и незначительное потребление энергии. Недостатком их является несколько меньшая разрешающая способность, чем разрешающая способность у электронных прожекторов с магнитной фокусировкой.
Указанные положительные качества обеспечили прожекторам с электростатической фокусировкой широкое распространение не только в осциллографических трубках, но и в современных кинескопах.
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК^ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЖЕКТОРОВ
Наиболее важной характеристикой электронного прожектора является модуляционная характеристика, показывающая зависимость тока катода или луча от напряжения, действующего между модулятором и катодом 厶，к при постоянных ускоряющих напряжениях (рис. 16.5).
Приближенное аналитическое выражение этой характеристики имеет вид:
УКУК(16.3)(16.3)
УК
УК
(16.3)
(16.3)
где & f ток катода; К — постоянная (для данной конструкции прожектора) ,называемая коэффициентом качества; 7 — показатель степени (для данного прожектора — величина переменная); (4ап — запирающее напряжение; 厶，к - напряжение модулятора относительно катода.
Запирающее напряжениеЗапирающее напряжениеВеличиньГЦап(t4an - ^.к), К и > являются параметрами прожектора. Рассмотрим эти параметры.
Запирающее напряжение
Запирающее напряжение
% ап — разность потенциалов между моду
лятором и катодом; при котором ток в цепи катода составляет заданное малое значение (обычно 1 мкА).
Запирающее напряжение для трехзлектродной электронноюптиче- ской системы (рис. 16.6) определяется по приближенной формуле Гайне:
Цап 也 0,034%Цап 也 0,034%(%-5)2(%-5)2(16.4)(16.4)
Цап 也 0,034%
Цап 也 0,034%
(%-5)2
(%-5)2
(16.4)
(16.4)
где Лм - диаметр отверстия диафрагмы модулятора; 6 - толщина диафрагмы; JK>M — расстояние между катодом и модулятором; ^м,а — расстояние между модулятором и анодом; 4 - ускоряющее напряжение.
Напряжение модуляции (модуляция) — это напряжение на управляющем электроде, вызывающее изменение яркости или тока луча от уровня запирания до заданного значения (рис. 16.5) : 1
(16.5)(16.5)△厶0口 二 4a11 -瓜，к,ном，
(16.5)
(16.5)
Так как модуляция зависит от запирающего напряжения, то ее значение определяется также геометрическими размерами прожектора. Пара-
Рис. 16.5. Модуляционная характеристика электронного прожектораРис. 16.5. Модуляционная характеристика электронного прожектора
Рис. 16.5. Модуляционная характеристика электронного прожектора
Рис. 16.5. Модуляционная характеристика электронного прожектора
метр модуляция определяет крутизну модуляционной характеристики трубки
S = m/耽。口
Очевидно, чем меньше А^од, тем круче модуляционная характеристика и тем меньший потребуется уровень видеосигнала для получения качественного изображения на экране ЭЛТ,
Уменьшения напряжения модуляции можно до&пъся, переходя от сеточной модуляции к катодной. В первом случае видеосигнал подается на модулятор ЭЛТ (рис. 16.7,а), во втором — на катод (рис. 16.7,6), а потенциал модулятора при этом остается неизменным.
Отметим, что при сеточной модуляции изменяется только напряжение между модулятором и катодом. При катодной модуляции одновременно с этим изменяется напряжение между ускоряющим электродом и катодом на значение модулирующего сигнала. Из рис. 16.7,6 видно, что напряжение сигнала《складывается с напряжением, поданным на ускоряющий электрод, увеличивает общую разность потенциалов ускоряющий электрод—катод. Последнее обстоятельство приводит к увеличению крутизны модуляционной характеристики трубки.
Очевидно, что катодная модуляция может заметно повысить крутизну модуляционной характеристики лишь в электронных прожекторах с малым напряжением ускоряющего электрода.
Следует отметить, что в современных цветных кинескопах (см. § 19.5) с щелевод маской и компланарной электронноюптической системой (ЭОС) принципиально возможно использовать только катодную модуляцию, так как модуляторы прожекторов ЭОС обычно соединены между собой.
Коэффициент качества катода К, характеризующий эмиссионную способность катода прожектора, определяется по формуле
公/…必瞪， (16.6)
191
-闘-闘Рис. 16.7. Схемы сеточной (а) и катодной (б) модуляции::Uy 一 напряжение на ускоряющем электроде; Uc - напряжение видеосигнала jРис. 16.7. Схемы сеточной (а) и катодной (б) модуляции::Uy 一 напряжение на ускоряющем электроде; Uc - напряжение видеосигнала j
-闘
-闘
Рис. 16.7. Схемы сеточной (а) и катодной (б) модуляции::
Uy 一 напряжение на ускоряющем электроде; Uc - напряжение видеосигнала j
Рис. 16.7. Схемы сеточной (а) и катодной (б) модуляции::
Uy 一 напряжение на ускоряющем электроде; Uc - напряжение видеосигнала j
где 1ктах 一 максимальный ток катода при нулевом значении напряже- |
ния на модуляторе.
Выражение для модуляционной характеристики (16.3) в более общем 专
(16.7)|(16.7)|виде можно записать:
(16.7)|
(16.7)|
/к (4) % К (△厶°д) *
где К - постоянный для данной конструкции коэффициент, зависящий可 от свойств катода, геометрии и потенциалов электродов прожектора; ：| 7 — показатель степени, характеризующий кривизну модуляционной * J характеристики.j
Из (16.3) и (16.7) следует, что кинескоп является нелинейным эле-1 ментом. Дня компенсации этой нелинейности в видеотрактах телевизи* j онных центров вводят 7-корректор. Дня обеспечения качественного цве* товоспроизведения изображения коэффициент 7 в пределах рабочей ча・个 сти модуляционной характеристики не должен превышать допустимых ； значений. Так, для кинескопа 61ЛКЗЦ значение 7 в условиях сеточной ； модуляции нормируется в пределах 2,6—3,3.鼻
Прологарифмировав уравнение (16.7) , получим!
电4a) = 7电△4。д + IgK.；
Выражение 7 = (^ZK - IgK)/电△/()口 называется 7-характеристикой прожектора. По этой характеристике можно определить рабочий участок, в пределах которого 7 отвечает предъявленным требованиям.
НАГРУЗКА КАТОДА
В ЭЛТ управление током катода при изменении потенциала модулятора происходит за счет изменения: напряженности электрического поля и отрицательного пространственного заряда у катода (аналогичное： действие на ток оказывает управляющая сетка в электронных лампах); рабочей поверхности катода, у которой создается ускоряющее поле.
рис. 16.8. Распределение плотности тока по поверхности катода при различных потенциалах модулятора
МодуляторМодуляторПод нагрузкой катода понимают мак-/ / /\\\
Модулятор
Модулятор
симальную плотность тока, приходящего- / // \\\^ ся на единицу его эмиттирующейповерх- 、/ //、、、 а
НОСТИ. Экспериментальные исследования Поверхность катода乙
показывают, что катод нагружен нерав
номерно: в центре плотность тока максимальная, а к краям она уменьшается (рис. 16.8).
1/21/21 + д (1 - t)1 + д (1 - t)(16.8)(16.8)Радиус рабочей поверхности катода определяется выражением
1/2
1/2
1 + д (1 - t)
1 + д (1 - t)
(16.8)
(16.8)
(16.9)(16.9)(16.10)(16.10)Жс,м/Км)=Жс,м/Км)="к，м j +^к,м/&м"к，м j +^к,м/&м
(16.9)
(16.9)
(16.10)
(16.10)
Жс,м/Км)=
Жс,м/Км)=
"к，м j +^к,м/&м
"к，м j +^к,м/&м
где Км - радиус отверстия модулятора; ' 一 управляющее напряжение (безразмерный параметр), характеризующее электрический режим прожектора (рис. 16.6),
『二(4о - & ,м)/4о = △&/ 4о； о < / < 1,
где &,м - потенциал катода относительно модулятора (Ц^(к = 0, катодная модуляция); 4о — запирающее напряжение; а — коэффициент, определяемый так:
0,75 (1 + 0,2dKjM/&м)
f 0к,м/&М)
причем
Распределение плотности тока по поверхности катода характеризуется выражением
J(r) = J(0)9&,県，Rm)，
где 屮—безразмерный коэффициент, зависящий от радиуса рабочей поверхности катода гк, радиуса отверстия модулятора RM и расстояния между катодом и модулятором <7К>М；屮 изменяется от максимального значения плотности тока в центре катода J (0) до бесконечно малого значения на границе рабочей области катода (рис. 16.8).
Максимальная плотность тока в центре катода (г = 0), мкА/мм?； !
/ (0) = 2,33抬《2/3/2.(16.11) 1
/мм \ Км 人
На основании изложенного и рис- 16.8 вводят понятие среднего значения плотности тока с катода Jcp, определяемого соотношением
」ср = 0,47 (0).
При разработке электронно -оптических систем следует учитывать максимальную допустимую плотность тока катода, от которой зависит долговечность прибора. В частности, максимальная нагрузка оксидных катодов ЭЛТ не должна превышать 1—2 А/см2.
Контрольные вопросы и задания
Почему для фокусировки электронного луча применяются прожекторы, имеющие как минимум две линзы?
Нарисуйте схему электронного прожектора, состоящего из катода, модулятора, первого и второго анода. Как осуществляется регулировка тока электронного луча и его фокусировка?
Чем определяется размер пятна на экране электронно-лучевой трубки? Что такое скрещение (кроссовер)?
Сравните прожекторы с электростатической и магнитной фокуси- 一 ровкой. В каких ЭЛП применяются указанные системы фокусировки?
Что такое нагрузка катода и от каких факторов она зависит?
Глава семнадцатая
ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА
Во многих ЭЛП электронный луч необходимо отклонять, т. е. изменять. движение электронов, чтобы луч мог быть направлен на любые участки поверхности экрана. Для отклонения луча используются электрические или магнитные поля.
В зависимости от рода поля различают электростатические и магнитные отклоняющие системы (ОС), выполненные соответственно в виде отклоняющих пластин или отклоняющих катушек.
К отклоняющим системам предъявляется ряд общих требований: система должна иметь возможно большую чувствительность к отклонению, т. е. отклонение пучка обеспечивается при возможно малом отклоняющем факторе — напряжении на отклоняющих пластинах при электростатическом отклонении луча или тока, протекающего по катушкам (магнитном отклонении);
194
рис. 17.1. Отклонение электронного луча раллельными пластинами
система должна быть линейной, т. е. отклонение луча пропорционально отклоняющему фактору в любой части поверхности экрана;
система должна обеспечивать необходимый угол отклонения луча и по возможности не влиять на его фокусировку.
Простейшая электростатическая отклоняющая система состоит из двух плоских параллельных пластин (рис. 17.1).
Полагая, что поле между пластинами однородно и не выходит за пределы пластин, вычислим отклонение луча Л на экране. На рис. 17.1 обозначено: d — расстояние между пластинами; 厶-длина пластин; /2 - расстояние пластин до экрана.
Рассматривая в § 4.2 движение электрона в поперечном электрическом поле для случая, когда вектор начальной скорости v0 перпендикулярен вектору напряженности Е, мы получили уравнение траектории электрона вида
У= :Г*'。
2叫
Уравнение показывает, что в поле пластин электрон движется по параболе, направляясь к положительно заряженной пластине. По выходу из поля пластин электронный пучок смещается от оси Ох на
(17.1)
Подставляя в (17.1) значение Е~ U/d и
получаем
(17.2)(17.2)1\и
(17.2)
(17.2)
(173)195(173)195где U — отклоняющее напряжение, приложенное к пластинам; & — ускоряющее напряжение (разность потенциалов между катодом и вторым анодом). Отклонение Л2 определяется как
(173)
195
(173)
195
Л2 = %tga・
Тангенс угла а вычисляется из условия (рис. 4.3) tga= voy/vox,
где 卩0歹 一 вертикальная составляющая скорости v0； ^ок тальная составляющая скорости v0.
В направлении оси у электрон движется равноускоренно:
卩0)^ а" ，
Величины ау и t определяются уравнениями
а у = (Еуе)1те, Г = x/vox.
Тогда (17.5) можно записать в виде
г — еЕУ х
^ Vox '
(17.4)'(17.4)'горизон-горизон-(175)、(175)、(17.6)(17.6)卩叮卩叮£/ d£/ d(17.7)(17.7)Подставляя это значение в i его значение, получаем угол воначального направленияПодставляя это значение в i его значение, получаем угол воначального направления(17.4) и заменяя х на /(17.4) и заменяя х на /отклоненияотклонения1 и вместо 卩о%1 и вместо 卩о%траектории электрона от пер-траектории электрона от пер-tga= ~tga= ~Учитывая, что Еу = U/d. получаем
(17.4)'
(17.4)'
горизон-
горизон-
(175)、
(175)、
(17.6)
(17.6)
卩叮
卩叮
£/ d
£/ d
(17.7)
(17.7)
Подставляя это значение в i его значение, получаем угол воначального направления
Подставляя это значение в i его значение, получаем угол воначального направления
(17.4) и заменяя х на /
(17.4) и заменяя х на /
отклонения
отклонения
1 и вместо 卩о%
1 и вместо 卩о%
траектории электрона от пер-
траектории электрона от пер-
tga= ~
tga= ~
и, следовательно,
力2 =力2 =hhU^5"hhU^5"(17.8)(17.8)
力2 =
力2 =
hhU^5"
hhU^5"
(17.8)
(17.8)
Полное отклонение h равно:
h = hi+ h2 = —?L + %% _
S24d -
=1 If 11 f II\
или
, l\L
я = и
勿 4，(17.9)
ГДе 丄=/1 /2 + % — расстояние от центра пластин до экрана 196
Рис. 17.2. Конструкция отклоняющих пластин:а - косо поставленных; б - с изломом; в - оптимальныхРис. 17.2. Конструкция отклоняющих пластин:а - косо поставленных; б - с изломом; в - оптимальных
Рис. 17.2. Конструкция отклоняющих пластин:
а - косо поставленных; б - с изломом; в - оптимальных
Рис. 17.2. Конструкция отклоняющих пластин:
а - косо поставленных; б - с изломом; в - оптимальных
Для характеристики отклоняющей системы вводится параметр §откл - чувствительность трубки к отклонению, показывающий на сколько миллиметров сместится пятно в плоскости экрана при изменении отклоняющего напряжения U на 1 В.
Дня рассматриваемой системы (рис. 17.1) чувствительность равна
(17.10)(17.10)%ткл =h/U^liLI2dU&.
(17.10)
(17.10)
Чувствительность по отклонению современных ЭЛТ изменяется от 0,1 до 3 мм/В. Реальная чувствительность из-за действия краевых полей больше рассчитанной по (17.10) на 10—15%. Тем не менее чувствительность плоскопараллельных пластин (рис. 17.1) невелика.
Из (17.10) видно, что для увеличения чувствительности необходамо увеличивать длину пластин 厶 и уменьшать расстояние между ними d, но при этом уменьшится угол отклонения а. Дня увеличения угла а в электронно-лучевых трубках применяют косо поставленные, согнутые под углом или изогнутые пластины (рис. 17.2). Конструкция и расчет этих систем приведены в § 32.4.
МАГНИТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА
Для вертикального и горизонтального отклонения электронного луча магнитным полем используются две пары катушек В и Г, расположенных взаимно перпендикулярно друг другу и оси трубки (рис. 17.3,а). При протекании по ним тока образуются магнитные поля, под действием которых электронный луч будет перемещаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Катушки с магнитопроводом (внутренним или внешним) образуют отклоняющую систему, которая располагается на горловине баллона трубки. Внешний вид современных отклоняющих систем показан на рис. 32.6—32.9.
Определим отклонение h электронного луча поперечным магнитным полем короткой катушки. При этом предположим, что магнитное поле на участке отклоняющих катушек однородно и за пределами этого участка отсутствует (рис. 17.3,6).
К = /%/еВ,К = /%/еВ,(ПЛ) Используя выра-(17.12)(ПЛ) Используя выра-(17.12)(17.13)(17-14)(17.13)(17-14)(17.15)(17.15)
К = /%/еВ,
К = /%/еВ,
(ПЛ) Используя выра-
(17.12)
(ПЛ) Используя выра-
(17.12)
(17.13)
(17-14)
(17.13)
(17-14)
(17.15)
(17.15)
Рис. 17.3. К выводу чувствительности м; иого отклонения:
а - расположение катушек; клоиения
В § 4.3 (4.14) было показано,呐 электрон, влетающий в однородное магнитное поле со скоростью v0 под прцт； мым углом к вектору В движется по окружности, радиус которой равен:
где ?о — скорость, выраженная через ускоряющее напряжение,
Уо =7%и』те.
При выходе за пределы области а электрон движется прямолинейно, отклоняясь на угол а по отношению к оси х. Угол отклонения а со* гласно рис. 17.3,6 определяется как
М Rx sin а.
Считаем, что угол отклонения а мал, т. е, а 弋 sin а. жение для R и подставляя в него у。, получаем
а = а В 7 е/2%% •
Отклонение луча на экране
h = Ltg q.
Учитывая, что tga^ а, получаем приближенно h a La,
откуда
h 弋 LaB /С2Х_
V 2“％
где L = а/2 + / - расстояние от центра отклонения до экрана.；
Чувствительность магнитного отклонения (в миллиметрах на тес
лу) определяется отношением отклонения электронного луча к индукции магнитного поля:
(17.16)(17.16)Sotkji, м = Л/В = а£ \fTj2nlic q
(17.16)
(17.16)
Так как индукция магнитного поля пропорциональна току I в катушках и числу витков щ т. е. МДС катушки, то чувствительность трубки к отклонению, мм/А, равна
где 7 = 1/^— коэффициент, зависящий от геометрических размеров катушек и их конфигурации, для данной системы постоянный и определяемый эк спериментально.
Чувствительность 5М, как правило, составляет единицы миллиметров на ампер.
Оценим основные характеристики отклоняющих систем. Чувствительности электростатического и магнитного отклонения соответственно пропорциональны 1/% и 1“^, и, следовательно, при магнитном отклонении изменение ускоряющего напряжения & влияет на чувствительность в меньшей степени, чем при электростатическом. Этим объясняется более частое применение магнитных отклоняющих систем в высоковольтных трубках.
Индуктивности катушек электромагнитных отклоняющих систем ограничивают скорость изменения тока в катушках. Поэтому такие системы инерщюнны. Инерционность при магнитном отклонении начинает сказываться на частотах в несколько десятков килогерц, в то время как электростатические системы позволяют использовать диапазон частот до десятков—сотен мегагерц отклоняющих напряжении.
Чувствительность при магнитном отклонении зависит от отношения заряда к массе частицы, поэтому ионы, как более тяжелые частицы, будут отклоняться в магнитном поле меньше, чем электроны.
Существенным преимуществом магнитного отклонения являются меньшие аберрации. Это позволяет в несколько раз увеличивать угол отклонения и соответственно уменьшить длину трубки.
Электростатические отклоняющие системы более экономичны, они потребляют незначительную мощность от источника питания, имеют малые габаритные размеры и массу. Недостатком их является малый предельный угол отклонения и, как указывалось выше, зависимость чувствительности от ускоряющего напряжения.
Из сказанного следует, что каждая система обладает определенными достоинствами и недостатками. В одних случаях целесообразно использовать электростатическое отклонение, например в осциллографических трубках, в других, например в кинескопах, - магнитное.
ИСКАЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛОНЕНИИ
В § 4.4 были рассмотрены аберрации, связанные с кесовершенством электронных линз. Отклоняющие системы также вносят искажения
т©—- т 一 刀т©—- т 一 刀
т©—- т 一 刀
т©—- т 一 刀
窑為；4 Схемм несимметричного (。)и симметричного (б) включения откло：
электронного изображения. В ЭЛТ с электростатическим отклонением искажение изображений существенно зависит от способа подачи напряжения на отклоняющие пластины.
При несимметричном способе питания отклоняющее напряжение 仇ткл подается на одну пару пластин, а вторая пластина соединяется с анодом трубки (рис. 17.4, а). Отклоняющее поле в этом случае получается несимметричным относительно оси, а средний потенциал отличается от потенциала второго анода q на 土 £4гкл/2. Следовательно, чувствительность можно определить так:
5о；кл5о；кл2dU^ (1 ± 生吧2dU^ (1 ± 生吧•^откл1 土 UoTKn/2Ua•^откл1 土 UoTKn/2Ua- \ /Из формулы следует, что при положительном отклоняющем напряжении чувствительность падает, а при отрицательном — увеличивается. Если подать на горизонтальные пластины напряжение развертки, то луч будет перемещаться по экрану с неравномерной скоростью. В результате появятся нелинейные искажения, увеличивающиеся с увеличением отклоняющего напряжения.При несимметричном способе питания возникают также искажения, называемые трапецеидальными (на экране растр принимает форму трапеции) .Эти искажения обусловлены взаимным проникновением отклоняющих полей двух пар пластин. Дня их устранения между пластинами устанавливают электростатические экраны.Для устранения нелинейных и трапецеидальных искажений применяют симметричный способ питания отклоняющих пластин, при котором отклоняющие напряжения подаются на обе пластины, соединенные со- \ /Из формулы следует, что при положительном отклоняющем напряжении чувствительность падает, а при отрицательном — увеличивается. Если подать на горизонтальные пластины напряжение развертки, то луч будет перемещаться по экрану с неравномерной скоростью. В результате появятся нелинейные искажения, увеличивающиеся с увеличением отклоняющего напряжения.При несимметричном способе питания возникают также искажения, называемые трапецеидальными (на экране растр принимает форму трапеции) .Эти искажения обусловлены взаимным проникновением отклоняющих полей двух пар пластин. Дня их устранения между пластинами устанавливают электростатические экраны.Для устранения нелинейных и трапецеидальных искажений применяют симметричный способ питания отклоняющих пластин, при котором отклоняющие напряжения подаются на обе пластины, соединенные совторым анодом через высокоомныевторым анодом через высокоомные(рис. 17.4, б). В и не зависит от UQ(рис. 17.4, б). В и не зависит от UQ(1—10 МОм) резисторы(1—10 МОм) резисторызтом случае потенциал средней плоскости равен U&зтом случае потенциал средней плоскости равен U&
5о；кл
5о；кл
2dU^ (1 ± 生吧
2dU^ (1 ± 生吧
•^откл
1 土 UoTKn/2Ua
•^откл
1 土 UoTKn/2Ua
- \ /
Из формулы следует, что при положительном отклоняющем напряжении чувствительность падает, а при отрицательном — увеличивается. Если подать на горизонтальные пластины напряжение развертки, то луч будет перемещаться по экрану с неравномерной скоростью. В результате появятся нелинейные искажения, увеличивающиеся с увеличением отклоняющего напряжения.
При несимметричном способе питания возникают также искажения, называемые трапецеидальными (на экране растр принимает форму трапеции) .Эти искажения обусловлены взаимным проникновением отклоняющих полей двух пар пластин. Дня их устранения между пластинами устанавливают электростатические экраны.
Для устранения нелинейных и трапецеидальных искажений применяют симметричный способ питания отклоняющих пластин, при котором отклоняющие напряжения подаются на обе пластины, соединенные со
- \ /
Из формулы следует, что при положительном отклоняющем напряжении чувствительность падает, а при отрицательном — увеличивается. Если подать на горизонтальные пластины напряжение развертки, то луч будет перемещаться по экрану с неравномерной скоростью. В результате появятся нелинейные искажения, увеличивающиеся с увеличением отклоняющего напряжения.
При несимметричном способе питания возникают также искажения, называемые трапецеидальными (на экране растр принимает форму трапеции) .Эти искажения обусловлены взаимным проникновением отклоняющих полей двух пар пластин. Дня их устранения между пластинами устанавливают электростатические экраны.
Для устранения нелинейных и трапецеидальных искажений применяют симметричный способ питания отклоняющих пластин, при котором отклоняющие напряжения подаются на обе пластины, соединенные со
вторым анодом через высокоомные
вторым анодом через высокоомные
(рис. 17.4, б). В и не зависит от UQ
(рис. 17.4, б). В и не зависит от UQ
(1—10 МОм) резисторы
(1—10 МОм) резисторы
зтом случае потенциал средней плоскости равен U&
зтом случае потенциал средней плоскости равен U&
Искажения вида расфокусировка пятна связаны с конечными размерами сечения пучка в области отклонения (рис. 17.5). При отсутствии отклоняющего напряжения не отклоненный пучок фокусируется в пятно в центре экрана. При подаче отклоняющего напряжения часть пучка, проходящего вблизи пластины, имеющей положительный потенциал, будет ускоряться,
а следовательно, меньше ота следовательно, меньше отклоняться полем, чем противоположная часть пучка. Поэтому в плоскости экрана вместо пятна круглой формы образуется эллипс. Очевидно, размер эллипса (его большая ось) будет тем меньше, чем меньше диа
а следовательно, меньше от
а следовательно, меньше от
метр поперечного сечения пучка.
Следует отметить, что поля рассеяния, всегда возникающие у краев отклоняющих пластин, образуют электронные линзы, которые приводят к еще большей расфокусировке пучка. Особенно это проявляется при
несимметричном питании отклоняющих пластин.
Магнитным отклоняющим системам присущи также нелинейные искажения и дефокусировка пятна, обусловленные, прежде всего, неоднородностью отклоняющего поля. В целом искажения магнитных отклоняющих систем меньше электростатических, что объясняется неизменностью скорости электронов и большими размерами систем.
Незначительная дефокусировка пятна позволяет использовать маг- нитные отклоняющие системы в ЭЛТ с большим углом отклонения (110-114°).
Контрольные вопросы “ задания
Какие общие требования предъявляются к отклоняющим системам?
Что такое чувствительность трубки с электростатическим отклонением и от каких факторов она зависит?
Что называется чувствительностью трубки с магнитным отклонением луча? От каких факторов зависит эта величина?
Каким способом можно увеличить чувствительность отклоняющих систем?
Какая пара отклоняющих пластин используется для отклонения исследуемым сигналом?
Какое отклонение луча целесообразно использовать, магнитное или электростатическое, при больших ускоряющих напряжениях и почему?
Сравните электростатическое и магнитное отклонение луча. Назовите достоинства и недостатки отклоняющих систем.
Что такое симметричное и несимметричное включение отклб| няющих пластин и каковы преимущества симметричного способа! питания? 1
Глава восемнадцатая
ЭКРАНЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЮМИНОФОРОВ
Экраном называется конструктивный элемент ЭЛП, на котором воспроизводится оптическое изображение. Выше указывалось (§ 15.1), что экран состоит из подложки, на которую наносят люминофор. Слой люминофора преобразует кинетическую энергию электронного луча в . энергию излучения в видимой части спектра длин волн. Свечение люминофора под действием электронной бомбардировки называется катодолюминесценцией, а вещества, способные светиться при облучении их электронами, катодолюминофорами или просто люминофорами.
К люминофорам предъявляется ряд специальных требований. Прежде всего они должны иметь хорошие вакуумные свойства: обладать малой испаряемостью в вакууме, достаточной температуростойкостью и хорошо обезгаживаться. Люминофоры должны эффективно преобразовывать кинетическую энергию электронов в световое излучение. Кроме того, люминофоры должны обладать определенным спектральным составом, временем послесвечения и достаточной долговечностью.
Основными параметрами люминофоров являются: яркость свечения, цвет свечения, время послесвечения.
Яркость свечения экрана, кд/м2, - сила света, излучаемая 1 м2 экрана в направлении, перпендикулярном его поверхности. Яркость зависит от свойств люминофоров, а также условия их возбуждения, т. е. от плотности тока и скорости бомбардирующих экран электронов.
Значение яркости может быть определено эмпирической формулой:
B = AJ(Ua -и^п, (18.1) где / - плотность тока, А/см2; Ua — ускоряющее напряжение, В; % — потенциал возникновения свечения люминофора; Л - постоянный коэффициент, характеризующий люминофор; и - показатель степени, значение которого в зависимости от люминофора находится в интервале от 1 до 3.
Яркость современных кинескопов около 120-150 кд/м2. Дия характеристики эффективности экранов трубок по яркости введен параметр -световая отдача (светоотдача), определяемая как сила света /св в канделах на 1 Вт мощности луча:
(18.2)(18.2)刁一'св/Рз.Л •
(18.2)
(18.2)
рис. 18.1. Зависимость коэффициента вторичной
эмиссии экранов от напряжения, ускоряющего
первичные электроны
Светоотдача зависит от природы люминофора, его толщины, ускоряющего напряжения, плотности тока и других факторов. Значение световой отдачи для люминофоров, применяемых в современных ЭЛТ, колеблется от 0,14 до 10 кд/Вт.
Цвет свечения люминофора определяется его спектральной характеристикой излучения и зависит от его состава, характера обработки и активирующих примесей. В зависимости от назначения ЭЛП к его экрану предъявляются конкретные требования в отношении цвета свечения. Например, для кинескопов черно-белого телевидения требуется белый цвет свечения экрана, в цветном — необходимо получить основные, чистые цвета свечения: красный, зеленый и синий.
Для фотографирования изображения с экрана целесообразно использовать люминофоры с синим или голубым цветом свечения, как действующим более эффективно на фотоэмульсию, и т. д.
Время послесвечения экрана — интервал времени после окончания возбуждения люминофора, в течение которого яркость падает от первоначального значения 100% до 1%. По времени послесвечения люминофоры принято условно разделять на пять групп: очень короткое — менее 1СГ* с, короткое 1Ь$ - IT? с, среднее IT? - КГ1 с, длительное 1СГ1 — Юси очень длительное — более 16 с.
Потенциал экрана зависит от нескольких факторов: свойств люминофора, коэффициента вторичной эмиссии а и от ускоряющего напряжения.
На рис. 18.1 представлена типичная зависимость коэффициента вторичной эмиссии люминофора от ускоряющего напряжения (зависимость коэффициента о от напряжения рассмотрена в § 2.5).
На кривой имеются две характерные точки 4 я 5, в которых о = 1. Потенциалы UK1 и Uk2j соответствующие этим точкам, называются первым и вторым критическими потенциалами. В зависимости от соотношения потенциала экрана U3 и напряжений 厶】и &? поведение экрана при бомбардировке его электронами будет различным.
Вьщелим на кривой три характерных участка.
На первом участке 4 < 41(。< 1), поэтому число первичных электронов, поступающих на экран, превышает число выбиваемых, следовательно, экран зарядится отрицательно и в конечном счете, приобретет потенциал катода. Первичные электроны будут отражаться от поверхности экрана на анод (проводящее покрытие). Рассмот-
203
ренный случай на практике встречается редко. Напряжение 厶〔люминофоров соо工ветствует десяткам вольт.
На втором участке 1/кг < i/a < UK2 一 это реальный случай, имеющий место при работе ЭЛТ. Можно показать, что при таком условии установится равновесный потенциал экрана (4 凫 4) на 1—2 В больше потенциала анода. При этом яркость свечения экрана будет определяться потенциалом второго анода по (18.1).
На третьем участке при %> Ц<2 (коэффициент вторичной эмиссии а < 1) потенциал экрана будет снижаться до тех пор, пока а = 1, т. е. когда %= 4c2 •
Таким образом, при Ua > Uk2 потенциал экрана не зависит от анодного напряжения, т, е. повышение q выше критического потенциала не приводит к увеличению яркости. Величина UK2, определяющая максимальное значение напряжения, которое может иметь экран, называется его предельным потенциалом. Значение предельного потенциала зависит в основном от состава люминофора и находится в интервале 5—40 кВ. В целях увеличения предельного потенциала экрана его поверхность покрывают алюминиевой пленкой, электрически соединенной с анодом. Толщина алюминиевой пленки колеблется в пределах 0,1-0,5 мкм.
Алюминиевое покрытие, кроме указанного назначения, выполняет и другие функции： увеличивает светоотдачу за счет отражения в сторону наблюдателя излучения, испускаемого люминофором внутрь колбы. Тонкая металлическая пленка достаточно прозрачна для быстрых электронов, но почти не проницаема для тяжелых отрицательных ионов и, следовательно, ослабляет образование ионного пятна, т. е. повышает контраст изображения.
КАТОДОЛЮМИНОФОРЫ И ИХ ТИПЫ
Люминофоры, применяемые для изготовления экранов ЭЛТ, состоят из основного вещества (основы), активирующего вещества (активатора) и следов от плавней.
В качестве основы для люминофоров наиболее эффективными являются следующие химические соединения: сульфиды, силикаты, суль- фидч:еленвды, вольфраматы, фосфаты, окислы металлов. Кроме перечисленных соединений применяют также фториды, бориды, фторсиликаты галофосфаты, фторгерманаты и др. Каждая из перечисленных групп люминофоров обладает определенными достоинствами и недостатками. Так, сульфидные люминофоры обладают повышенной по сравнению с другими люмино фо рами светоотдачей. Однако они весьма чувствительны к очень не значительно му загрязнению посторонними веществами, резко снижающие параметры люминофоров.
Силикатные люминофоры обладают химической и термической устойчивостью, а также устойчивостью к электронной бомбардировке.
Световая отдача этих люминофоров несколько ниже, чем сульфидных.
Оксидные люминофоры обладают высокой устойчивостью к электронной бомбардировке. Цвет свечения этого люминофора сильно зависит от характера его обработки.
Из всех классов люминофоров фторидные имеют наиболее длительное послесвечение. Их недостатком является низкая устойчивость к электронной бомбардировке.
Активаторами являются медь, серебро, олово, марганец, титан и др. Их вводят в люминофор в чрезвычайно малой концентрации: в количестве тысячных или десятитысячных долей грамма на каждый грамм основного вещества. Количество и химический состав активатора определяют основные параметры люминофора: световую отдачу, цвет свечения, время послесвечения.
Плавни - легкоплавкие вещества (типа КС1, MgCl2), добавляемые в шихту люминофора для уменьшения температуры сплавления основного вещества с активатором. После процесса кристаллизации люминофора плавни должны быть удалены из него.
Химический состав люминофора обозначается следующим образом: на первом месте записывают химическую формулу основного вещества, а затем, после точки или двоеточия — активатор. Например, запись ZnS • CdS : Ag означает, что люминофор представляет собой сульфид цинка — кадмия, активированный серебром.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЭКРАНОВ
Как указывалось выше, экраны черно-белых кинескопов должны иметь белый цвет свечения. Для получения такого цвета применяется двухкомпонентная смесь, состоящая из люминофора с голубым цветом свечения (БЗ-С) и желтым свечением (БЗ-Ж). Спектральная характеристика излучения такого экрана приведена на рис. 18.2.
Проекционные кинескопы работают при высоких плотностях тока пучка (на площади, занятой неподвижным пятном, выделяется мощность около 103 Вт/мм2). Поэтому к экранам, используемым в этих трубках, предъявляются требования высокой устойчивости при бомбардировке электронным пучком. В качестве желтого компонента белого экрана проекционных трубок используется люминофор К-57 (Zn, Be)2SiO4 : Мп, а синей - люминофор К-58 (Са, Mg) (SiO3): Ti.
В цветных кинескопах компонентами люминесцентного экрана являются:
люминофор красного свечения на основе редкоземельных соединений — оксид иттрия, активированный европием (У20з : Ей}, или оксисульфид иттрия, активированный европием (Y2 02 s : Eu);
люминофор зеленого свечения — сульфид цинка и кадмия, активированный медью (ZnSCdS ： Си, Al);
Рис. 18.2. Спектральная характеристика двухкомпонентного экрана типа Б. Пунктиром показаны спектральные характеристики составляющих люминофоров
люминофор синего свечения - сульфид цинка, активированный серебром (ZnS : Ag) *
Основные параметры промышленных люминофоров приведены в табл. 18.1.
Одной из важных проблем совершенствования воспроизводящих цветных устройств является улучшение таких параметров, как яркость и контраст изображения. Последний зависит не только от яркости свечения экрана, но и от интенсивности отражения окружающего света. Для уменьшения отражательной способности экрана участки его, не обладающие собственным излучением, покрывают черным светопоглощающим материалом — "черной матрице立"，например мелкодисперсионным графитом.
Другим способом повышения контраста изображения является применение пигментированных люминофоров (рис. 18.3). Пигментирование заключается в покрытии зерен люминофора определенного цвета свечения прозрачным для него пигментом и поглощающим прочие цвета видимого спектра внешней засветки. Подобное корректирование цвета излучения люминофоров помимо увеличения контраста обеспечивает
Таблица 18,1. Химический состав и характеристики промышленных люминофоров для цветных кинескопов
Промышленная марка
Химический состав
Цвет свечения
Световая отдача, кд/Вт
Время послесвечения* с
КТЦ-450 (К-75)
ZnS : Ag
Синий
2
ю-2
КТЦ-540 (К-83)
ZnS, CdS : Cu, Al
Зеленый
15,0
102
К77-2 (К-77)
Y2O3 : Ей
Красный
4,0
5 10-3
К-78
Y2O2S :Eu
4,0-4,4
5 10~3
Примечание.
В скобках указаны первоначальные марки люминофоров.
Рис. 18.3. Пигментированный люминофор:7 - пленка алюминия; 2 - люминофор, смешанный с пигментом; 3 - стекло экранаРис. 18.3. Пигментированный люминофор:7 - пленка алюминия; 2 - люминофор, смешанный с пигментом; 3 - стекло экрана勿ШШШШ^"""力" "" "一勿ШШШШ^"""力" "" "一
Рис. 18.3. Пигментированный люминофор:
7 - пленка алюминия; 2 - люминофор, смешанный с пигментом; 3 - стекло экрана
Рис. 18.3. Пигментированный люминофор:
7 - пленка алюминия; 2 - люминофор, смешанный с пигментом; 3 - стекло экрана
勿ШШШШ^
"""力" "" "一
勿ШШШШ^
"""力" "" "一
дополнительный прирост яркости изображения за счет возможности использования экранных стекол с большим светопропусканием.
На практике применяют синий—КТЦ-450 (К-75) и красный—К-77-2 (К-77) люминофоры. Для пигментации синего люминофора используется окись кобальта, для красного - окись железа.
В радиол о кацио иных и некоторых о сцилло графических трубках используются люминофоры с длительным послесвечением. Для получения длительного послесвечения используют экраны, состоящие из двух или более слоев (каскадные экраны).
Непосредственно на стекло колбы наносится первый слой — фотолюминофор, обладающий длительным послесвечением при фотовозбуждении. На этот слой наносится второй — люминофор. Электронный луч, попадая на катодо лю мино фо р, возбуждает его. В свою очередь свечение катодолюминофора возбуждает фотолюминофор, имеющий длительное послесвечение (несколько секунд).
В целях увеличения объема полезной информации, содержащейся на экране, разработаны цветные индикаторные ЭЛТ. Экраны таких трубок состоят из двух люминофоров, например красного и зеленого цветов свечения. Зерна одного люминофора покрыты прозрачной проводящей пленкой. Известны также экраны, где барьером для второго люминофора является первый люминофор.
При относительно низком ускоряющем напряжении (6-7 кВ) возбуждается один люминофор (красный). При ускоряющих напряжениях 12—14 кВ электроны проникают сквозь барьерную пленку и возбуждают свечение второго люминофора (зеленого). Выше были рассмотрены экраны, в которых электронный луч возбуждает люминесценцию. В специальных ЭЛТ с записью информации темной строкой (скиатронах) в качестве материала экрана используется кристаллический слой щелочно-галоидных солей, например хлористый калий.
В трубке хлористый калий наносится на экран распылением в вакууме. После распыления на подложке (дне баллона или слюдяной пластине) образуется тонкая бесструктурная пленка, имеющая белый цвет. При развертке электронного пучка по поверхности такого экрана он оставляет на нем темно-лиловый след, сохраняющийся длительное время. Обесцвечивание окраски хлористого калия производится путем нагревания материала до температуры порядка 350 °C. Характеристики некоторых люминофоров приведены в табл. 18.2.
S Таблица 18.2. Химический состав и параметры люминофоров
Промыш-
Цвет свечения
Длина волны, соответствую- Световая
Условное обо-
щая максиму- отдача,
свечения, с
Основные применения
значение эк-
му спектр аль- кд/Вт
рана
нон характери-
стики, нм
КТБ-1
ZnS • CdS : Ag и ZnS : Ag
Белый
一10-12
1£Г2
Кинескопы для непосредствен-
Б
ного наблюдения
КТБ-2*
То же
-10-12
1产
К-9
ZnS : Ag
Синий
4501-1,2
6-1СГ3
Осциллограмм (с регистра-
А
цией путем фотогра4»1рова- ния на пленку)
К-48
ZnS • CdS : Ag
Зеленый У
5355
1(Г3
Осциллография
Р-420-1
CaWO4
Голубой
4300,05
1(Гб
Осциллография (с регистра-
М
цией путем фотографирования движущейся пленки)
К-56
ZnO • Zn
Зеленый
5054,5-5
2 ТО"6
Передача изображетий мето-
Л-15
[Zn, Cd] -S-Cu
Ж
Желтый
В
5568
8-10
дом ''бегущего луча'* Радиолокация
Л-20**
[Zn, Cd] -S-Cu
Оранжевый
5807-8
2—3
Контрольные 8OHPOCSRзиаиних
L Какие веЕества прнменжотснв качестве люминесцирующих мат риалов длн зкранов 3JIT7
от какнх факторов завнснт н чем ограничивается яркость свеченин зкрано
3，Что такое предельный потенциал зкрана*? Назовите СП086Ы увелн- меннн предельного потенциал
Почему зарнпрнноснмьэлектронами луча на неалюминнро， ваннызкран》не накаплнваетсн на нем*?
5・ Что такое барьерные люминофоры*? Назовите возможные области их прнмененнт
В чем состоит СМЕСЛ прнмененнн двух слоев люминофоров в ка кадных зкранах с длнтелышм послесвечением*?
Во что преобразуется знергин электронов” бомбардирующих зкран7 ^ё§ аеб-ятнаатая
ПРНЕМНЕЕ ЗЛЕКТРОННО ЛУЧЕЕВЕЕ ТРУЕКН
19.L ОЕЕНЕ СВЕДЕНИЯ О niMHblx ЗЛТ
Как указывалось ВЫЦ1? прнемнне ЗПТ служат ёй преобразование злектрнческнх сигналов в видимое световое нзобра 关 ениВ завнснмостн от зксплуатационных требование приемные ЗЛТ различают no eno86y фокусировки луча (трубки с злектростатическо§s MarHHTHOфок снровко》§ eno86y отклоненнн луча (ТРУ6КН с злектростатическим》 магнитным н комбинированным отклонением луча)” § цвету свеченин зкрана》а также § злектрнческнм》светотехническим н конструктивным параметрам.
Качество воспроизводимого нзображенин на зкране прнемнотрубкн определнетсн рном важных параметров: раз решаю Ee0Я08ОЯ0033- яркостью свеченнн зкрана (см・ § 11L контрастностью зкран? ско, ростыо записи •
мзревв正4工 способность — зто eno86Hoeть 3nП передавать илн воспроизводить максимальное число мелкихeTaneH306pa 关 енин с контрастом》достаточным ёй нх раздельнорегистрацин илн преобр? зовами戸
Длн кинескопов разрешающая eno86Hoeть ВЕРажаетсн макенмаль， НЕМ количеством различимых тазом строк》укладывающихся aw §^Y мзльнойе высоте кадра》длн осциллографических н нндикаторнЕХ тру， бок разретаюЕан спо86Hoeть обь14Ho в£ра关аетсн ЕНРННОЙЕ сфоку， ок^оюёяо^ линии в центре §s на определенном расстоннин от центр Контрастность отношение яркости наиболее светлых》возбужденных 0 заданного уровня участков зкрана 3nП к яркости его самых темных”
209
не возбужденных электронным пучком участков. Изображение считается хорошим при контрасте, равном 40, и отличным, если контраст равен 80—100.
Скорость записи - важный параметр осциллографических трубок,： определяется как наибольшая скорость перемещения электронного пятна, при которой оно может быть зарегистрировано при определенных условиях.
При исследовании однократных быстроизменяющихся импульсов практически невозможно провести какие-либо измерения непосредственно по изображению на экране. Поэтому при изучении таких процессов с помощью широкополосных ЭЛТ основным способом получения и сохранения информации является фоторегистрация осциллограмм. JVih характеристики широкополосных ЭЛТ вводят параметр "скорость фoтoзaпиcи^^. Под последней понимают такую максимальную скорость движения электронного пятна по экрану, при которой в нормальных условиях фотографирования на фотоэмульсии определенной чувствительности достигается заданное почернение. Значение максимальной скорости фотозаписи ЭЛТ определяется режимом питания ЭЛТ, энергетической отдачей экрана, его активностью к фотоэмульсии и плотностью тока в электронном пятне.
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЭЛТ
Осциллографической трубкой называется приемная ЭЛТ, предназначенная для графического воспроизведения электрического сигнала. В большинстве современных осциллографических трубок применяются электростатическая фокусировка и электростатическое отклонение электронного пучка.
Электронный прожектор таких трубок, как правило, строится по двухлинзовой схеме (рис. 19.1). Вторая линза является линзой одиночного типа. Ускоряющий электрод объединен со вторым анодом, при этом его потенциал становится больше потенциала первого анода, фокусирующее действие иммерсионного объектива усиливается, радиус кроссовера, а следовательно, размер пятна на экране трубки уменьшается. Первый анод выполняется в виде диафрагмы с большим отверстием или в виде короткого цилиндра.
Напряжение второго анода, приблизительно равное 1-3 кВ для различных трубок, обеспечивает достаточно высокую чувствительность. Кроме того, питание всех электродов трубки можно осуществить через общий цоколь, что представляет несомненные удобства при эксплуатации.
Баллон трубки имеет ножку с выводами, горловину, коническую часть и дно. Боковые стенки колбы изнутри покрывают проводящим покрытием 一 аквадагом для улавливания вторичных электронов с экрана. На дно трубки наносится экран, размеры которого колеблются от 3 210
Рис. 19.1. Схема электронного прожектора ос- циллогра^ческой трубки:
，-катод; 2 — модулятор; 3 - ускоряю- Шй электрод; 4 - фокусирующий электрод; 5 - второй анод; 6 - вырезающие диафрагмы
до 31 см. Для обеспечения хорошей фокусировки по всему экрану угол отклонения электронного луча выбирают не более 20°.
Если осциллографическая трубка используется для анализа формы кривой напряжения, то исследуемое напряжение, например "= =Umsinst, подается на пластины вертикального отклонения У, а на другую пару пластин X подается пилообразное напряжение развертки (рис. 19.2). При этом электронный луч, отклоняясь по вертикали в соответствии с законом исследуемого напряжения, одновременно будет перемещаться равномерно в горизонтальном направлении слева направо. При равенстве периодов исследуемого напряжения Тс и развертки Тр на экране получится один период исследуемого напряжения.
Трубки с послеускорением электронов. Как указывалось, определяющим параметром осциллографических трубок является скорость записи осциллограмм. В обычных осциллографических трубках увеличение скорости перемещения электронного луча неизбежно сопровождается уменьшением яркости из-за сокращения времени облучения лучом участков экрана. Увеличение ускоряющего напряжения в целях повышения яркости, как известно, снижает чувствительность трубки. Поэтому в современных осциллографических ЭЛТ с высокой скоростью записи используется дополнительное ускорение (послеускорение) электронов после прохождения ими отклоняющих пластин. В этом случае сохраняется высокая чувствительность и достигается требуемая яркость при больших скоростях перемещения пятна (луча).
Электроды послеускорения выполняются в виде колец (анодов) из проводящего покрытия, нанесенных на внутреннюю поверхность баллона меяоду пластинами горизонтального отклонения и экраном. Для предотвращения пробоя в промежутках между кольцами послеускорения наносят высокоомное полупроводниковое покрытие (окись хрома или окись железа). Это покрытие выравнивает распределение потенциала вдоль стенки колбы. Схематическое устройство трубки с одним электродом послеускорения (третьим анодом) приведено на рис. 19.3, а. Следует отметить, что между проводящими покрытиями второго и третьего анодов трубки образуется иммерсионная линза, смещающая электронный луч к оси трубки и снижающая чувствительность отклонения. При отношении 4з/42， равном 2—2,5, искажения, вносимые линзой последующего ускорения, незначительны.'
Рис. 19.2. Схемы подачи напряжений на отклоняющие пластины трубки (а) и формирования осциллограммы (6)
В отдельных ЭЛТ для увеличения яркости применяется несколько ступеней послеускорения с последовательным увеличением напряжения, которое может быть доведено до 25 кВ (рис. 19.3, б).
Более совершенными являются трубки, у которых на внутреннюю поверхность колбы наносится высокоомный слой в виде спирали с малым шагом (рис. 19.3, в). Один конец спирали соединяется со вторым анодом, а на другой — подают высокий потенциал поелеускорения. В такой системе при значительном увеличении яркости потери чувствительности значительно меньше, чем в конструкциях, описанных выше. В современных трубках, сочетающих высокую яркость экрана с большой чувствительностью к отклонению, на выходе отклоняющей системы перпендикулярно оси ЭОС устанавл ив ается мел ко структурная сетка (рис. 19,3, ?)• Как правило, этой сетке сообщается потенциал второго анода. Между сеткой и проводящим покрытием третьего анода образуется рассеивающая электростатическая линза, дополнительно отклоняющая электронный луч и увеличивающая результирующую чувствительность трубки.
Трубки с радиальным отклонением применяются для исследования явлений в полярных координатах. В трубках подобного типа применяется круговая развертка, длина которой превышает линейную. Для получения такой развертки на обе пары отклоняющих пластин подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 90 0.
Рассмотрим два варианта трубок с радиальной разверткой (рис. 19.4). Принцип работы трубки (рис. 19.4, а) заключается в следующем. Электронный прожектор формирует тонкий сфокусированный луч. После прохождения отклоняющих пластин луч на экране описывает 212
Рис. 19,3. Схемы устройства систем послеускорения электронов в осциллографических ЭЛТ:д — с одной ступенью послеускорения; б — с несколькими ступенями послеускорения; в - со спиральным покрытием; г - с мелкоструктурной сеткойРис. 19,3. Схемы устройства систем послеускорения электронов в осциллографических ЭЛТ:д — с одной ступенью послеускорения; б — с несколькими ступенями послеускорения; в - со спиральным покрытием; г - с мелкоструктурной сеткой
Рис. 19,3. Схемы устройства систем послеускорения электронов в осциллографических ЭЛТ:
д — с одной ступенью послеускорения; б — с несколькими ступенями послеускорения; в - со спиральным покрытием; г - с мелкоструктурной сеткой
Рис. 19,3. Схемы устройства систем послеускорения электронов в осциллографических ЭЛТ:
д — с одной ступенью послеускорения; б — с несколькими ступенями послеускорения; в - со спиральным покрытием; г - с мелкоструктурной сеткой
окружность. Исследуемое напряжение подводится к металлическому стрежню, впаянному в центр экрана. Между стержнем и проводящим покрытием на стенках колбы образуется электрическое поле, отклоняющее луч в радиальном направлении. Если изменить сигнал, подводимый к стержню, то диаметр круговой развертки изменится. В другом варианте трубки (рис. 19.4, б) за отклоняющими системами располагаются два усеченных соосных конуса. Отклоняющая система перемещает луч по конической поверхности между конусами. Исследуемый сигнал подводится к обкладкам конусов, смещая луч в радиальном направлении.
Недостатком рассмотренных систем является нелинейная зависимость радиального отклонения от отклоняющего напряжения из-за неоднородности поля.
Многолучевые осциллографические ЭЛТ нашли применение для наблюдения на одном экране двух или нескольких процессов одновременно. В колбе таких трубок может быть помещено несколько ЭОС, как правило, от двух до пяти. Конструкция многолучевых трубок такова, что электроды ЭОС имеют самостоятельные выводы. Для исключения взаимного влияния электродных систем между ними устанавливаются экраны.
Осциллографирование СВЧ-процессов имеет свои особенности. В осциллографических ЭЛТ, рассчитанных на работу в низкочастотном диа-
Рис. 19.4. Схемы устройства трубок с радиальным отклонением луча: д - с центральным электродом; о - с коническими электродамиРис. 19.4. Схемы устройства трубок с радиальным отклонением луча: д - с центральным электродом; о - с коническими электродами
Рис. 19.4. Схемы устройства трубок с радиальным отклонением луча: д - с центральным электродом; о - с коническими электродами
Рис. 19.4. Схемы устройства трубок с радиальным отклонением луча: д - с центральным электродом; о - с коническими электродами
Рис. 19.5. Отклоняющая система с бегущей волной
пазоне, применяются системы отклонения в виде пары пластин. Верхняя граничная частота таких трубок ограничивается временем пролета электронов в от- клоняющ«4 системе, соизмеримым с дли
тельностью исследуемого сигнала, резонансом напряжения в цепи отклоняющих пластин и отражениями электромагнитной волны сигнала между пластинами и источником сигналов.
Частично расширтть частотный диапазон можно за счет уменьшения емкости отклоняющих пластин и индуктивностей их вводов. Для этого увеличивают расстояние между пластинами, а их выводы делают непосредственно в стекло колбы наиболее кратчайшим путем. Эти меры позволяют получить предельную частоту исследуемого сигнала до 150 МГц. Для регистрации более высоких частот применяются трубки, сигнальные отклоняющие пластины которых выполнены в виде длинной линии с сосредоточенными или распределенными постоянными (емкостью, индуктивностью и сопротивлением).
Известно, Vro в длинных линиях, имеющих в качестве нагрузки сопротивление, равное волновому, сигнал распространяется в виде бегущей волны и поглощается нагрузкой без отражения. Поэтому отклоняющие системы подобного типа называют также системами с бегущей волной (рис. 19.5).
Например, трубка 10ЛО101М имеет отклоняющую систему с бегущей волной. Чувствительность сигнальной отклоняющей системы 1 — 1,5 мм/В, последующее ускорение электронного луча в трубке обеспечивается с помощью спирали, нанесенной на внутреннюю поверхность широкой части колбы. Скорость записи однократного сигнала составляет при визуальном наблюдении 7500—15 000 км/с, а при фотографировании 500—1000 км/с. Трубка позволяет исследовать процессы с частотой до 300 МГц.
В целях увеличения скорости записи При регистрации однократных электрических сигналов в современных осциллографических ЭЛТ диапазона СВЧ перед люминесцентным экраном устанавливают усилитель тока луча трубки. Такой усилитель выполняется в виде микро канальных пластин (МКП), образованных совокупностью большого количества канальных электронных умножителей (см. рис. 14.6). Скорость записи таких ЭЛТ достигает при фото графи ров ании сотни тысяч
километров в секунду.
ИНДИКАТОРНЫЕ ЭЛТ
Индикатортая трубка — приемная ЭЛТ, предназначенная для визуального отображения на экране информации, поступающей в виде электрических сигналов, управляющих интенсивностью отклоняемых по определенному закону электронных пучков.
В качестве индикаторных трубок в принципе могут быть использованы обычные осциллографические трубки. Однако в радиолокационной аппаратуре индикаторные трубки работают с яркостной модуляцией пучка. В этих трубках используется круговая развертка луча. Помимо такой развертки электронный луч перемещается от центра экрана в радиальном направлении линейно во времени.
В отсутствие сигнала трубка заперта отрицательным напряжением модулятора, изображение на экране отсутствует. Оураженный от цели сигнал после усиления поступает на модулятор трубки, отпирает луч, и на линии развертки появляется яркое светящееся пятно. Положение пятна на экране определяет координаты цели: азимут и дальность.
Трубки, применяемые в радиолокационных индикаторах, должны отвечать ряду требований: иметь высокую разрешающую способность, большую яркость и высокую линейность отклонения. С учетом того, что длительность отпирающего импульса мала, экран трубки должен иметь длительное послесвечение для надежного определения координат пятна на экране.
Прожекторы индикаторных радиолокационных трубок строят по триодной или тетродной схеме (см. § 16.3).
Экраны индикаторных трубок имеют как круглую, так и прямоугольную форму. Диаметр рабочей части экрана составляет от 60 до 400 мм. Необходимая длительность послесвечения обеспечивается применением экранов с каскадным возбуждением (см. § 18.3).
К индикаторным трубкам прикладывается высокое анодное напряжение (5—25 кВ), которое способствует получению высокой разрешающей способности и достаточной яркости свечения пятна на экране. Питание последнего анода трубки о существл я ется через внутреннее проводящее покрытие и вывод на боковой поверхности баллона.
Для увеличения объема полезной информации, содержащейся на экране, применяются трубки с цветным изображением. Наиболее перспективным является использование в них экранов на основе барьерных люминофоров (см. § 18.3). Изменение цвета свечения экрана достигается коммутацией ускоряющего напряжения быстродействующим (высоковольтным) переключателем. Наличие переключателя усложняет конструкцию аппаратуры, что ограничивает области применения таких приборов.
В индикаторных ЭЛТ применяют также цветные экраны, которые не имеют в своем составе барьерных слоев. Здесь используют специальные люминофоры с нелинейными характеристиками, позволяющими
Рис. 19.6. Схема устройства скиатрона:
1 - электронный прожектор; 2 - хлористый калий; 3 一 подложка экрана - слюдяная пластина; 4 一 проводящая пленка
осуществить управление цветом свечения путем изменения плотности тока пучка.
В качестве индикаторных трубок используются также трубки с записью темной строкой — скиатроны. Один из вариантов скиатрона схематически показан на рис. 19.6. В трубке, как правило, используется магнитная фокусировка и магнитное отклонение луча. На слюдяную пластинку нанесен скотофор (хлористый калий) толщиной 20—30 мкм. Подложкой скотофора служит прозрачная проводящая пленка. Слюда крепится к жесткой металлической раме.
Под действием электронной бомбардировки сксУтофор приобретает темную окраску (темно-лиловый след). Интенсивность окраски зависит от тока луча. Стирание записанной информации производится кратковременным прогревом скотофора путем пропускания тока через проводящую пленку. При этом след электронного луча полностью исчезает через несколько секунд. Рассмотренный вариант скиатрона (типа 16ЛМ1Г — с внутренним стиранием) может быть использован в основном для непосредственного наблюдения изображения на экране. Скиатроны типов 11ЛМ2Г, 11ЛМЗГ с наружным стирающим устройством используются для проектирования изображения на внешний экран (см. гл. 20). Время обесцвечивания экрана при помощи внешнего источника составляет более минуты.
Скиатроны обладают рядом достоинств — высокой разрешающей способностью, длительным послесвечением (часы и сутки), значительным контрастом, который не снижается в присутствии внешнего освещения.
КИНЕСКОПЫ ЧЕРНО-БЕЛОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Кинескоп — приемная ЭЛТ, применяемая в промышленном и вещательном телевидении для воспроизведения телевизионного изображения. Кинескоп (рис. 19.7) состоит из баллона (колбы), в котором создается и поддерживается высокий вакуум с остаточным давлением 1 От3 _ 10- 5 Па (10"5 — 10" 7 мм рт. ст.). Внутри баллона размещены электронный прожектор и люминесцирующее покрытие.
Современные кинескопы имеют прямоугольную форму экрана, размер которого определяется его диагональю. Промышленность выпускает кинескопы размером до 67 см для стационарных 216
Рис. 19.7. Устройство черно-белого кинескопа:
；-баллон; 2 — люминесцирующее покрытие; 3 - электронный прожектор; 4 一 цоколь; 5 - отклоняющая система; 6 - электронный луч; 7 — анодный вывод
телевизионных приемников и 11 - 31 см — для переносных. Соотношение сторон экрана принято равным 3 : 4 (как телевизионное изображение). В последних конструкциях за счет уменьшения радиуса спрямления углов соотношение сторон экрана стало равным 4 ： 5.
Дно колбы кинескопа изготовляют из толстого высокосортного стекла для обеспечения высокой механической прочности, поскольку давление, действующее на экран больших кинескопов, около 10 кН и более. Все современные крупногабаритные кинескопы снабжаются металлической рамой - бандажом. Бандаж стягивает экран по периметру и нейтрализует растягивающее усилие, что устраняет опасность взрыва кинескопа при повреждении. Создание взрывобезопасных кинескопов позволило исключить защитное стекло, применявшееся ранее в телевизионных приемниках. Эта мера уменьшила число отражающих поверхностей между люминофором и зрителем, в результате чего яркость и контраст изображения увеличиваются.
Использование для изготовления экрана дымчатого стекла, являющегося нейтральным светофильтром, уменьшает яркость ореолов и внешней засветки, что также повышает контрастность изображения.
Экраны современных кинескопов, как правило, алюминируют (см. § 18.1). Внутреннюю поверхность колбы покрьшают проводящим опоем — аквадагом, через который осуществляется контакт анодного вывода с алюминиевой пленкой на экране и анодом прожектора.
В большинстве кинескопов применяются прожекторы с электростатической фокусировкой (рис. 19.8). В отличие от конструкций, приведенных на рис. 16.3, б~г в прожекторе между ускоряющим электродом и модулятором помещают дополнительный ускоряющий электрод с невысоким потенциалом (200—600 В) относительно катода. В этом прожекторе имеются три электростатические линзы. Катод, модулятор и первый ускоряющий электрод образуют иммерсионный объектив 〃【， первый и второй ускоряющие электроды — иммерсионную линзу Л2, второй ускоряющий электрод и аноды %i и Л2 — одиночную линзу Л3. Иммерсионная линза уменьшает угол схождения электронного пучка
Рис. 19.8. Устройство прожектора кинескопа
перед входом его в главную линзу, что снижает аберрации этой линзы и в конечном счете улучшает фокусировку пучка на экране. Кроме того, введение дополнительного ускоряющего электрода с промежуточным потенциалом позволяет легче обеспечить необходимую электрическую прочность трубки.
Для отклонения электронного луча в кинескопах применяются магнитные отклоняющие системы, имеющие предельный угол отклонения луча 110°. Использование таких систем обеспечивает высокое качество изображения по всему полю экрана без заметных искажений и дефокусировки.
195 КИНЕСКОПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В последние годы было предложено несколько вариантов конструкций цветных кинескопов. В настоящее время практическое применение нашли разновидности цветных кинескопов с цветоделительной (теневой) маской: с дельтообразной ЭОС (оси трех прожекторов располагаются в вершинах равностороннего треугольника) и мозаичным экраном и с планарной ЭОС (оси прожекторов располагаются в горизонтальной плоскости) и линейчатым экраном.
Кинескоп с теневой маской н точечным экраном. Упрощенный эскиз кинескопа показан на рис. 19.9. В колбе кинескопа располагается ЭОС, состоящая из трех прожекторов, цветоделительная (теневая) маска 5, люминесцирующий экран 6. Снаружи кинескопа на его горловине расположена общая отклоняющая система и органы электромагнитного управления.
Люминесцирующий экран состоит из ряда групп (триад), каждая из которых содержит три точки люминофора - красного, синего и зеленого цвета. Такой экран наносится методом фотопечати на дно оболочки кинескопа.
Перед экраном помещается цветоделительная маска. Она расположена на расстоянии 8—12 мм от экрана и должна обеспечивать прохождение лучей только на свои точки люминофора. Принцип цветоделения поя<Р няется рис. 19.10. Теневая маска 2 представляет собой тонкий отфор-
Рис. 19.9. Масочная цветная ЦЭЛТ с наружными элементами управления:
1 - магнит синего луча; 2 - магнит чистоты цвета; 3 - система сведения;
4 - отклоняющая система; 5 - теневая маска; 6 — экран
Рис. 19.10. Цветоделение в кинескопе с апертурной маской:
- точечный (мозаичный) экран; 2 - апертурная маска; 3 一 электронные лучи
мованный стальной лист толщиной 0,15—0,2 мм, повторяющий сферу экрана. В маске имеется большое число круглых отверстий, распределенных с заданным шагом. Количество отверстий в маске равно числу триад на экране, т.е. примерно 500 тысяч.
Электронноюптическая система состоит из трех электронных прожекторов с одинаковыми техническими характеристиками (рис. 19.11). Оптическая схема прожектора такова: катод, модулятор, ускоряющий электрод образуют иммерсионный объектив, фокусирующий электрод и анод — главную фокусирующую линзу. За анодом расположен цилиндр сводящей системы, являющийся общим для всех трех прожекторов, в котором имеются полюсные наконечники из магнитной стали. Пары полюсных наконечников экранированы друг от друга внутренним магнитным экраном. Три прожектора монтируются на специальных оправках так, чтобы затем в горловине кинескопа их оси лежали в вершинах равностороннего треугольника. По этой причине данная ЭОС получила название дельтообразной. Оси симметрии прожекторов имеют по отношению к общей оси трубки наклон 1° (с точностью не ниже 2)
При правильно выбранных геометрических соотношениях между маской, экраном и ЭОС электронные лучи трех независимых прожекторов при любом угле отклонения должны сходиться в каждом отверстии маски. При дальнейшем расхождении каждый луч ЗОС должен попасть на свою точку люминофора, т.е. точку, светящуюся своим цветом, и не должен попадать на соседние чужие точки (см. рис. 19.10).
Рис. 19.11. Электронно-оптическая система с дельтообразным расположением j прожекторов:<
7 - модулятор; 2 - ускоряюищй электрод; 3 - фокусирующий электрод; I
4 一 анод; 5 - сводящая система; 6 - газопоглотитель; 7 - контактно-центровоч- ные пружины; 8 - ножка
Таким образом, маска препятствует попаданию электронных лучей не на свои люминофорные точки, т.е. осуществляет цветоделение.
Через одно отверстие маски возбуждается свечение трех люминофорных точек разного цвета свечения - триад. Так как размер люмино- 220
форных триад чрезвычайно мал (рис. 19.10), на экране кинескопа происходит пространственное сложение цветов. При подведении к модуляторам прожекторов трех видеосигналов, управляющих соответственно тремя развернутыми по растру лучами, на экране кинескопа 6уд?т воспроизводиться независимо друг от друга три совмещенных изображения в основных цветах. Эти изображения при визуальном наблюдении сливаются в одно суммарное цветовое изображение.
Следует отметить, что при работе кинескопа около 85% тока электронных пучков перехватывается маской, что приводит к ее нагреву, т.е. потерям энергии. Во избежание изменения формы и положения маски относительно экрана маска чернится, а также используется термо компенсирующее устройство. Так как лишь 15% электронных лучей достигает экрана, то необходимую яркость изображения на экране можно получить при достаточно большом суммарном токе всех трех электронных лучей (около 1000 мкА) и высоком напряжении анодов (до 25 кВ). Для увеличения яркости и контрастности изображения экраны алюминируются.
Изготовить цветной кинескоп с абсолютной точностью расположения прожекторов и маски относительно экрана практически невозможно. Поэтому в трубке предусмотрена возможность дополнительной регулировки электронных пучков с помощью органов электромагнитного управления.
Система электромагнитного управления устанавливается снаружи на горловине и включает в себя три пары магнитопроводов статического и динамического сведения лучей (рис. 19.12). Сведение неотклонен- ных лучей в центре экрана (статическое сведение) обеспечивается приложением отдельно к каждому лучу постоянного отклоняющего магнитного поля. Изменяя напряженность поля магнита, можно заставить электронный пучок соответствующего прожектора отклоняться в радиальном направлении. Для осуществления статического сведения еще недостаточно отклонять лучи в радиальном направлении, необходимо также иметь возможность смещать хотя бы один луч в направлении, перпендикулярном радиальному. Для этой цели служит магнит кор- рекции синего луча (рис. 19.12, б).
Совмещение трех лучей во время отклонения по всему полю маски (динамическое сведение) обеспечивается специальными электромагнитами, конструкция которых поясняется рис. 19.12, а. Обмотки электромагнитов питаются токами параболической формы синхронно со строчной и кадровой развертками. Переменные магнитные потоки электромагнитов замыкаются через внутренние полюсные наконечники, при этом каждый из трех лучей будет независимо друг от друга перемещаться в радиальном направлении.
Вследствие неточностей при сборке кинескопа, разброса параметров отклоняющих систем, влияния внешних магнитных полей и других причин электронные лучи, проникая через отверстия маски, могут возбуж-
Рис. 19.12. Системы статического и динамического сведения электронных лучей: а - радиальное сведение; б - система поперечного сведения синего луча; 1 - постоянные магниты статического сведения; 2 - электромагниты; 3 - кадровая катушка сведения; 4 - строчная катушка сведения; 3 - полюсные наконечники; 6 - электронные лучи
дать свечение не только своих, но и чужих люминофорных точек. В этом случае произойдет нарушение чистоты цвета, т.е. искажение цветопередачи.
Для коррекции чистоты цвета подбирают оптимальное положение отклоняющей системы путем ее перемещения вдоль оси горловины трубки, а также испойьзуют магнит чистоты цвета (рис. 19.9, поз. 2). Последний состоит из двух намагниченных по диаметру колец, сложенных вместе и надетых на горловину кинескопа. Магнитные кольца можно поворачивать вместе или независимо друг от друга вокруг оси трубки. Взаимным расположением полюсов магнитов, а также их совместной ориентацией на горловине кинескопа изменяются как напряженность корректирующего магнитного поля и его полярность, так и наклон магнитных силовых линий. Таким образом можно добиться необходимой чистоты цвета на каждом из трех цветных растров кинескопа.
Кинескоп со щелевой маской и планарной ЭОС. Рассмотренный выше вариант цветного кинескопа с дельтообразным расположением прожекторов обеспечивает высокое качество цветного изображения. Однако в то же время такой кинескоп имеет ряд недостатков:
невысокая прозрачность маски с круглыми отверстиями, ограничивающая яркость свечения экрана;
сложность коррекции сходимости электронных пучков в центре экрана (статическое сведение) и обеспечение сходимости при развертке пучков по всему экрану (динамическое сведение). Число органов регулировки, необходимых для осуществления сходимости, достигает 12-15; !
большая мощность, затрачиваемая на отклонение электронного луча; сильное влияние магнитного поля Земли на чистоту цвета.
Рис. 19.13. Кинескоп с планарной ЭОС и щелевой маской:
а — устройство кинескопа; б - цветоделение в кинескопе; 1 - линейчатый (штриховой) экран; 2 - щелевидная маска; 3 - электронные лучи
Эти недостатки практически устранены в кинескопе с щелевой маской и планарной ЭОС (рис. 19.13, а). В таком кинескопе в качестве цветоделительного элемента используется щелевидная теневая маска, отверстия которой имеют сравнительно небольшую длину (19.13, б). Электронные прожекторы располагаются в горловине кинескопа в одной горизонтальной плоскости, перпендикулярной вертикально расположенным щелям в маске. Экран кинескопа имеет линейчатую структуру, состоящую из сплошных вертикальных люминофорных полос зеленого (G), красного (R) и синего (В) цвета свечения, сгруппированных в триады. Принцип действия кинескопа с планарной ЭОС не отличается от описанного кинескопа с дел ьтоо браз ны м располо жени ем прожекторов.
В кинескопах с планарной ЭОС при использовании специальных прецизионных отклоняющих систем возможно автоматическое сведение
223
Рис. 19.14. Характер магнитного поля в кинескопах с самосведением:*
а - типа ''подушки*'; б - типа “бочки”《
электронных лучей по всему полю экрана без использования сложных g устройств динамического сведения, т.е. осуществление принципа так ：：| называемого самосведения.
Суть самосведения заключается в том, что подбором формы откло- няющих катушек и специальным расположением витков создается не-扌 равномерное отклоняющее поле с заданным астигматизмом. При этом $ катушки горизонтального отклонения должны создавать магнитное j поле подушкообразной формы (рис. 19.14, а) для совмещения лучей | по горизонтали, а катушки вертикального отклонения — бочкообразной f (рис. 19.14, б) для совмещения по вертикали.j
Надежность работы системы самосведения в значительной степени j зависит от точной ориентации трех электронных лучей в поле откло- j няющей системы. Поэтому в кинескопах с самосведением применяют- I ся прецизионные ЭОС с единой системой электродов для трех лучей.； В таких ЭОС раздельными являются только катоды, а все остальные j электроды — общими. Наиболее широко применяют ЭОС коробчатого и 1 пакетного типа (рис. 19.15).1
Система из кинескопа, отклоняющей системы и блока магнитоста- | тического устройства (МСУ), включающего в себя систему статиче- j ского сведения и чистоты цвета, образует интегрированный комплекс. I На заводе, изготовляющем этот комплекс, производится тщательная | юстировка отклоняющей системы на кинескопе. Для этой цели она пере- j мещается по направляющим стойкам и закрепляется винтовыми зажи- I мами в положении, при котором достигается оптимальное сведение 1 электронных лучей и наилучшая чистота цвета. После этого отклоняю- 1 щая система приклеивается к кинескопу. Такой комплекс в собранном 习 и настроенном виде может поставляться заводу—изготовителю телеви- 1 зионных приемников.1
Рассмотренные кинескопы имеют определенные преимущества перед | кинескопами с апертурной маской: повышенную на 15-20% яркость j изображения, хорошую чистоту цвета в основных цветах и в белом, бо- | лее высокую стойкость к воздействию внешних магнитных полей, от-] сутствие системы динамического сведения лучей, что позволяет отка- | 2241
Рис. 19.15. Конструкция планарной ЭОС коробчатого (а) н пакетного (6) типов;/ - катод; 2 - модулятор; 3 - ускоряющий электрод; 5 - второй анод; 6 — контактные пружиныРис. 19.15. Конструкция планарной ЭОС коробчатого (а) н пакетного (6) типов;/ - катод; 2 - модулятор; 3 - ускоряющий электрод; 5 - второй анод; 6 — контактные пружины
Рис. 19.15. Конструкция планарной ЭОС коробчатого (а) н пакетного (6) типов;
/ - катод; 2 - модулятор; 3 - ускоряющий электрод; 5 - второй анод; 6 — контактные пружины
Рис. 19.15. Конструкция планарной ЭОС коробчатого (а) н пакетного (6) типов;
/ - катод; 2 - модулятор; 3 - ускоряющий электрод; 5 - второй анод; 6 — контактные пружины
заться от большого числа органов регулировки. Но в то же время увеличиваются затраты труда и возникает ряд достаточно сложных технических проблем у изготовителей кинескопов и отклоняющих систем.
Кинескопы с повышенной разрешающей способностью. Современные кинескопы повышенной четкости (1 000— 1200 линий) используют маску с круглыми отверстиями при дельтообразном или планарном расположении прожекторов. Особенностью таких цветных ЭЛТ по сравнению с трубками, используемыми для телевизионных приемников, являются: '
применение теневой маски малой толщины (0,1—0,15 вместо 0Д5—0,2) с уменьшенным шагом отверстий (0,2—0,45 вместо обычного 0,6);
наличие антибликовых покрытий экрана цветной ЭЛТ;
225225применение ЭОС с многоступенчатой фокусировкой и специальных прецизионных отклоняющих систем с уменьшенным остаточным не сведением электронных лучей.
225
225
8-6353
Основные размеры диагонали экрана цветной ЭЛТ с высокой разрешающей способностью: 32, 37, 42, 51 см. Кинескопы с повышенной четкостью предназначены для работы в дисплейных устройствах с выводом буквенно-цифровой, графической и полутоновой информации. Следует отметить, что разработка цветных кинескопов повышенной четкости актуальна не только для дисплеев, но и для перспективных систем цветного телевидения.
Контрольные вопросы и задания
В чем состоит смысл послеускорения в осщишографических ЭЛТ?
Почему в индикаторных ЭЛТ применяются экраны с каскадным возбуждением? Каким способом создается радиальная развертка луча в этих трубах?
Назовите основные особенности индикаторной трубки с записью темной строкой. Каковы достоинства этой трубки?
В чем заключается принцип совместимости черно-белого и цветного телевидения?
Как устроен кинескоп с теневой маской и точечным экраном? Назовите основные недостатки этого кинескопа.
Какие функции выполняет система электромагнитного управления, у стан авл ив ае мая снаружи на горловине кинескопа?
В чем отличие цветного кинескопа с планарной ЭОС от кинескопа с дельтообразной ЭОС. В чем суть самосведения?
Назовите основные типы современных цветных кинескопов. Каковы достоинства и недостатки каждого типа?
Глава двадцатая
ПРОЕКЦИОННЫЕ ЭЛТ И СИСТЕМЫ
Телевизионные устройства отображения информации на больших экранах получают в последние годы широкое распространение. Это связано как с определенными достижениями в совершенствовании воспроизводящих устройств, так и с расширением круга задач, для решения которых они необходимы. В настоящее время телевизионные установки с большим экраном используются в центрах управления космическими полетами, в медицине, для демонстрации хирургических операций, в учебных заведениях, в телевизионном вещании, для проведения массовых зрелищных мероприятий, в различного рода АСУ, диспетчерских, информационных и других комплексах.
Для получения телевизионных изображений на большом экране используются устройства с проекционными кинескопами, пространственными модуляторами света (светоклапанными устройствами) # системы с применением лазерного луча.
226
Рис. 20.1. Электронный прожектор магнитной 3) и электростатической (6) фокусировки (К - катод; М - модулятор; ИГ - искрогаситель; Л - анод; А1 - первый, Л2н -второй нижний, Л 2в - второй верхний аноды)
Катодолюминесцентные кинескопы применяются для создания черно- белого и цветного изображения на экране средних размеров (площадью 1-2 м2) и в системе бегущего луча. Для получения хорошего изображения на экране яркость свечения экрана трубки с учетом потерь света в оптической системе и ослабления яркости за счет увеличения отношения площадей изображения на проекционном экране и экране кинескопа должна в сотни раз превышать яркость кинескопа для непосредственного наблюдения. Большая яркость создается за счет применения люминофоров с возможно большим коэффициентом светоотдачи, алюминирования экрана и, главное, повышения значений рабочих токов и анодных напряжений (до 25—80 кВ). Проекционные кинескопы имеют прямоугольные или круглые экраны с диагональю (или диаметром) 6-18 см. Для уменьшения искажений при проекции на большой экран экраны таких кинескопов изготовляются из высокооднородного оптического стекла. Фокусировка электронного луча может быть как электро ст атическо й, так и магнитной, но отклонение луча всегда магнитное.
Схемы электронных прожекторов магнитной и электростатической фокусировки приведены на рис. 20.1. Для уменьшения вероятности возникновения пробоев и искрений в конструкцию прожекторов введен заземленный электрод—искрогаситель (ИГ).
Для обеспечения высокой разрешающей способности у большинства проекционных кинескопов вторая линза прожектора магнитная.
Применяемые в трубке высокие рабочие напряжения определяют особенности ее конструкции. Электроды ЭОС делают полированными, с закругленными краями, чтобы исключить возможность пробоя или возникновения короны. Анодный вывод окружен конусообразным изолятором для увеличения пути утечки между анодом и внешним покрытием из аквадага.
Рис. 20.2. Лазерный проекционный кинескоп (квантоскоп):Рис. 20.2. Лазерный проекционный кинескоп (квантоскоп):■Z - полупроводниковая пластина; 2 — подложка из сапфира; 3 - холодильник; 4 - отражательный экран■Z - полупроводниковая пластина; 2 — подложка из сапфира; 3 - холодильник; 4 - отражательный экран
Рис. 20.2. Лазерный проекционный кинескоп (квантоскоп):
Рис. 20.2. Лазерный проекционный кинескоп (квантоскоп):
■Z - полупроводниковая пластина; 2 — подложка из сапфира; 3 - холодильник; 4 - отражательный экран
■Z - полупроводниковая пластина; 2 — подложка из сапфира; 3 - холодильник; 4 - отражательный экран
крио статный
Для защиты от рентгеновского излучения, возникающего при бомбардировке электронным лучом люминофора, кинескоп заключают в металлический экран, а переднее стекло изготовляют с добавкой окиси свинца или стронция. Следует отметить, что в таких трубках при напря-； жениях на аноде выше 60 кВ на экране выделяется значительная мощность, поэтому в рабочих условиях используют принудительное охлаждение экрана.
Для получения на экране цветных изображений, как правило, исполь-, зуют способ оптического совмещения изображений, проектируемых ‘ с экранов трех монохромных кинескопов, каждый из которых соответствует только одному цвету (красному, синему и зеленому).
Лазерные кинескопы (квантоскопы). По принципу формирования телевизионных изображений на внешнем экране телепроекторы с кван- тоскопами во многом аналогичны телевизионным устройствам с проек-； ционными кинескопами. Основное отличие заключается в самом характере генерируемых полупроводниковым лазерным экраном световых излучений. По сравнению с проекционными кинескопами эти излучения когерентны по длине волны (ширина спектральной линии приблизи- ” тельно 10 нм), расходимость излучения лежит в пределах 0,1 ср, что обеспечивает существенное упрощение и снижение стоимости применяемой оптики.
По принципу построения телепроекторы с квантоскопами можно разделить на две группы: с растровым излучающим экраном и одаостроч- ным излучающим экраном. Принцип построения первых аналогичен устройствам с проекционными кинескопами. Один из вариантов кван- тоскопа представлен на рис. 20.2.
Основным элементом квантоскопа является лазерный экран, изготовляемый из полупроводниковой пластины с плоскопараллельными гранями толщиной 30—50 мкм. На обе поверхности пластины нанесены отражающие покрытия - зеркала оптического резонатора. Со стороны прожектора обычно находится непрозрачное зеркало, а с противоположной стороны — полупрозначное. Полупроводниковая пластина
приклеивается к сапфировой подложке, края которой припаяны к криостату с жидким азотом.
Изображение формируется при сканировании поверхности лазерного экрана электронным лучом и генерации последним излучения света. Средняя яркость лазерного экрана составляет 108 кд/м2, чтр на три порядка превышает яркость люминофорных экранов проекционных кинескопов.
Особенностями телепроекторов на основе квантоскопов являются необходимость эффективного отвода тепла от экрана и применение специальных мер защиты от воздействия рентгеновского излучения, обусловленного использованием высоковольтных источников питания (до 75 кВ). Положительным качеством телепроекторов с кванто- скопами является возможность получения изображения с более высокой, чем у других устройств, четкостью и контрастностью.
Проекционные устройства на основе квантоскопов с однострочном лазерным экраном весьма перспективны для создания на их основе цветных проекционных устройств. Экран такого квантоскопа содержит три полупроводниковых кристалла с излучениями красного, зеленого и синего цвета. Из-за небольших размеров кристаллов и расстояний между ними суммарный световой поток представляет собой излучение единой цветной строки. В таких устройствах строки телевизионного изображения на выходе экрана квантоскопа совмещены в пространстве и излучаются последовательно во времени. Необходимость применения оптико-механической развертки является недостатком подобных проекционных систем.
Большая импульсная яркость, спектральная чистота, малая расходимость генерируемых лазерным экраном световых потоков, высокая четкость и контрастность, а также малое послесвечение таких экранов обеспечивают целесообразность использования квантоскопов в передатчиках мбегущего луча" для телекинопроекционной аппаратуры, систем оптического ввода и вывода информации в вычислительной технике, создания объемных и стереоскопических телевизионных устройств.
Светоклапанные устройства. Подобные устройства работают на принципе управления световым потоком средой, меняющей свои оптические свойства под воздействием приложенного электрического поля.
В настоящее время предложено и в технике частично используется много светоклапанных устройств на различных физических явлениях: поглощении, дифракции, рассеянии и поляризации световых потоков.
В качестве примера светоклапанных ЭЛТ могут служить скиатроны (11ЛМЗГ и 16ЛМ4Г), в которых модуляция светового потока осуществляется за счет поглощения фотонов. Несмотря на ряд трудностей, возникающих при эксплуатации этих приборов (длительное время стирания информации — от единиц до десятков и сотен секунд, малый срок службы — 100 ч и др.), они нашли достаточно широкое применение
229
Рис. 20. 3. Светоклапанная система ^Аристон**：
7 - светомодулирующая среда; 2 - сферическое зеркало; 3 一 электронный прожектор; 4 — электрон- ньгй луч; 5 - отклоняющая система; 6 - ЭЛТ; 7 - система зеркальных полосок; 8 - зеркалышй отражатель; 9 一 дуговая лампа; 10 - конденсор; 11 一 экран; 12 - проекционный объектив
как для проекции изображения на внешний экран площадью около 1 м2 (11ЛМЗГ), так и для длительного хранения информации (16ЛМ4Г). ' Устройство и принцип работы скиатрона рассмотрены в § 19.3.
Весьма перспективным является светоклапанное устройство с твердотельными электрооптическими кристаллами, проявляющими эффект Поккельса, который заключается, в изменении плоскости поляризации света, проходящего сквозь кристаллы, на поверхности которых образуются заряды в результате воздействия электронного пучка.
Далее мы ограничимся рассмотрением телевизионных светоклапан- «ьгх устройств с жидкими средами, которые используются в серийно вьшускаемых телевизионных проекторах.
Упрощенная схема проекционной телевизионной системы "Аристон", ' в которой модуляция светового потока осуществляется посредством деформации поверхности масляной пленки, представлена на рис. 20.3. Тонкий слой светомодулирующей среды (масляной пленки) нанесен на поверхность сферического зеркала. Под углом 45° к оси трубки на расстоянии, равном радиусу кривизны сферического зеркала, расположен растр, состоящий из системы зеркальных полосок. Этот растр совместно со сферическим зеркалом и слоем масляной пленки является световым клапаном. Чтобы световой поток, отраженный от зеркала, не попадал на экран, растр должен быть определенным образом ориентирован относительно поверхности зеркала.
Если поверхность слоя абсолютно гладкая, не дефо рмиров анная, то она не оказывает заметного воздействия на оптические условия отражения световых лучей. В противном случае (при деформированной пленке) лучи света, отраженные от сферической поверхности зеркала, от- 230
клоняются от первоначального положения и проходят через промежутки зеркальных полосок к экрану.
При бомбардировке развертывающим модулированным электронным лучом на поверхности масляной пленки образуются электрические заряды. Возникающие при этом электростатические силы деформируют пленку масла. Каждому элементу изображения соответствует определенная глубина деформации масляной пленки. Созданный электронным лучом рельеф де^юрмаций (потенциальный рельеф) модулирует световой поток, образуя на экране изображение.
К достоинствам описанной установки следует отнести возможность воспроизведения как черно-белых, так и цветных изображений на экране размером 100 м2 при яркости 20 кд/м2 с высокой четкостью и контрастностью.
Существенными недостатками являются большие габаритные размеры, масса, высокая стоимость, сложность эксплуатации, обусловленная непрерывной откачкой ЭЛТ, системой охлаждения зеркала и другими трудностями, связанными с компенсацией потерь масла в трубке, созданием равномерного слоя его на сферическом зеркале и т.д*
Контрольные вопросы “ задания
Расскажите об особенностях конструкции катодолюминесцентного проекционного кинескопа.
Объясните, почему в катодолюминесцентных проекционных кинескопах используется повышенное анодное напряжение, достигающее 60—80 кВ.
Какие способы фокусировки и отклонения луча обычно используются в проекционных кинескопах?
В чем состоит отличие кв анто скопа от катодо люминесцентного проекционного кинескопа?
Как устроен лазерный экран квантоскопа?
В чем состоит принцип действия светоклапанного устройства?
Назовите достоинства и недостатки телевизионных светоклапанных систем.
Назовите области использования телевизионной аппаратуры с большим экраном.
Глава двадцать первая
ЗАПОМИНАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ЦИКЛЫ РАБОТЫ
3апоминающими трубками, или тютенциалоскопами, называются ЭЛТ, предназначенные для запоминания информации, поступающей в виде электрических сигналов, хранения ее в течение определенного вре-
231
мени и воспроизведения в виде электрического сигнала, оптического (видимого) изображения или того и другого одновременно.
Современные запоминающие ЭЛТ способны выполнять в радиоэлект* ронной аппаратуре самые различные функции. В радиолокации, например, с их помощью удается отделить неподвижные цели от движущихся объектов. R специальных осциллографах запоминающие трубки позволяют длительное время воспроизводить изображение однократно записанного электрического сигнала. В телевидении с помощью запоминающих трубок удается преобразовать телевизионное изображение с одним стандартом разложения (числом кадров и строк) в изображение с другим стандартом разложения. Запоминающие трубки, как элементы памяти, находят широкое применение в вычислительной технике, устройствах автоматики, телемеханики и других областях.
В работе запоминающих трубок условно можно выделить следующие циклы: подготовка к записи, запись информации, хранение записанной информации, считывание (воспроизведение) информации, стирание записанной информации.
Основным элементом запоминающих ЭЛТ является диэлектртческая мишень, называемая также потенциалоносителем. На первом этапе работы запоминающей трубки по следов ател ьно сть входаых электрических сигналов с помощью электронного луча преобразуется в распределение электрических зарядов на поверхности мишени 一 потенциальный рельеф. В зависимости от назначения трубки, режима ее работы, а также свойств диэлектрической мишени эти заряды могут сохраняться в течение определенного времени, которое может изменяться в широких пределах: от долей секунды до нескольких суток. На следующем этале работы электрические заряды (потенциальный рельеф) преобразуются в выходные сигналы, с достаточной точностью воспроизводящие записанную информацию.
21-2. ПОВЕДЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ
Диэлектрическая мишень-потенциалоноситель является элементом, на котором происходят основные, характерные для запоминающих трубок преобразования информации: преобразование входаых электрических сигналов в электрические заряды — потенциальный рельеф, преобразование электрических зарядов в выходаой сигнал. Эти преобразования осуществляются посредством пучка электронов, бомбардирующих поверхность диэлектрической мишени.
Рассмотрим простейшую схему (рис. 21.1), состоящую из электрон- ного прожектора 7, формирующего узкий сфокусированный пучок электронов, бомбардирующих некоторый участок (элемент) изолирц- ванной диэлектрической мишени 3. Устройство содержит также коллектор 2, служащий для отбора вторичных электронов с мишени.
232
рис. 21.1. Схема исследования вторично-эмиссионных свойств изолированной диэлектрической мишени
Энергия первичных электронов при подходе к диэлектрической мишени зависит только от разности потенпмалов конечного и начального электродов на пути электронного пучка независимо от какого-либо ускорения или торможения пучка между этими электродами. В применении к рассматриваемой схеме (рис. 21.1) начальным электродом является катод прожектора 1, служащий источником первичного пучка электронов, а конечным — поверхность диэлектрической мишени 3. Поэтому энергия электронов, бомбардирующих поверхность мишени, будет равна：
дМ/2= е(〃м -厶)，
где г — скорость электрона при подходе к мишени; 0M — потенциал мишени; UK — потенциал катода прожектора.
Если считать потенциал катода равным нулю, то
“2/2二 eUM.(21.1)
Основным процессом, определяющим работу запоминающей ЭЛТ, является вторичная электронная эмиссия с элемента поверхности диэлектрической мишени при облучении этого элемента пучком первичных электронов. Вторичные электроны, выбитые с поверхности мишени, могут попасть на коллектор 2 или возвратиться на мишень. Возвращение вторичных электронов на мишень в подавляющем большинстве случаев является нежелательным, фактором, так как происходит паразитный "засев" элементов мишени, проявляющийся в виде шума на выходе запоминающей ЭЛТ или потери записанной информации.
Типичная для диэлектриков зависимость коэффициента вторичной эмиссии и от энергии первичных электронов или, в соответствии с равенством (21.1), от потенциала облучаемого элемента поверхности мишени UM9 кратко рассмотренная в § 18.2, представлена на рис. 21.2. С ростом потенциала мишени коэффициент вторичной эмиссии вначале возрастает, достигает своего максимального значения отах (для применяемых в этих случаях диэлектрических материалов, как прави-
ло, Ощах 〉1)，а затем начинает уменьшаться. В связи с этим на кривой о = f (几)имеются точки А и В, для которых и = 1. Потенциалы, соответствующие этим точкам, носят название первого критического 厶pi и второго критического 以р2 потенциалов. Весь диапазон изменения потенциалов мишени можно разбить на три области (рис. 21.2). В области I О V / < &pi, в области II UKpX < ^и < &р2, в области III UM > 4P2 • Если запоминающая трубка работает при потенциалах мишени, соответствующих области /, то такой режим работы носит название режима медленных электронов, а при потенциалах, соответствующих областям II, III,— режима быстрых
электронов. Следует отметить, что режим работы прибора, соответствующий области III, является не характерным — запоминающие трубки, как правило, в этом режиме не работают.
Электроны первичного пучка, попадая на мишень, вносят на нее отрицательный электрический заряд q* = Т/, где t — время облучения элемента мишени первичным электронным пучком, а знак минус в этом выражении означает появление отрицательного заряда на мишени. В то же время выбиваемые вторичные электроны уносят с поверхности мишени отрицательный электрический заряд, заряжая ее положительно на заряд q/ I〉t・ Суммарное изменение заряда на облучаемом элементе мишени
М= 41 + % = (，2 -厶)"
Так как 4=砧，то
△q = /if (и - 1)・(21.2)
Изменение заряда облучаемого участка мишени приводят к изменению ее потенциала:
△U = М/С = Ixt(o- 1)/&(21.3)
где С — емкость участка мишени относительно всех других электродов рассматриваемой схемы.
Анайиз (21.3) показывает, что знак изменения потенциала зависит от значения коэффициента вторичной эмиссии. Действительно, если 234
。< 1, то на мишень приходит больше первичных электронов, чем ухо- дит от нее вторичных, вследствие чего на мишени накапливается отрицательный электрический заряд, что ведет к уменьшению ее потенциала, т. е. AU < 0. Если о > 1, то, наоборот, количество вторичных электронов больше первичных, мишень получает положительный электрический заряд и ее потенциал при облучении увеличивается, т. е. AU〉0. (Здесь следует учитывать, что значение о зависит от потенциала мишени, т. е. изменяется при облучении.)
На кривой g = f (几)，в точках А п В о = 1. Из (21.3) следует, что если потенциал поверхности мишени перед облучением был равен 6^р1 или 取р2，то облучение мишени первичным электронным пучком не вызывает изменения заряда ее поверхности, так как число первичных электронов равно числу вторичных. Поэтому для этих точек △〃 = 0, т. е. потенциал мишени не изменяется.
Для области / (рис. 21.2) в соответствии с (21.3) потенциал облучаемого элемента будет уменьшаться (так как AU < 0). При достаточно большом значении произведения /^В потенциал облучаемого элемента сравняется с потенциалом катода и первичные электроны, не досш- гая мишени, будут уходить на коллектор или на другие электроды системы, потенциал которых выше потенциала катода.
Таким образом, в режиме медленных электронов потенциал облучаемого элемента диэлектрической мишени уменьшается, а при достаточном значении произведения 7\г становится близким к потенциалу катода и далее не изменяется. Из-за наличия начальных скоростей электронов, испускаемых катодом, конечный потенциал мишени будет на 0,2— 0,5 В ниже потенциала катода.
Для области II на облучаемом элементе мишени будет накапливаться положительный заряд, а потенциал этого элемента будет увеличиваться, так как в соответствии с (21.3) △(/ > 0. Покажем, что при значительном значении произведения /^ потенциал облучаемого элемента мишени сравняется с вторым критическим потенциалом 4P 2 • Для этого рассмотрим процессы, характерные для области HL В этой области UM > 厶р2, а а < 1, поэтому потенциал облучаемого элемента будет уменьшаться до тех пор, пока не сравняется со вторым критическим потенциалом и дальнейшее уменьшение потенциала облучаемого элемента будет невозможно. В противном случае произошел бы переход в область II, в которой потенциал облучаемого элемента, как было сказано выше, должен увеличиваться, сдвигаясь в сторону С^р2, причем при достижении этого потенциала зарядка облучаемого элемента должна прекратиться, так как произойдет переход уже в область III, в которой изменение потенциала направлено в противоположную сторону, и т, д.
Таким образом, в режиме быстрых электронов (области II и III на рис. 21.2) потенциал облучаемого элемента мишени сдвигается в сторону второго критического потенциала 以р?, в области II потенциал
увеличивается, а в области III уменьшается. При достаточно большом значении произведения /" потенциал облучаемого элемента мишени устанавливается равным второму критическому потенциалу UKp2 и ос- тается таковым при продолжении воздействия первичного пучка электронов.
Из сказанного следует, что точка В на кривой о=/（几）（рис. 21.2） является точкой устойчивого равновесия. Действительно, любое небольшое отклонение потенциала облучаемого элемента мишени от значения 4P2，соответствующего точке В, в сторону уменьшения или увеличения ведет к тому, что первичный электронный пучок восстанавливает потенциал элемента мишени до значения 4P2, т. е. поддерживает потен* циал мишени на этом уровне.
Точка А на кривой и =/（母）является точкой неустойчивого равновесия. Любое случайное небольшое отклонение потенциала облучаемого элемента мишени от значения 4р], соответствующего точке Л, ведет к тому, что первичный электронный пучок увеличивает степень случайного отклонения, еще дальше смещая потенциал мишени от значения &pi в сторону первичного отклонения.
Нулевое значение потенциала мишени является полуустойчивым, так как потенциал мишени возвращается к этому значению только при отклонениях в положительную сторону.
Анализ процессов, происходящих на облучаемом первичным электронным пучком элементе мишени, проводился без учета потенциала коллектора 2 вторичных электронов （см. рис. 21.1）. Если потенциал мишени ниже потенциала коллектора, поле для вторичных электронов является ускоряющим и все вторичные электроны уходят на коллектор. При равных потенциалах коллектора и мишени практически все вторичные электроны также достигнут коллектора за счет собственных начальных скоростей, соответствующих энергиям 5—15 эВ. Если потенциал мишени будет на 5—15 В выше, чем потенциал коллектора, поле для вторичных электронов становится тормозящим, медленные вторичные электроны не смогут преодолеть разности потенциалов между мишенью и коллектором и вернутся на поверхность мишени, т. е. при некотором потенциале мишени электроны практически не будут попадать на коллектор.
Отношение тока электронов, уходящих на коллектор /кол, к току первичного пучка Ц, называется эффективным коэффициентом вторичной эмиссии
О?ф — ^кол/^1 •
Зависимость аэф = f（厶）представлена на рис. 21.3. Штриховой линией для сравнения показана зависимость и = /（厶）• На этом рисунке потенциал, соответствующий точке В9, называется равновесным потенциалом %. Значение равновесного потенциала, как было указано вы- 236
рис. 21.3. Зависимость эффективного коэффициента вторичной эмиссии диэлектрической мишени от потенциала мишенирис. 21.3. Зависимость эффективного коэффициента вторичной эмиссии диэлектрической мишени от потенциала мишени
рис. 21.3. Зависимость эффективного коэффициента вторичной эмиссии диэлектрической мишени от потенциала мишени
рис. 21.3. Зависимость эффективного коэффициента вторичной эмиссии диэлектрической мишени от потенциала мишени
ше, на 5—15 В превышает потенциал коллектора. Очевидно, точка 5 является точкой устойчивого равновесия. Точка С соответствует потен- циалу мишени, при котором все вторичные электроны остаются на ней. При очень малых энергиях первичных электронов часть из них отражается от мишени и вместе с вторичными электронами уходит на коллектор.
СПОСОБЫ ЗАПИСИ И СЧИТЫВАНИЯ
ПОТЕНЦИАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА
Образование потенциального рельефа (распределения зарядов) на поверхности диэлектрической мишени возможно лишь в том случае, если потенциал всех элементов поверхности мишени будет иметь одинаковое вполне определенное значение.
Покажем, каким образом можно задать первоначальный потенциал элементов поверхности мишени, т. е. подготовить мишень к записи потенциального рельефа.
В большинстве случаев мишень представляет собой пластину из диэлектрика 2, с тыльной стороны которой нанесено проводящее покрытие 3, называемое сигнальной пластиной (рис. 21.4). Эквивалентная схема такой системы представляет собой некоторую емкость С между сигнальной пластиной и поверхностью мишени 7, которая ни с чем не соединена. (Последовательно с емкостью С включена емкость С , представляющая собой емкость поверхность диэлектрика 一 прочие электроды прибора, которую можно не учитывать, так как С《С)
Если потенциал на одной из обкладок емкости С (на сигнальной пластине) изменить на &,п, то потенциал на второй обкладке емкости С (на поверхности мишени 7) изменится на то же значение. Такое изменение потенциала поверхности мишени является одним из способов задания первоначального потенциала мишени перед записью.
Значения начального потенциала могут быть разными для различных элементов мишени, так как они определяются режимом работы прибора на предыдущих этапах. В этом случае мишень также должна быть подготовлена к циклу записи потенциального рельефа, т. е. потенциал всех элементов ее поверхности должен быть одинаковым и иметь вполне определенное значение. Очевидно, простым изменением по-
Рис. 21.4. Диэлектрическая мишень с сигнальной пластиной и их эквивалентная схема
тенциала сигнальной пластины, как это было описано выше, добиться выравнивания потенциалов на поверхности диэлектрика невозможно.
Выше было показано, что если произведение l\t достаточно велико, то при облучении первичным пучком каждого элемента мишени потенциал этого элемента устанавливается приблизительно равным потенциалу катода UK при работе в режиме медленных электронов, либо приблизительно равным потенциалу коллектора икол при работе в режиме быстрых электронов. Этим обстояте льств ом и пользуются для задания первоначального, одинакового для всех элементов потенциала мишени.
Рассмотрим некоторые способы записи и считывания потенциального рельефа.
Равновесная запись. Пусть ток Ц первичного записывающего электронного пучка постоянен, и этот пучок перемещается по поверхности мишени по некоторой трассе записи, например растру или спирали. Если первоначальный потенвдал поверхности мишени соответствует режиму быстрых электронов, т. е. заключен в пределах 厶卩工 < UM < < UKp2, а во время записи на коллектор подано переменное напряжение записываемого сигнала, то при достаточно большом значении произведения ，1Г потенциалы элементов мишени становятся равными потенциалу коллектора икол. Таким образом изменяющееся во времени напряжение сигнала, прикладываемое к коллектору, преобразуется в потенциальный рельеф, распределенный по поверхности мишени по трассе записывающего пучка. Полярность записьшаемого сигнала может быть любой, т. е. потенциал элементов мишени после записи может быть как больше, так и меньше первоначального потенциала мишени.
В режиме быстрых электронов равновесная запись может быть осуществлена также при постоянном потенциале коллектора. Для рассмотрения происходящих здесь процессов обратимся к рис. 21.5. Записываемые сигналы в этом случае подаются на сигнальную пластину. Для простоты будем считать, что сигналы представляют собой разнополярные прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды Ц，игн и длительности t (рис. 21.5, п), а записывающий пучок находится на облучаемом элементе мишени в течение времени, в точности равного длительности t записываемого сигнала. На рис. 21.5, бив показано изменение во времени потенциалов двух элементов мишени, облучаемых электронным пучком, во время поступления на сигнальную пластину положитель- 238
а)а)UeUet/м.нач- %nt/м.нач- %nРис. 21.5. Изменение потенциалов при равновесной записи на сигнальной пластине О?) и на мишени при различных начальных потенциалах мишени (б) и (в):1 - положительный сигнал; 2 - отрицательный сигналРис. 21.5. Изменение потенциалов при равновесной записи на сигнальной пластине О?) и на мишени при различных начальных потенциалах мишени (б) и (в):1 - положительный сигнал; 2 - отрицательный сигнал
а)
а)
Ue
Ue
t/м.нач- %n
t/м.нач- %n
Рис. 21.5. Изменение потенциалов при равновесной записи на сигнальной пластине О?) и на мишени при различных начальных потенциалах мишени (б) и (в):
1 - положительный сигнал; 2 - отрицательный сигнал
Рис. 21.5. Изменение потенциалов при равновесной записи на сигнальной пластине О?) и на мишени при различных начальных потенциалах мишени (б) и (в):
1 - положительный сигнал; 2 - отрицательный сигнал
кого 1 или отрвдательного 2 импульса (рис. 21.5,6 соответствует случаю, когда начальный потенциал всех элементов мишени 几，нач равен потенциалу коллектора UMn, а рис. 21.5, в - случаю, когда начальный потенциал ниже потенциала коллектора).
До поступления на сигнальную пластину записываемого сигнала и соответственно начала облучения некоторого элемента мишени первичным электронным пучком потенциал этого элемента равен начальному потенциалу поверхности мишени С^,Нач (участки абиа б1
239
на рис. 21.5,仔 и в). В момент времени % (или % для другого элем^н- та) на сигнальную пластину приходит импульс записываемого сигнала. Согласно сказанному выше потенциалы рассматриваемых элементе должны измениться на Ц；игн (участки беи б18’ ). В этот же момент времени элемент начинает облучаться электронным пучком. При доЬта・ точно большом значении произведения 厶/ потенциал облучаемого элемента доводится до потенциала, близкого к потенциалу коллектора Ц<ол (участки ее и вг г1). Дальнейшее облучение рассматриваемого элемента мишени первичным электронным пучком не изменяет потенциалы облучаемых элементов (участки гд и г )ч
В момент времени t2 (или 〃 для другого элемента) первичный электронный пучок прекращает облучение рассматриваемого элемента мишени (переходит на другой элемент). В этот же момент времени, как было условлено выше, прекращается действие записываемого сигнала на сигнальной пластине. В связи с этим потенциал рассматриваемого элемента мишени должен измениться на ту же величину, что и потенциал сигнальной пластины, т. е. на &нгн (участки де и д е ), и в дальнейшем оставаться неизменным (участки еж и е ж1). Отметим, что глубина потенциального рельефа 厶％$ определяется как значением входного сигнала Ucwrn, так и значением на^йлыюго потенциала мишени 几，на* Полярность записываемых сигналов может быть любой.
Равновесная запись может быть осуществлена также в режиме медленных электронов (& < 6^>нач < &pi； а < 1). В этом случае потенциалы коллектора и сигнальной пластины постоянны, а записываемые сигналы подаются на катод прожектора. При достаточно большом значении произведения 7\ / первичный пучок доводит потенциалы облучаемых элементов до потенциала, который в данное время имеет катод, т. е. на мишени образуется потенциальный рельеф, глубина которого А%р пропорциональна записываемому сигналу. Полярность этого сигнала может быть лишь отрицательной, так как в противном случае электроны пучка могут не достигать мишени.
Неравновесная запись. Здесь, как и при равновесной записи, возможно применение нескольких вариантов. Отличительными особенностями всех этих вариантов являются малое значение тока Ц записывающего пучка и возможность записи сигналов только одной полярности.
Наиболее распространенным способом неравновесной записи является следующий. Потенциал коллектора остается постоянным, начальный потенциал мишени должен отличаться от потенциала коллектора и лежать в пределах 4Pl < UMtHa4 < &р2.
Потенциал сигнальной пластины постоянен, а записываемые сигналы подаются на модулятор прожектора для изменения тока записывающего пучка. В силу малости произведения /" потенциалы облучаемых элементов смещаются в сторону потенциала коллектора, не достигая 240
еУо. Глубина потенциального рельефа △%,р при этом оказывается прямо пропорциональной току записывающего пучка А, т. е. значениям записываемых сигналов при условии работы на линейном участке модуляционной характеристики прожектора.
Неравновесная запись может быть осуществлена подобно описанному выше способу и в режиме медленных электронов (UK < UM < 4pi； ст <f 1) . При этом потенциалы облучаемых первичным пучком элементов мишени сдвигаются в сторону потенциала катода, не достигая его.
Перезарядное считывание. Этот способ считывания получил наибольшее шрактическое применение. После записи потенциального рельефа потенциалы элементов мишени будут иметь различные значения (участки ем; и еж на рис. 21.5, бив). Элементы непроводящей мишени и сигнайьную пластину или любой другой электрод прибора можно пред- ставит^ как совокупность элементарных конденсаторов (см. рис. 21.4), потен^алы на обкладках которых различны. Электронный пучок с постоянным током /1, попадая на элемент мишени, доводит его потенциал до одного из стабильных значений: в режиме медленных электронов до Потенциала катода прожектора 4, а в режиме быстрых электронов до потенциала коллектора UKon. Указанные элементарные емкости при этом будут перезаряжаться, и в цепях соответствующих электродов, в частности в цепи сигнальной пластины, возникает перезарядный ток, представляющий собой выходной сигнал. Значение перезарядного тока определяется первоначальной разностью потенциалов на обкладках элементарных конденсаторов, т. е. значением записанного сигнала. При перезарядном считывании обязательным является доведение потенциалов элементов мишени электронным пучком до указанных стабильных значений UK или L^on? что определяется значением тока 厶.В противном случае произойдет потеря записанной информации.
ПОТЕНЦИАЛОСКОП С БАРЬЕРНОЙ СЕТКОЙ
Потенциалоскоп с барьерной сеткой является запоминающей ЭЛТ, преобразующей входные электрические сигналы в электрические заряды (потенциальный рельеф), сохраняющей эти заряды в течение определенного времени, а затем воспроизводящей их в виде электрических сигналов.
В зависимости от назначения существуют различные конструкции потенциалоскопов с барьерной сеткой, причем ряд приборов в зависимости от решаемых ими задач может работать в различных режимах.
Устройство одного из наиболее распространенных вариантов потен- циалоскопа с барьерной сеткой показано на рис. 21.6. В нем имеется прожектор 9 с катодом 10. Прожектор формирует узкий сфокусированный пучок 6 первичных электронов. С помощью отклоняющих пластин 7 и 8 этот пучок сканирует по определенной трассе диэлектрическую мишень 2. Мишень представляет собой слюдяную или стеклянную 241
Рис. 21.6. Устройство потенциалоскопа с барьерной сеткой
пластину толщиной 0,2-0,8 мм, тыльная сторона которой покрыла проводящим слоем, образующим сигнальную пластину 1, В непосредственной близости от мишени, на расстоянии 0,08—0,12 мм от нее, располо- жейа барьерная сетка 3, служащая для предотвращения паразитного "засева” вторичными электронами элементов мишени, не облучаемых электронным пучком. На расстоянии 4—15 мм от барьерной сетки расположен коллектор 5 вторичных электронов 4.
Рассмотрим один из возможных режимов работы этого потенциалоскопа. Входные сигналы подаются на сигнальную пластину. Выходные сигналы снимаются с сопротивления Rl9 включенного в цепь коллектора. Катод прожектора имеет высокий отрицательный (—1,5 = 2 кВ) потенциал относительно заземленной барьерной сетки, поэтому облучение поверхности диэлектрика первичным электронным пучком происходит как при записи, так и при считывании потенциального рельефа в режиме быстрых электронов (а > 1). Коллектор вторичных электронов имеет высокий положительный (+ 100 土 200 В) потенциал, что позволяет эффективно производить отбор вторичных электронов, уходящих с поверхности мишени 2.
При отсутствии входных сигналов первичный электронный пучок 6 постоянной интенсивности последовательно перемещается по некоторой трассе с одного элемента мишени на другой. При значительном произведении 八 t потенциалы всех облученных элементов мишени должны достигнуть потенциала, близкого к потенциалу коллектора 4ол・ Таким образом, перед записью потенциального рельефа между поверхностью мишени, обращенной к прожектору, и сигнальной пластиной 1 установится разность потенциалов, равная приблизительно потенциалу коллектора. Если входные сигналы отсутствуют, то в цепи коллектора течет постоянный ток, приблизительно равный току первичного пучка 厶，потенциал в точке а (рис. 21.6) остается постоянным, а сигнал На выходе из-за наличия разделительной емкости С\ отсутствует.
\ При подаче на сигнальную пластину входных сигналов иъх потенциал поверхности диэлектрика, обращенной к прожектору, должен измениться на &х・ Если одновременно с этим облучать поверхность диэлектрика электронным пучком, то потенциал облучаемого элемента при равновесной записи будет доводиться вновь до потенциала, близкого к потенциалу коллектора, а на мишени образуется потенциальный рельеф. При записи положительного относительно коллектора сигнала вторичные электроны будут оставаться на мишени, следовательно, nocJje окончания облучения элемента его потенциал будет ниже потенциала коллектора. В цепи коллектора будет течь ток оД, где а < 1, т. е/ на выходе прибора одновременно с записью будет воспроизводиться копия записываемого сигнала.
При следующем цикле работы потенциалоскопа (считывании) мишень ^облучается первичным пучком электронов постоянной интенсивности без подачи на сигнальную пластину входных сигналов. Поскольку потенциал элемента, на котором был записан положительный отно- сительйо коллектора сигнал, ниже потенциала коллектора, то считывающий пучок стирает потенциальный рельеф, приводя потенциал элементов мишени к потенциалу коллектора (перезарядное считывание) .В цепи коллектора будет течь ток о/^, где о > 1, т. е. в цепи коллектора будет воспроизводиться зеркальное отображение записанного ранее сигнала. Аналогичным образом могут быть рассмотрены процессы, происходящие при записи сигналов, потенциал которых ниже потенциала коллектора.
Одним из примеров практического применения потенциалоскопа с барьерной сеткой в рассмотренном выше режиме работы является его использование для селекции движущихся целей в радиолокации» Если цель неподвижна, то сигналы от нее на выходе потенциалоскопа будут равны нулю. Если же цель движется в пространстве, то результирующий сигнал на выходе прибора в рассматриваемый момент времени будет отличен от нуля. Анализ значения, формы и положения в пространстве этого результирующего сигнала позволяет определить ряд характеристик цели, например направление и скорость ее движения.
215 ЗАПОМИНАЮЩАЯ ТРУБКА
С ВИДИМЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ
В качестве примера рассмотрим устройство и принцип действия осциллографической запоминающей трубки с видимым изображением, применяемой в запоминающих осциллографах. Ее конструкция показана на рис. 21.7. Она содержит записывающий 10 и воспроизводящий 7 прожекторы, отклоняющую систему 9, с помощью которой записывающий электронный пучок 8 разворачивается по поверхности мишени. Сетчатая мишень представляет собой мелкоструктурную сетку из проводящих прутков 2 с шагом 0,1-0,2 мм и шириной перемычки
0,02—0,04 мм, покрытую со стороны прожекторов слоем диэлектрика 3 с большим коэффициентом вторичной эмиссии. На расстоянии 0,2— 0,3 мм от поверхности диэлектрика располагается коллекторная сетка 4, выполняющая роль коллектора вторичных электронов и барьерной сетки, устраняющей перераспределение вторичных электронов по поверхности диэлектрической мишени. В трубке имеется также алюминированный люминесцентный экран 7, на котором воспроизводится изображение записанных сигналов, и электроды 6 коллимирующей линзы, обеспечивающей ортогональный подход электронов 5 воспроизводящего пучка к мишени по всей ее поверхности.
Воспроизводящий прожектор действует непрерывно и создает расфокусированный пучок электронов, облучающих одновременно всю поверхность мишени. Проходя между витками сетчатой мишени, эти электроны попадают на экран, вызывая его свечение. Большая разность потенциалов (6—10 кВ) между экраном и катодом воспроизводящего прожектора позволяет получить достаточно высокую яркость изображения.
Большая прозрачность сетчатой мишени (больше 60%) позволяет пропускать на экран значительные токи воспроизводящего пучка, что также способствует получению высокой яркости изображения. Фрагмент этой сетчатой мишени представлен на рис. 21.8, а. Основной характеристикой, определяющей работу прибора, является сеточная характеристика мишени, показанная на рис. 21.8, 6. Она представляет собой зависимость тока воспроизводящего пучка, попадающего на экран /э, от потенциала поверхности диэлектрика UM. Если потенциал поверхности диэлектрика ниже некоторого значения UMf3an> называемого запирающим потенциалом диэлектрика, то электроны воспроизводящего пучка не могут преодолеть тормозящее поле между витками мишени и на экран не попадают — экран не светится. Этот случай иллюстрируется рис. 21.8, в.
Если же потенциал поверхности диэлектрика выше 4,зап (Цл,зап < < С^ < 0), то электрическое поле между витками мишени будет уско- 244
эквипотен-эквипотен-ОВ -%ОВ -%Рис. 21.8. Работа сетчатой мишени:
эквипотен-
эквипотен-
ОВ -%
ОВ -%
а - фрагмент сетчатой мишени; б - сеточная характеристика мишени; 8 - эквипотенциальные линии и траектории электронов у сетчатой мишени при % < ^м, зап； 2 一 эквипотенциальные линии и траектории электронов у сетчатой мишени при %,зап < % < 0； 1 一 прутки сетки; 2 — диэлектрик; 3 — траекто-
рии электронов; 4 циалирии электронов; 4 циалиряющим для электронов воспроизводящего пучка, они будут проходить на экран, вызывая его свечение. Этот случай иллюстрирует рис. 21.8, г. В связи с тем, что потенциал поверхности диэлектрика в режиме воспроизведения сигналов всегда меньше нуля (рис. 21.8, б), электроны воспроизводящего пучка непосредственно на поверхность мишени не попадают (потенциал катода воспроизводящего прожектора 4,воспр ~ 0) и, следовательно, не могут изменять потенциал мишени. Таким образом, если при записи потенциал поверхности диэлектрика был доведен до некоторого значения UM (UM,3ali < 几 < 0), то это значение потенциала будет сохраняться при длительном воспроизведении записанных сигналов.
рии электронов; 4 циали
рии электронов; 4 циали
Перед записью потенциального рельефа производят подготовку мишени к записи, которая совмещена в данном случае со стиранием ранее записанных сигналов. Для объяснения процессов, происходящих при стирании и записи, обратимся к рис. 21.9. Пусть некоторый элемент сетчатой мишени имел начальный потенциал 厶,нач, оставшийся от ранее записанных сигналов (участок аб). Цикл подготовки — стирания начинается в момент времени Для этого на прутки сетчатой мишени подается импульс положительной полярности с амплитудой &,м〉 > I %,зап1 • Тогда потенциал поверхности диэлектрика в момент вре- 245
Рис. 21.9. Изменение потенциала мишени при подготовке к записи и при записи сигналов
мени % изменяется на ту же величину (участок бе) и становится боль- шим нуля (больше потенциала катода воспроизводящего прожектора) • Вследствие этого электроны воспроизводящего пучка начинают попадать на диэлектрик, облучают его в режиме медленных электро- нов (о < 1) и доводят его потенциал до потенциала катода воспроизводящего прожектора, т. е. до нуля (участок вг). Этот потенциал сохраняется на диэлектрике до момента времени t3 (участок а。). В мо- мент времени г3 стирающий импульс, поданньш на прутки мишени, заканчивается, а потенциал диэлектрика вследствие этого снижается, оказывается отрицательным и равным по абсолютному значению амплитуде стирающего импульса (участок Ое). Теперь электроны воспроизводящего пучка не попадают на мишень и ее потенциал сохраняет свое значение до начала записи (участок еж).
В режиме осциллографирования записываемые сигналы подаются на нижние отклоняющие пластины системы 9 записывающего прожек- тора (см. рис. 21.7), вследствие чего размах изображения сигнала на экране будет пропорционален амплитуде записываемого сигнала.
Цикл записи начинается в момент времени г4 (рис. 21.9). При этом узкий сфокусированный записывающий пучок электронов постоянной интенсивности сканирует мишень по трассе в соответствии с записываемыми сигналами. Электроны записывающего пучка подходят к мишени с энергией около 1000-3000 эВ, и для них о > 1 (режим быстрых электронов). Поэтому в местах, на которые воздействовал электронный пучок, потенциал диэлектрика повышается, смещаясь в сторо- НУ потенциала коллекторной сетки (неравновесная запись), и стано- внтся выше запирающего 巩,3ali (участок жз). В момент времени ts записывающий пучок уходит с рассматриваемого элемента мишени, потенциал которого может сохраняться длительное время (участок з〃). Воспроизводящий пучок в этих местах начинает проходить на 246
экран и вызывает его свечение, т. е. на экране создается как бы проекция потенциального рельефа, записанного на мишени.
Записанный однократно сигнал может в течение длительного времени воспроизводаться на экране.
Контрольные вопросы и задания
Каково назначение запоминающих ЭЛТ?
Какие физические принципы и явления используются при записи потенциального рельефа?
Какой режим работы запоминающей трубки называется режимом быстрых электронов (режимом медленных электронов) ?
Какой потенциал при записи или считывании потенциального рельефа называется равновесным?
Что такое равновесная запись потенциального рельефа?
Опишите основные процессы, происходящие при перезарядном считывании потенциального рельефа.
Каково назначение барьерной сетки в потенциалоскопах?'
Назовите основные циклы работы потенциалоскопа с барьерной сеткой.
Поясните управляющее действие сетчатой диэлектрической мишени в осциллографической запоминающей трубке.
Каким образом производится стирание потенциального рельефа в осциллографических запоминающих трубках?
Глава двадцать вторая
ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАЮЩИХ ТРУБКАХ
Под передающей телевизионной трубкой понимают ЭЛП, преобразующий оптическое изображение в соответствующие электрические сигналы. По принципу действия передающие трубки можно разделить на две группы: трубки мгновенного действия и трубки с накоплением зарядов. Последние можно классифицировать по фотоэлектрическому преобразованию :с внешним и внутренним эффектом.
В настоящее время в телевизионном вещании и прикладном телевидении используют ряд передающих трубок, отличающихся по принципу действия и конструкции: диссектор, суперортикон, видикон и его модификации.
Независимо от способа преобразования и устройства передающие трубки характеризуются целым рядом качественных показателей: чувствительностью, разрешающей способностью, характеристиками (световой и спектральной), уровнем собственных шумов, инерционностью.
Рис. 22.1. Апертурная характеристика суперор- тикона
Чувствительность передающих трубок определяется минимально допустимой освещенностью на фотокатоде при заданном отношении сигнал/помеха. В справочной литературе обычно указьшается
интегральная чувствительность трубки Sy, определяемая для области видимого света. Как правило, интегральная чувствительность оценивается отношением тока сигнала к световому потоку, падающему на фото- катод, мкА/лм, или тока сигнала к освещенности фотокатода, мкА/лк. Часто приводят также значение тока сигнала /с для конкретного зна
чения освещенности.
Разрешающая способность передающей трубки определяется максимальным числом воспроизводимых мелких деталей изображения с контрастом, достаточным для их регистрации. Объективно этот параметр характеризуется апертурной характеристикой, показывающей зависимость значения глубины модуляции сигнала изображения от относительных размеров деталей изображения, оцениваемых числом строк или числом линий.
На рис. 22.1 представлена апертурная характеристика передающей трубки. По оси ординат откладывается глубина модуляции 加,под которой понимается отношение абсолютного значения сигнала от мелких деталей изображения к размаху сигнала от черно-белого перепада крупной детали изображения, принятому за 100%. Как правило, глубину модуляции сигнала определяют на отметке 400 или 600 строк.
Световая характеристика трубки (характеристика свет — сигнал) — зависимость величины выходного сигнала от освещенности фоточув- ствительного слоя. Эта характеристика отражает способность трубки воспроизводить яркостные полутона (градации яркости) и контраст воспроизводимого изображения.
Спектральная характеристика трубки — зависимость сигнала изображения от длины волны падающего света при равных его энергиях.
Инерционность передающей трубки — явление запаздывания изменений выходного сигнала относительно соответствующих изменений светового сигнала на входе трубки. Этот параметр определяет качество воспроизведения телевизионного изображения при передаче движущихся объектов.
ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Принцип мгновенного действия можно рассмотреть на эквивалентной схеме рис. 22.2. При замкнутом выключателе S и освещении фотокатода фотоэлемента световым потоком Ф по резистору протекает фо-
(22.1)(22.2)(22.1)(22.2)Рис. 22.2. Образование сигнала в системе мгновенного действия
(22.1)
(22.2)
(22.1)
(22.2)
тоток /ф, создавая напряжение сигнала, равное
"=/巾灭Ы
Фототок
〃)~ Sy ①,
где Sv — световая чувствительность фотоэлемента.
После подстановки выражения (22.2) в (22.1) получим:
U© = Sy ФЛН.
Световая энергия, участвующая в образовании сигнала,
где % — время коммутации элемента. Следующая коммутация должна произойти через время кадра Тп. Очевидно, что на интервале времени Тп световая энергия не используется. Эта энергия: %汽=Ф%
Определим, какая часть светового потока участвует в образовании сигнала:
%/%м = t』Тп 二 1/М
здесь N — количество элементов разложения. Если предположить, что время передачи кадра равно Тк 二 1//к = (1/25) Гц = 40 мс, а среднее число элементов разложения в кадре 7V = 400000, то время, в течение которого освещен фотокатод фотоэлемента, составляет гэл = 40 • 1(Г3/ 400 000 = 0,1 мкс.
Следовательно, фототок от отдельного элемента используется для образования сигнала в течение весьма короткого времени (около 1(Г7 с), а все остальное время (4 • 1(Г2 с) фототок остается неиспользованным. Поэтому трубки мгновенного действия весьма неэффективны.
Диссектор - передающая телевизионная трубка мгновенного действия, в которой сфокусированное электронное изображение, полученное с фотокатода путем электронного отклонения, развертывается относительно неподвижного отверстия или щели.
Устройство диссектора схематически представлено на рис. 22.3. В этом приборе можно выделить две основные секции: секцию переноса электронного изображения и секцию вторично-электронного умножения сигнала изображения.
Секция переноса электронного изображения содержит полупрозрачный фотокатод 1, нанесенный на внутренней поверхности плоского дна колбы, ускоряющий электрод 2, анод 3 с отверстием в центре, размер которого определяет один элемент разложения.
Цепь вторично-электронного умножения (ВЭУ) состоит из нескольких динодов 4 и коллектора 5, в цепь которого включен резистор нагрузки &♦
Снаружи баллона располагаются отклоняющая система 6 и фокусирующая катушка 7. Между фотокатодом и ускоряющим электродом 2 приложено ускоряющее напряжение. Соответствующее напряжение приложено к коллектору ВЭУ и его динодам.
Оптическое изображение объекта проекцируется на фотокатод, где преобразуется в электронное. Продольное электростатическое поле ускоряет электроны в направлении анода. Магнитное поле, создаваемое длинной фокусирующей катушкой, переносит электронное изображение в плоскость анода. С помощью двух пар отклоняющих катушек электронное изображение непрерывно развертывается относительно отверстия анода в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно со строчной и кадровой частотами. Попадающие в отверстие анода поочередно элементарные токи, соответствующие освещенностям элементов изображения, усиливаются ВЭУ и с нагрузки коллектора снимается видеосигнал.
Как и все системы мгновенного действия, диссектор обладает низкой чувствительностью. Поэтому его нельзя использовать в системах вещательного телевидения. Однако диссектор имеет ряд достоинств: простоту конструкции (отсутствие прожектора), надежность, мгновенную готовность к работе, большой срок службы, хорошую передачу градаций яркости, высокую разрешающую способность. Благодаря этим свойствам эти трубки нашли применение в установках промыш- 250
Рис. 22.4. Принципиальная оптическая схема системы бегущего луча
ленного телевидения, а также в малокадровых системах прикладного назначения.
Принцип мгновенного действия используется также в системе ”6е・ гущий луч" (рис. 22.4). На экране проекционного кинескопа 7 создается изображение пятна повышенной яркости, который проецируется с помощью объектива 2 на передаваемый объект, например фотопленку 3. Конденсорная система 4 фокусирует световой поток, прошедший фотопленку, на фотокатод ФЭУ 5. Мгновенное значение тока на выходе ФЭУ пропорционально яркости светящегося пятна и прозрачности фотопленки. Такая система обеспечивает высокое качество передаваемых изображений, но пригодна практически для передачи кинофильмов, диапозитивов, графических документов.
ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ
С НАКОПЛЕНИЕМ ЗАРЯДА
Принцип накопления зарядов. Выше было показано, что трубки мгновенного действия малоэффективны, обладают низкой чувствительностью из-за того, что при формировании видеосигнала в каждый момент времени используется малый фототок с одного элемента изображения. Для повышения чувствительности передающих трубок было предложено использовать световую энергию всего изображения с ее непрерывным накоплением в виде электрической энергии в конденсаторах.
Принцип накопления зарядов можно рассмотреть на примере некоторой светочувствительной мишени, состоящей из большого числа миниатюрных фотоэлементов 3, нагруженных одинаковыми элементарными конденсаторами С (рис. 22.5).
Представим себе, что имеется z строк, на которых расположены фотоэлементы. Тогда полное число фотоэлементов N с учетом формата мишени (кадра) К будет равно:
N= Kz?・
Допустим, что на все фотоэлементы падает световой поток Ф. Этот световой поток вызовет фототок с одного элемента /ф1，а каждый элементарный конденсатор накопит заряд
q =必及,где & — время передачи кадра.
Рис. 22.5. Принцип накопления электрических зарядов на поверхности мишени передающей трубки:
1 - объект; 2 - объектив; 3 - фотоэлементы; 4 - накопительные емкости;
К - коммутирующее устройство
В момент коммутации ключа К （роль ключа в передающих трубках выполняет развертывающий электронный луч） происходит разряд элементарного конденсатора по цепи: левая обкладка конденсатора — ползунок коммутатора — резистор нагрузки — правая обкладка конденсатора. При этом на нагрузочном резисторе % ток разряда zp создает видеосигнал Uc, равный Uc = ipRu. Разряд конденсатора происходит за время коммутации одного элемента, т. е. за время тэ = TK/N. Средний разрядный ток
% = "% =必（及/*）.
Сигнальный ток в данной системе равен
「J =叫）.
Таким образом, эффект накопления теоретически позволяет повысить чувствительность передающей трубки в 7V раз по сравнению с системой мгновенного действия.
Суперортикон — передающая ЭЛТ с переносом изображения и считыванием информации с двухсторонней диэлектрической мишени пучком медленных электронов и с вторичным усилением отраженного обратного электронного пучка. Схема устройства суперортикона показана на рис. 226 Трубка состоит из трех секций: переноса электронного изображения, коммутации и вторично-электронного усиления.
Секция переноса электронного изображения содержит: полупрозрачный фотокатод 7, нанесенный на торцевую поверхность трубки, ускоряющий электрод 2 и мишень 3, представляющую собой полупроводниковый стеклянный диск толщиной 3-5 мкм. Перед мишенью со 252
33以"15%1以"15%1Ш1z О-180ВШ1z О-180В77ГОVimГОVimк+285В +14U0Bк+285В +14U0B/2/21111оо1010оо一？一？
3
3
以"15%1
以"15%1
Ш1
z О-180В
Ш1
z О-180В
7
7
ГО
Vim
ГО
Vim
к+285В +14U0B
к+285В +14U0B
/2
/2
11
11
о
о
10
10
о
о
一？
一？
Рис. 22.6. Суперортикон
стороны фотокатода на небольшом расстоянии, примерно 10—50 мкм, расположена мелкоструктурная сетка. Эта сетка имеет небольшой положительный потенциал 1—3 В относительно катода электронного прожектора.
Секция коммутации включает в себя тормозящий электрод 4, выравнивающую сетку 5, фокусирующий электрод 6 и цилиндр умножения 7. Сетка 5 расположена на расстоянии 10—12 мм от тормозящего электрода, имеет отдельный вывод. В некоторых конструкциях суперортико- на она соединяется с тормозящим электродом. Фокусирующий электрод представляет собой проводящее покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность узкой части колбы.
Секция вторично-электронного усиления состоит из ВЭУ 8 жалюзийного типа и электронного прожектора 9. Последний содержит подогревный катод, управляющий электрод и анод. Первым динодом ВЭУ является наружная поверхность анодной диафрагмы прожектора. На выходе ВЭУ к коллектору включен резистор нагрузки Лн.
Снаружи колбы располагаются длинная фокусирующая катушка 12, строчные и кадровые отклоняющие катушки 11 и корректирующие катушки 10.
Корректирующие катушки компенсируют небольшое отклонение электронного луча от оси, вызванное неточностью сборки электродов прожектора.
Рассмотрим работу трубки. Передаваемое изображение проектируется на фотокатод 7, который эмиттирует фотоэлектроны пропорционально освещенности. Сфокусированные магнитными и электрическими полями фотоэлектроны, попадая на мишень, выбивают из нее вторичные электроны, которые собираются сеткой. В результате на мишени образуется положительный потенциальный рельеф со стороны фотока- 253
тода, соответствующий распределению света на передаваемом объекте. Потенциальный рельеф за счет электростатической индукции и поперечной проводимости тонкого полупроводникового стеклянного диска воспроизводится на противоположной поверхности мишени.
Потенциалы электродов секции коммутации подобраны так, что электроны подходят к мишени перпендикулярно и почти с нулевой скоростью. Перпендакулярность попадания электронного пучка на мишень обеспечивается соответствующим подбором напряжения на тормозящем электроде. Достигая мишени, часть электронов оседает на ней и восполняет недостающее число электронов на данном участке мишени. Чем больше положительный заряд, тем большее количество электронов пучка оседает на мишени. Остальная часть электронов возвращается обратно ускоряющим полем на анод. Таким образом, возвращающийся пучок электронов оказывается промодулированным в соответствии с распределением освещенности на передаваемом объекте. Более освещенному элементу фотокатода соответствует больший положительный заряд этого элемента мишени.
Для компенсации этого заряда требуется больше электронов пучка, поэтому более светлому участку в передаваемом объекте будет соответствовать меньший обратный ток пучка. Промодулированный пучок электронов двигается в обратном направлении в ускоряющем поле, падае工 на анод прожектора, являющийся одновременно первым каскадом ВЭУ, выбивает из него вторичные электроны, которые попадают на диноды (2, 3 м т. д.). Расположенный вблизи первого каскада ВЭУ электрод, называемый цилиндром умножителя, способствует наиболее полному отбору электронов с первого каскада в умножитель. Электроны с последнего каскада ВЭУ собираются коллектором и образуют выходной сигнал трубки. Благодаря наличию секции ВЭУ супер- ортикон обладает высоким уровнем выходного сигнала 0Д-0,5 В. К достоинствам суперортикона, обеспечивающим ему широкое применение в телевизионной технике, относятся высокая чувствительность5 разрешающая способность и хорошая передача градаций яркости.
Световая характеристика суперортикона, представляющая собой зависимость выходного сигнала от освещенности, представлена на рис. 22.7. К недостаткам суперортикона следует отнести высокий уровень шумов, растущий с уменьшением освещенности объекта. Объясняется это тем, что наиболее темной точке изображения объекта соответствует максимальный выходной ток, а следовательно, и наибольший уровень шумов. За последние годы были разработаны суперортиконы с высоким отношением сигнал/шум (около 80-120) за счет увеличения размеров мишени и уменьшения расстояния сетка—мишень.
Видикон — передающая ЭЛТ с фотопроводящей мишенью, работа которой основана на использовании внутреннего фотоэффекта. Видиконы могут работать в двух режимах развертки лучом медленных i электронов (。< 1) и быстрых электронов (а> 1).
254
Рис. 22.7. Световая характеристика суперорти- кона
Рассмотрим устройство и принцип работы видикона» работающего в режиме медленных электронов, получивших большое распространение (рис. 22.8).
Внутри баллона находится светочувствительная мишень и электронный прожектор. Мишень 9 состоит из фотослоя и сигнальной пластины, нанесенной на плоскую поверхность стеклянного диска в виде проводящей прозрачной пленки двуокиси олова.
В качестве фотопроводящего слоя применяются, например, трехсернистая сурьма SbSs, сернистый кадмий Cd2 sз толщиной 1—3 мкм и удельным сопротивлением 1011 — 1012 Ом • см. Сигнальная пластина имеет хороший контакт с металлическим кольцом, вваренным в стекло баллона и имеющим вывод наружу.
Прожектор состоит из катода 4, модулятора 5, первого 6 и второго 7 анодов.
Перед мишенью со стороны прожектора расположена мелкоструктурная сетка 8. Обычно на нее подают напряжение, в 1,5—1,7 раза превьь шающее напряжение второго анода. Дополнительная электронноюпти- ческая линза, образованная между сеткой и анодом, позволяет исправить неортогональность электронного пучка при подходе его к поверх
ности мишени.
Прожектор формирует пучок медленных электронов диаметром 20— 30 мкм при токе 0,3-0,5 мкА. Дополнительная фокусировка пучка создается продольным однородным магнитным полем катушки L Корректирующие катушки 3, так же как и в суперортиконе, служат для юстировки положения электронного пучка. Отклоняющая система 2 состоит из двух пар катушек (без сердечника) горизонтальной и вертикальной разверток. В режиме медленных электронов потенциал сигнальной пластины на несколько десятков вольт превышает потенциал катода прожектора. На катоде - нулевой потенциал, а на аноды подается напряжение около 300 В.
В режиме быстрых электронов на сигнальную пластину подается отрицательный относительно анода потенциал &,口 = — (10-^30) В.
Образование сигнала изображения в видиконе поясняет эквивалентная схема рис. 22.8,6.
Накопительные конденсаторы Сь . . ., Сп образованы участками поверхности фотослоя и сигнальной пластиной. Последняя является общей обкладкой для всех элементарных конденсаторов. Каждый конденсатор шунтирован фоторезистором.
Г| R“Г| R“-1-1°)°)瓦瓦UjnUjnн" пнто о±н" пнто о±
Г| R“
Г| R“
-1
-1
°)
°)
瓦
瓦
Ujn
Ujn
н" пнто о±
н" пнто о±
Рис. 22.8. Устройство видикона (а) и эквивалентная схема (б)
При отсутствии освещения (Ф = 0) и большом отрицательном напряжении на модуляторе (трубка закрыта) правая сторона мишени приобретает потенциал сигнальной пластины за счет темновой проводимости. Так как потенциалы левой и правой обкладок конденсатора одинаковы и равны напряжению источника питания сигнальной пластины 〃,口，то конденсаторы С\，…，Сп не заряжены.
При открытой трубке и световом потоке, равном нулю, правая сторона мишени под влиянием развертывающего луча приобретает потенциал катода, так как фотопроводящий слой обладает высоким удельным сопротивлением и его можно рассматривать как изолированный электрод. Следовательно, емкости Сх, . . ., Сп заряжаются до напряжения ",口.
При проекции оптического изображения на мишень проводимость будет определяться освещенностью данного элемента и элементарные
Рис. 22.9. Световые характеристики видикона при различных напряжениях на сигнальной пластине (%, п] > %, П2 > пз)
конденсаторы будут разряжаться в разной степени в интервалах времени между коммутациями. Вследствие этого на поверхности мишени образуется положительный потенциальный рельеф.
Электронный луч, обегая мишень, доводит поверхность всех ее участков до одинакового потенциала, равного потенциалу катода. Как и в суперортиконе, считывающий электронный луч оставляет на освещенных участках фотослоя больше электронов, чем на затемненных. Таким образом, токи йозаряда элементарных конденсаторов, возникающие в процессе развертки потенциального рельефа электронным лучом, несут в себе информацию о распределении освещенностей на фотокатоде. Перезарядный ток, протекая через резистор нагрузки, образует напряжение видеосигнала.
К достоинствам видиконов следует отнести высокую чувствительность, простоту конструкции и настройки. Использование в видиконах фотопро.водящих материалов с большим квантовым выходом позволяет создавать трубки малых габаритных размеров без ухудшения ее качеств.
Существенным недостатком видикона является его инерционность, проявляющаяся при передаче быстро движущихся объектов в виде снижения четкости и контрастности изображения. Инерционность резко уменьшается при увеличении освещенности.
Световая характеристика видикона (рис. 22.9) зависит от свойств мишени, напряжения на сигнальной пластине и тока луча.
В плюмбиконе в отличие от видикона фото мишень состоит из трех слоев и представляет собой р-/-«-структуру (рис. 22.10). Проводящее прозрачное покрытие - сигнальная пластина 1, как и в видиконе, нанесено на внутреннюю поверхность планшайбы трубки 5. Слой 2 (полупроводник л-типа) прилегает к сигнальной пластине, а слой 4 (р-типа) обращен к развертывающему лучу. Между двумя этими слоями рас- :положена область i с собственной проводимостью 3. Эта область выполняется из окиси свинца толщиной 10—15 мкм и имеет упорядо-
ченную кристаллическую структуру в виде иголок размером ОД X X 0,1 X 1,0 мкм, расположенных перпендикулярно мишени. Темновое сопротивление области i около 108 Ом • см. На сигнальную пластину подается небольшое положительное напряжение +20 土 30 В относительно катода. Если учесть, что на первый и второй аноды подводят напряжение 300—500 В, то развертка фотомишени осуществляется медленными электронами.
Рассмотрим работу плюмбикона. Пусть поверхность мишени не освещена. При развертке мишени лучом потенциал ее доводится до равновесного значения, равного потенциалу катода, т. е. нулю (режим медленных электронов). При этом происходит заряд элементарных конденсаторов.
При проецировании на мишень оптического изображения носители тока (электроны и дырки), возникающие в области i, проходят ее, не рекомбинируясь. Такое прохождение носителей тока обусловлено высокой напряженностью электрического поля и малой концентрацией ловушек. Под последними следует понимать примесные атомы, захватывающие электроны или дырки. Генерируемые при освещении фотомишени носители тока разряжают элементарные конденсаторы, а на поверхности слоя 4 образуется потенциальный рельеф. При считывании потенциального рельефа, так же как и в видиконе, на резисторе нагрузки образуется напряжение видеосигнала.
Плюмбикон по сравнению с видиконом имеет ряд преимуществ: высокую чувствительность, соизмеримую с чувствительностью супер- ортикона, низкую инерционность, линейную световую характеристику в широком диапазоне освещенностей, спектральные характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза. Эти достоинства обеспечили применение их в современных камерах цветного телевидения.
Кремникон имеет мишень, состоящую из сверхминиатюрных фотодиодов (рис. 22.11). Основой мишени служат пластина кремния толщиной приблизительно 20 мкм с проводимостью л-типа. При изготовлении мишени используется метод планарной технологии кремниевых интегральных схем. На поверхности, обращенной к прожектору, формируются области с проводимостью p-типа, образующие с кристаллом кремния мозаику фотодиодов. Противоположная сторона пластины имеет потенциал 10—15 В относительно катода прожектора.
При коммутации мишени сфокусированным пучком медленных электронов рюбласти доводятся до равновесного потенциала, равного потенциалу катода. При этом диоды матрицы приобретают смещение в обратном направлении, происходит заряд элементарных конденсаторов —диодов.
При проецировании на мишень оптического изображения в ее теле генерируются пары электрон —дырка, которые захватываются внешним полем мишени и разряжают элементарные конденсаторы. Степень разрядки пропорциональна освещенности элемента. Формирование сигна-
Рис. 22.10. Мишень плюмби- конаРис. 22.10. Мишень плюмби- конаРис. 22.11. Мишень кремни-Рис. 22.11. Мишень кремни-конакона
Рис. 22.10. Мишень плюмби- кона
Рис. 22.10. Мишень плюмби- кона
Рис. 22.11. Мишень кремни-
Рис. 22.11. Мишень кремни-
кона
кона
ла в кремниконе аналогично плюмбикону и стандартному видикону. Важным свойством рассматриваемой трубки является отсутствие выжигания мишени при длительном воздействии значительных освещенностей.
Суперкремниконы являются модификацией кремникона. В них осуществлено электронное усиление сигнала за счет переноса изображения подобно известной передающей трубке — суперортикону. Суперкремниконы обладают высокой чувствительностью (1СГ4 лк), сравнительно небольшой инерционностью и достаточно высокой разрешающей способностью. Несложная конструкция, небольшие размеры и масса трубки, а также надежность в эксплуатации делают их перспективными приборами.
Контрольные вопросы и задания
Чем объясняется повышение чувствительности в передающих трубких, работающих с использованием накопления заряда?
Как происходит образование и усиление видеосигнала в супер- ортиконе?
На каком физическом явлении основана работа мишени видикона?
Нарисуйте эквивалентную схему видикона и объясните образование сигнала в нем.
Назовите достоинства и недостатки видикона, его применение.
Поясните назначение z-слоя в плюмбиконе.
Глава двадцать третья
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ЭЛЕВСТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Электронно оптическим преобразователем (ЭОП) называется электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования спектрального состава излучения и усиления яркости изображения.
В настоящее время ЭОП находят широкое применение в науке, различных областях техники и народного хозяйства. Являясь элементом оптического звена системы передачи изображения, ЭОП позволяет решать три основные задачи: изменение спектрального состава излучения, усиление яркости (или энергетической яркости) изображения в определенном спектральном диапазоне и высокоскоростная регистрация быст- ропротекающих процессов. Приборы, предназначенные для решения первой задачи, преобразуют невидимое излучение ИК, УФ или рентгеновского диапазона в видамое излучение. Как правило, ЭОП этой группы производят и усиление преобразуемого сигнала. Эти ЭОП находят применение в приборах ночного видения, рентгеновской технике и специальной аппаратуре для научных исследований.
Приборы, служащие для усиления яркости, обычно работают в видимом диапазоне спектра и позволяют увеличивать яркость изображения объекта в сотни тысяч раз. Разработка таких ЭОП позволила изучать объекты с низким уровнем излучения, наблюдение и фотографирование которых с помощью обычных оптических приборов не представлялось возможным (например, далекие звезды, физические процессы и т.п.).
Для изучения сверхбыстрых процессов в ядерной физике и лазерной технике непригодны даже самые совершенные оптико-механические затворы. Б ыстродействующие ЭОП позволили создать устройства с временном разрешением, составляющим доли пикосекунд. Для указанных целей были разработаны многокадровые импульсные ЭОП с электронным затвором.
Несмотря на многообразие конструкций принцип действия любого ЭОП основан на фотоэлектронной эмиссии, усилении слабого электронного потока по мощности при. сохранении пространственного распределения его плотности и катодолюминесценции. Основными элементами конструкции ЭОП являются полупрозрачный фотокатод, катодо- люминесцентный экран и ЭОС для ускорения и фокусировки электронов. В состав последней может входить вторично-электронный умножитель фотоэлектронов..
Принцип работы однокамерного ЭОП схематически показан на рис. 23.1. Изображение объекта проецируется объективом на фотока-
Рис. 23.1. Принцип действия электронно-оптического пр ео бразов ател я:
1 - фо то катод; 2 - фокусирующая ЭОС;
3 - катодолюминесцентный экран
тод. В вакуумном объеме за счет фотоэлектронной эмиссии создается электронное изображение объекта, в котором плотность распределения электронов соответствует распределению освещенности по поверхности фотокатода. Полученное электронное изображение переносится с помощью фокусирующей ЭОС на поверхность катодолюминесцентного экрана. Яркость свечения каждой точки экрана, определяемая плотностью электронного потока, попадающего в эту точку, будет зависеть от значения потока изучения, приходящего на соответствующую точку фотокатода. В результате на экране образуется изображение наблюдаемого объекта.
Параметры и характеристики ЭОП, определяющие его функциональные свойства, можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя характеристики и параметры его элементов: фотокатода, экрана ЭОС. Эти характеристики были рассмотрены в предыдущих главах. Вторую группу составляют характеристики и параметры самого ЭОП как прибора соответствующего назначения.
В качестве фотокатодов ЭОП используются материалы, рассмотренные в гл. 12. Весьма перспективными для ЭОП спектра являются ОЭС- фотокатоды (см. § 12.3), позволяющие повысить чувствительность в ближней к ИК области спектра.
Экраны ЭОП, как правило, имеют желто-зеленый, иногда синий, цвет свечения, характерный для цинкосульфидных люминофоров с примесями меди или серебра (см. гл. 18). Важным параметром люминес- цирующего экрана ЭОП является светоотдача, определяемая световым потоком, приходящимся на единицу мощности электронного потока 7小=Ф>/Р. Светоотдача экранов желто-зеленого цвета свечения обычно составляет несколько десятков люменов на ватт.
Одним из важнейших параметров ЭОП - усилителей яркости изображения является коэффициент усиления яркости, определяемый отношением яркости или светимости экрана RV3 к освещенности фотокатода EVK：
где Пк и Пэ — площади изображений на фотокатоде и на экране соответственно.
Отношение светового потока с экрана к световому потоку, падающему на фотокатод, ФГэ/ФГк называется интегральным коэффициентом
261
преобразования светового потока "卩 или просто коэффициентом преобразования сеетоеого потока.
Если изображение переносится с фотокатода на экран без изменения масштаба, то коэффициент усиления яркости равен коэффициенту преобразования, который можно выразить через параметры фотокатода и экрана. Пусть поток излучения Фе падает на фотокатод, имеющий интегральную чувствительность к этому потоку Se. Фототок будет равен 7K = 5еФе. Мощность электронного потока, бомбардирующего люминофор экрана, 尸=/长砂，где % — приложенное к ЭОП напряжение. Световой поток с экрана равен произведению мощности потока на светоотдачу экрана %
①》3 =尸?^ = 7ф^е®е 4•(23.2)
Световой поток от объекта, падающий на фотокатод, связан с потоком излучения соотношением
(23.3)(23.3)①卩680①eq,
(23.3)
(23.3)
где % — КПД глаза при восприятии потока излучения реального объекта.
С помощью (11.14) и (11.16) выразим интегральную чувствительность фотокатода через световую чувствительность, известную из паспорта ЭОП:
晶二 166%//К>(23.4)
где Кр и К? — коэффициенты использования фотокатодом потока излучения реального объекта и эталонного потока источника типа А соответственно.
Подставив (23.3) и (23.4) в (23.2), получим
①уз 二 0,0246Фук7фЦ5FКр/Кэг)р.
Отсюда коэффициент преобразования светового потока от объекта
小=① Рз/①УК = 0>024б7фЦ5гКр/Кэ7)р.(23.5)
Допустим, световой поток, излучаемый объектом, соответствует желто-зеленой части видимой области спектра, тогда коэффициент преобразования ЭОП с многощелочным фотокатодом, имеющим световую чувствительность Sv = 200 мкА/лм, % = 10 кВ и ?由=50 лм/Вт, составит 60.
Коэффициент преобразования, указанный в паспорте ЭОП, обычно измеряется по излучению эталонного потока источника типа А. В этом случае выражение для расчета i?v 力 упрощается
%4 = 7ф%"・(23.6)
262
Когда границы спектральной чувствительности фотокатода выходят за пределы видимого диапазона, под коэффициентом преобразования потока излучения "^ часто понимают отношение потока излучения экрана к потоку излучения, падающему на фотокатод, % = Феэ/Фек.
Если изображение переносится с фотокатода на экран с изменением масштаба, то, как следует из формулы （23.1）, коэффициент усиления яркости равен коэффициенту преобразования, умноженному на отношение площадей изображений на фотокатоде и на экране.
Преобразование спектрального диапазона излучения объекта определяется спектральной чувствительностью фотокатода. Если представить сложный поток излучения объекта в виде ряда монохроматических потоков, то световой поток с экрана при воздействии каждого из них на фотокатод можно определить по формуле
%3=*入а入%%，
где * 入一спектральная чувствительность фотокатода на длине волны 入,а ①& 入一 монохроматический поток на этой длине волны. В этом случае спектральный коэффициент преобразования % 入，равный световому потоку с экрана, приходящемуся на один ватт монохроматического потока, находится из выражения
%人=①у3/①g入=Sg入76％.
Этот параметр зависит от длины волны и измеряется в люменах на ватт.
Способность ЭОП сохранять четкость изображения объекта на экране характеризуется пределом разрешения, измерение которого производится по тест-таблицам, носящим название штриховых мир* Предел разрешения обычно оценивается числом пар черно-белых линий миры, приходящихся на миллиметр ее изображения на фогокатоде. Четкость изображения определяется рассеянием электронов, вылетающих из различных точек фотокатода, обусловленным разбросом начальной энергии электронов и аберрацией фокусирующей системы, а также рассеянием излучения в зернах люминофора. Важным параметром ЭОП, определяющим правильность воспроизведения на экране деталей наблюдаемого объекта, является коэффициент сохранения контраста Ск, который равен отношению контраста изображения на экране к контрасту этого изображения на фотокатоде. Он измеряется при проецировании на фотокатод непрозрачного объекта диаметром 1 — 2 мм и рассчитывается по формуле
喙=（瓦 - 5тем）/（8。+8тем），
где Во и Втем - яркости освещенного участка и изображения объекта на экране соответственно.
Коэффициент сохранения контраста во многом зависит от темное вого фона, обусловленного токами термо- и автоэлектронной эмиссий, ионной обратной связью, оптической обратной связью между фотокатодом и экраном и рассеянным отражением излучения, прошедшего через полупрозрачный фотокатод, от деталей фокусирующей системы.
Пороговый поток ЭОП в основном определяется шумами термо- и автоэлектронной эмиссий фотокатода, а также флуктуациями токов ионной и оптической обратных связей.
Если- ЭОП используется как регистратор оптических излучений, то его пороговый поток Фп может быть представлен зависимостью
где Sp - чувствительность к потоку от реального объекта; i禽-среднеквадратическое значение суммарного шумового тока.
Определение порогового потока ЭОП, используемого в качестве усилителя или преобразователя изображения с учетом требуемых контраста и предела разрешения, является более сложной задачей.
232 ОДНОКАМЕРНЫЕ ЭОП
В простейшем двухэлектродном плоском ЭОП, конструкция которого представлена на рис. 23.2, перенос электронов производится только за счет действия однородного электростатического поля. Каждая точка фотокатода изображается на экране в виде кружка рассеяния, диаметр 2z которого зависит от расстояния фото катод -экран и от значения приложенного напряжения
2r = ^у/Ш、
где Uo — напряжение, эквивалентное начальной кинетической энергии электрона (при начальной кинетической энергии 1 зВ 仇=1 В); d - расстояние фотокатод — экран; % - приложенное напряжение.
Приближенно можно считать, что предел разрешения ЭОП обратно пропорционален диаметру кружка рассеяния.
Для обеспечения электрической изоляции расстояние между фото
катодом и экраном не может быть менее одного миллиметра при Ц = 10 кВ. Плоские ЭОП позволяют получить коэффициент усиления яркости около 20 при пределе разрешения до 25 пар линий на милли-
Рис. 23.2. Конструкция двухэлектродного плоского ЭОП:
- баллон; 2 - фото катод; 3 - манжеты; 4 - экран; 5 — выводы
Рис. 23.3. Конструкция трехэлектродного ЭОП:
1 - фотокатод; 2 - манжета; 3 - корпус; 4 - фокусирующий электрод; 5 - анод; 6 一 экран
метр. Для снижения обратной оптической связи экран покрывают сплошной непрозрачной алюминиевой пленкой, которая должна иметь низкий коэффициент отражения для излучения, проходящего через полупрозрачный фотокатод.
Одним из достоинств плоских ЭОП является отсутствие всех аберраций, кроме хроматической. Предел разрешения в ЭОП одинаковый по всей площади экрана. Недостатком таких ЭОП являются низкий коэффициент преобразования из-за ограниченного напряжения U3 и технологические трудности при их создании. Увеличение междуэлектродного расстояния с целью повышения напряжения приводит к резкому ухудшению предела разрешения.
Этот недостаток в значительной мере устранен при использовании в ЭОП электростатических линз с двумя, тремя и т. д. электродами между фотокатодом и экраном. На рис. 23.3 приведен вариант конструкции трехэлектродного ЭОП. Поле двух иммерсионных линз образуется манжетой фотокатода, фокусирующим электродом в виде диафрагмы или цилиндра и анодным электродом, имеющим вид усеченного конуса с диафрагмой. Анодный электрод имеет потенциал экрана 15—20 кВ. Фокусировка изображения на экране производится регулировкой потенциала фокусирующего электрода.
В ряде однокамерных ЭОП применяется магнитная фокусировка электронов. Прибор помещается в длинную катушку с сильным магнитным полем. Электроны, ускоряемые электрическим полем, двигаются по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля. Предел разрешения ЭОП с магнитной фокусировкой может быть получен очень высокий. Недостатком таких ЭОП является громоздкость магнитных фокусирующих систем и значительная потребляемая мощность.
23.3. МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Как следует из (23.5) и (23.6), коэф^шциент преобразования ЭОП зависит от чув ствитель но сти фото катода, светоотдачи экрана и напряжения между электродами. Если напряжение, приложенное к ЭОП, превы-
шает 25-30 кВ, то возникают рентгеновское излучение из люминофора и паразитные явления, обусловленные автоэлектронной эмиссией.
Одним из путей повышения коэффициента усиления яркости [см. (23.1) ] является уменьшение размеров изображения на экране по сравнению с размером его на фотокатоде. Использование для этой цели электростатических фо кусирующих систем приводит к ухудшению предела разрешения ЭОП.
В ряде случаев от ЭОП требуется усиление яркости изображения объекта в сотни тысяч раз. Получить такое усиление в одаокамерном ЭОП за счет повышения чувствительности фо то катода, светоотдачи экрана, увеличения напряжения питания и сжатия изображения не представляется возможным.
Существуют два способа дальнейшего повышения коэффициента усиления яркости: каскадное усиление, основанное на последовательном соединении однокамерных ЭОП, и внутрикамерное усиление фотокатода с помощью вторичных электронных эмиттеров. Последовательное соединение ЭОП позволяет получить общее усиление светового потока, близкое к произведению коэффициентов усиления отдельных ЭОП, с учетом спектральных характеристик излучения экрана и чувствительности фотокатода.
Последовательное соеданение, при котором изображение объекта проецируется с экрана предыдущего преобразователя на фотокатод последующего с помощью оптических систем, является малоэффективным из-за больших потерь светового потока в промежуточных оптических системах.
Распространение получили конструкции ЭОП, основанные на принципе оптического контакта, когда однокамерные преобразователи объеданяются в общий вакуумный баллон (рис. 23.4). Каждая камера отделяется от соседней тонкой (около нескольких микрон) прозрачной пластинкой слюды или стекла, на которую с одной стороны наносится слой люминофора, а с другой — фоточувствительный слой. Комбинация экран—слюда—фотокатод называется каскадом усиления, а ЭОП, содержащий каскады усиления, — многокамерным или каскадным. Камер всегда на одну больше, чем каскадов усиления; так, двухкамерный ЭОП содержит один каскад усиления. В практических конструкциях число каскадов усиления обычно не превышает пяти, что позволяет регистрировать каждый электрон, вылетающий из фотокатода.
Для получения высокого коэффициента преобразования спектральные характеристики экрана и фотокатода каждого каскада усиления должны быть хорошо согласованы, т.е. необходам высокий коэффициент использования фотокатодом потока излучения с экрана. При этом неважно, в каком участке спектра работает каскад с согласованными спектральными характеристиками. Предел разрешения многокамерных ЭОП определяется свойствами экрана и толщиной слюдяной перегород- 266
Рис. 23.5. Трехмодульный двухкаскадный ЭОП:J - фото катоды; 2 - экраны; 3 - стекловолоконные пластиныРис. 23.5. Трехмодульный двухкаскадный ЭОП:J - фото катоды; 2 - экраны; 3 - стекловолоконные пластины
Рис. 23.5. Трехмодульный двухкаскадный ЭОП:
J - фото катоды; 2 - экраны; 3 - стекловолоконные пластины
Рис. 23.5. Трехмодульный двухкаскадный ЭОП:
J - фото катоды; 2 - экраны; 3 - стекловолоконные пластины
Рис. 23.4. Конструкция двухкамерного однокаскадного ЭОП:
7 - фото катод первой камеры; 2 - анод первой камеры; 3 一 экран первой камеры; 4 - фотокатод второй камеры; 5 一 анод второй камеры; 6 - экран второй камеры
/ 2
ки. Порошковые экраны на слюданой перегородке толщиной 5—10 мкм обеспечивают предел разрешения около 50 пар линий на миллиметр.
Недостатками многокамерных ЭОП с электростатической фокусировкой являются высокое напряжение питания, неравномерность предела разрешения по поверхности экрана (разрешение от центра к краям экрана спадает в 5—10 раз), а также громоздкость конструкции и сложность изготовления.
В значительной мере лишены указанных недостатков многокамерные ЭОП, составляемые из отдельных однокамерных ЭОП-модулей, с использованием для оптического контакта стекловолоконных плоско- вогнутых пластин (рис. 23.5). Эти пластины состоят из множества тонких (диаметром несколько микрон) стеклянных волокон. Плоские отполированные наружные поверхности пластин позволяют осуществить хороший оптический контакт отдельных модулей, которые обычно вставляются в общую цилиндрическую капсулу. Определенный профиль внутренней поверхности стекловолоконных пластин, на которые наносится фоточувствительный слой или люминофор, обеспечивает равномерную разрешающую способность по экрану. В результате разрешающая способность на краях поля зрения увеличивается более чем в 10 раз. Коэффициент усиления яркости много модул ьных ЭОП несколько ниже, чем в многокамерных ЭОП с таким же количеством камер, что объясняется большими потерями света (до 40%) в стекловолокон-
/ 2 3
// л
нмх межкаскадаых соединениях по сравнению с потерями в гонких слюдяных пластинках.
Эффективным способом повышения коэффициента усиления яркости является внутрикамерное усиление фототока вторично-электрон- ными умножителями. В настоящее время в ЭОП применяются два типа
у множительных систем: система с плоскими вторичными эмиттерами сквозного типа, работающими 5,на прострел*\ и распределенная умножи- тельная система в виде микроканальных пластин (см. § 14.3).
Тонкопленочные эмиттеры, работающие "на прострел", были рассмотрены в §. 13.2, поэтому остановимся только на особенностях их использования в ЭОП, При ускоряющем напряжении между пластинами около 5 кВ коэффициент вторичной эмиссии динода достигает 5. Более высокий коэффициент вторичной эмиссии (30—40) может быть получен в толстых (около 10 мкм) рыхлых пленках хлористого калия, нане
сенных на алюминиевую пленку путем испарения в атмосфере инертного газа. Вдоль слоя пористого диэлектрика располагается мел ко струк тур- ная сетка, на которую подается напряжение 50—250 В относительно проводящей подложки. В результате в слое диэлектрика возникает
сильное электрическое поле, напряженность которого достигает 105 В/см. Эго поле облегчает выход вторичных электронов, образуемых в результате лавинной ионизации первичными электронами. Коэффициент усиления яркости в таких ЭОП может быть получен около 104~105.
Предел разрешения каскада усиления "на прострел" в основном определяется большим значением начальной энергии вторичных электронов
Рис. 23.7. Конструкции ЭОП с умножительной системой на микроканальных пластинах ：а 一 плоский ЭОП; б - ЭОП с электростатической линзой (У - фотокатод; 2 — анод; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран)Рис. 23.7. Конструкции ЭОП с умножительной системой на микроканальных пластинах ：а 一 плоский ЭОП; б - ЭОП с электростатической линзой (У - фотокатод; 2 — анод; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран)
Рис. 23.7. Конструкции ЭОП с умножительной системой на микроканальных пластинах ：
а 一 плоский ЭОП; б - ЭОП с электростатической линзой (У - фотокатод; 2 — анод; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран)
Рис. 23.7. Конструкции ЭОП с умножительной системой на микроканальных пластинах ：
а 一 плоский ЭОП; б - ЭОП с электростатической линзой (У - фотокатод; 2 — анод; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран)
по сравнению с фо тоэл ектронами. Снижение предела разрешения и уменьшение контрастности изображения происходит также в результате пролета первичных электронов через динод без потери энергии. Высокая энергия электронов (более 50 эВ) препятствует их фокусировке, что значительно снижает качество изо бражения.
На рис. 23.6 схематически изображен ЭОП с динодным умножителем, работающим "на прострел”. Фокусировка электронов осуществляется длинной магнитной катушкой. Поле катушки создает ряд фокальных плоскостей, с которыми и совмещены диноды. Предел разрешения пя- тидинодного ЭОП с магнитной фокусировкой достигает 30 пар линий на миллиметр.
Серьезный недостаток ЭОП с умножительной системой, работающей "на прострел”, 一 малая долговечность, которая объясняется отравлением фо то катода хлором, выделяющимися из динодов при электронной бомбардировке.
В последнее время широкое распространение получают системы умножения ЭОП на МКП. Множество соединенных параллельно каналов диаметром 10—20 мкм в одну микроканальную пластину усиливает двухмерное электронное изображение с фо го катода, сохраняя при этом пространственное распределение информации.
В плоском ЭОП с МКП (рис. 23.7, а) электронное изображение с фотокатода переносится на входную поверхность микро канальной пластины однородным алектростатическим полем. Разделенное множеством независимых каналов на элементы, электронное изображение усиди-
269
вается по интенсивности и с выхода МКП переносится на экран также однородным полем. Входная поверхность МКП находится на расстоянии 0,1—0,2 мм от фотокатода, что обеспечивает высокую напряженность поля при сравнительно небольшом ускоряющем напряжении (300-500 В). Предел разрешения такого ЭОП составляет 30-40 пар линий на миллиметр. При расстоянии МКП от экрана 0,5 мм и ускоряющем напряжении 5 кВ кружок рассеяния получается меньше отверстия канала. Недостатками плоских ЭОП с МКП являются сложность изготовления, ионная и оптическая обратные связи, а также ‘‘сквозной" пролет электронов через канал без соударений со стенками.
Эти недостатки почти устранены в ЭОП с электростатической линзой и МКП (рис. 23.7, б). Увеличение расстояния фотокатод - МКП дает возможность увеличить напряжение, ускоряющее фотоэлектроны. Повышение энергии фотоэлектронов, в свою очередь, позволяет нанести на входную поверхность MIGI тонкую алюминиевую пленку, предотвращающую появление ионной и оптической обратных связей； Кроме того, угловое распределение электронов на выходе такой пленки почти не зависит от угла прихода первичных фотоэлектронов, что обеспечивает более равномерное усиление по всей поверхности МКП.
Применение МКП дает возможность получить в одном приборе коэффициент преобразования 及一^, т е такое же значение, какое дает трехкамерный ЭОП с двумя каскадами усиления, построенными по принципу *о птическо го контакта экран—фо то катод.
Рентгеновские ЭОП. Широкое применение ЭОП находят в рентгеновской технике. Малая допустимая доза рентгеновского облучения в медицинской рентгеноскопии не позволяет получить удовлетворительное изображение объекта исследования на люминесцентном экране. Увеличение эффективности рентгенолюминофоров до максимального теоретического значения позволило бы повысить яркость современных экранов не более чем на порядок, а для существенного улучшения качества рентгеновских приборов необходимо усиление яркости в несколько тысяч раз. Использование рентгеновского ЭОП обеспечивает усиление яркости в 5-15 тыс. раз при пределе разрешения, отнесенном к входному экрану, до 3 пар линий на миллиметр.
В рентгеновском ЭОП в отличие от обычного происходит тройное преобразование изображения: рентгеновское излучение преобразуется рентгенолюминофорным экраном в световое, световое изображение с экрана передается на находящийся с ним в оптическом контакте фо то катод, далее электронное изображение прееносится на катодолюминофорный экран, на котором возникает световое изображение, обычно сжатое в 10 раз.
Применение рентгеновских ЭОП в области нераэрушающего контроля материалов и из^лий позволило повысить информативность и чувствительность дефектоскопов.
Контрольные вопросы и задания
Каково назначение ЭОП?
От чего зависят и чем отличаются коэффициент усиления яркости и коэффициент преобразования?
Какие достоинства и недостатки имеют плоские ЭОП?
Какую роль в работе ЭОП играет его ЭОС?
Для чего применяются волоконно-оптические элементы в конструкции ЭОП?
Как осуществляется фокусировка электронов в ЭОП с данодным усилителем, работающим "на прострел"?
Опишите принцип работы и конструкцию ЭОП с умножительной системой на МКП.
Каково принципиальное отличие рентгеновских ЭОП?
Часть пятая
ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава двадцать четвертая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОННЫХ ПРИБОРАХ
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА И ОСОБЕННОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ
Электрический разряд (ток) в газе возникает, когда к электродам газонаполненного промежутка прикладывается напряжение, способное вызвать ионизацию атомов и молекул газа и превратить его из диэлектрика в проводник.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) простейшего диодного газонаполненного промежутка, представляющего собой два холодных металлических электрода (анод и катод), пространство между которыми заполнено газовой средой. Такая ВАХ для стационарного включения изображена на рис. 24.1, причем по оси абсцисс откладывается ток в логарифмическом масштабе.
При низких напряжениях (менее 50 В) газовый промежуток является почти идеальным изолятором, а небольшой начальный ток 10"10- 10"12 А, протекающий через него, обусловлен внешними ионизирующими факторами, в частности космическим излучением. Увеличение начального тока с напряжением на участке АВ ВАХ обусловливается более полным собиранием на электродах ионов и электронов, появившихся в результате ионизации внешними факторами нейтральных атомов или молекул в объеме. На участке ВС ВАХ собирание происходит полностью и ток достигает почти постоянного значения.
Когда напряжение становится выше 50—200 В (в зависимости от материала катода и используемого газового наполнения), электроны, созданные благодаря внешним факторам, ускоряются в электрическом поле настолько сильно, что приобретают способность ионизировать атомы или молекулы нейтрального газа; при этом возникают вторичные электроны и ионы. Этот процесс, называемый газовым усилением, соответствует участку CD ВАХ.
Область ВАХ между точками Л и D характеризует несамостоятельный разряд, поддержание которого возможно только с помощью заряженных частиц, создаваемых под действием внешних факторов. Помимо упомянутого выше космического излучения ими могут быть радиоактивность, нагрев или облучение катода. При ослаблении действия внешних факторов ВАХ несамостоятельного разряда сдвигается влево (штрихо- ■ вая часть ВАХ между точками AB'C'D).
Рис, 24.1. Вольт-амперная характеристика диодного газоразрядного промежутка
По мере дальнейшего увеличение напряжения нарастает число вторичных электронов и ионов, ионы, двигаясь к катоду, вызывают эмиссию новых электронов, последние, ускоряясь по направлению к аноду, вызывают ионизацию новых атомов и т.д. При определенных условиях такого замкнутого цикла ионизация-эмиссия-ионизация разряд из несамостоятельной формы переходит в самостойтельную, для поддержания которой уже не требуется внешних ионизирующих факторов.
При само сто ятельно м разряде воздействие внешних ионизирующих факторов несущественно, и две ветви ВАХ, соответствующие разным уровням внешних факторов, сливаются в одну (ВАХ между точками DEFGHKL).
Участок само сто ятел ьно го разряда DE соответствует тихому (таун- сендовскому) разряду. Напряжение на промежутке для этого участка называется напряжением возникновения самостоятельного разряда %•
Дальнейшее увеличение тока через промежуток приводах к искажению электрического поля между электродами, в результате которого основная часть перепада напряжения прикладывается к катодной области. Вследствие этого эффективность ионизационных процессов в промежутке нарастает, а напряжение, необходимое для поддержания разряда, падает (участок EF ВАХ).
За падающим участком ВАХ следует область плоского минимума FG, соответствующая нормальному тлеющему разряду и характеризуемая примерно постоянными плотностью тока и падением напряжения на промежутке UK н, а также возникновением интенсивного свечения у катода. Поскольку плотность тока здесь постоянна, то при увеличении полного тока про по рцио н ал ьно растет часть катода, покрытая свечением разряда. Когда вся поверхность катода светится, дальнейшее увеличение тока становится возможным лишь за счет повышения его плотности. При этом тлеющий разряд переходит из нормальной в аномальную форму (участок GH ВАХ)..
Рис. 24.2. Схема включения диодного газоразрядного промежутка
Режим сильно аномального тлеющего разряда (близко к точке //) характеризуется интенсивным нагревом и усилением электрического поля у катода. Под воздействием этих факто
ров происходит переход от тлеющего к дуговому разряду (участок НК ВАХ). Для дугового разряда (участок KL ВАХ, токи больше ампера) характерно увеличение
плотности мощности, выделяемой на катоде, и локализация тока на
небольшом участке — катодном пятне, являющемся интенсивным ис
точником термоэлектронной или электростатической эмиссии.
Простейшая схема включения диодного газонаполненного промежутка изображена на рис. 24.2. То обстоятельство, что рассматриваемый прибор наполнен газом, отмечено жирной точкой на поле баллона (согласно ГОСТ любые газоразрядные приборы отмечаются таким же образом).
Из приведенной ВАХ следует, что ограничение тока через промежуток на горизонтальных участках ВАХ возможно только с помощью балластного (токоограничивающего) резистора &• Дифференциальное сопротивление прибора на этих участках близко к нулю, и при непосредственном подключении его к источнику напряжения £@ ничто не препятствует неограниченному нарастанию тока. Поскольку именно горизонтальные участки (тлеющего FG и дугового разрядов KL) наиболее часто используются в реальных приборах, то токоограничивающий элемент почти всегда присутствует в схемах включения.
Для приведенной на рис. 24.2 схемы можно записать простое соот
ношение, связывающее токи и напряжения:
(24.1)(24.1)% 二 /£а 十 ％ (7),
(24.1)
(24.1)
где %(/) — напряжение поддержания разряда, являющееся функцией тока. Для тлеющего разряда % % 4,н составляет 50—200 В, для дугового 10—20 В.
242 КЛАССИФИКАЦИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ
Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газе, при- веденная на рис. 24.1, часто используется для построения классификации ионных приборов по типам разряда. Несамостоятельные разряды, а также слаботочный таунсендовский разряд применяются в газоразрядных детекторах ионизирующих излучений. В этих приборах под воздействием ионизирующих частиц (а-частиц, рентгеновского излучения, 7-излучения и т.п.) в газовом промежутке генерируются электрон-ионные пары,
которые либо просто собираются на электродах (ионизационные камеры) ,либо размножаются в газовом промежутке и затем уже собираются на электродах (пропорционаивные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера) .
Широкое применение в современной радиоэлектронике нашли приборы тлеющего разряда и в особенности индикаторы тлеющего разряда. Их распространение обусловлено малой потребляемой электрической мощностью и высоким коэффициентом- преобразования электрической энергии в световую, а также некоторыми функциональными свойствами тлеющего разряда 一 возможностями запоминания и адресации информации по индикаторному полю прибора с помощью весьма простых схем управления.
Поскольку дуговой разряд происходит при сравнительно больших токах, основанные на нем приборы применяются для преобразования одного вида электрической энергии в другой (переменного тока в постоянный, постоянного тока в переменный, постоянного тока в импульсный) .В приборах этой группы часто используются вентильные свойства газоразрядного промежутка, обусловленные тем； что катод эмиттирует намного больше электронов, чем анод. Преобразовательное приборы дугового разряда разделяются на две подгруппы: приборы не- самостоятельного дугового разряда (газотроны и тиратроны), в которых источником электронов является термо катод, и приборы самостоятельного дугового разряда с металлическим (о бычно ртутным) катодом.
Следует отметить, что в связи с бурным прогрессом полупроводниковой силовой электроники область применения выполняющих те же функции ионных приборов резко сузилась и они используются, в основном, для преобразования электрической энергии при высоких уровнях мощности. Наиболее конкурентоспособными по отношению к полупроводниковым приборам оказались импульсные приборы (водородные тиратроны и клиперные диоды, применяемые в модуляторах радиоло кациоиных станций).
Помимо перечисленных групп ионных приборов широко используются искровые разрядники (искровой разряд — сильноточная импульсная форма разряда, возникающая при высоком давлении наполняющего газа). Рисунок 24.1 относится к стационарному режиму разряда, искровой разряд на нем не показан.
Глава двадцать пятая
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ ПРИБОРАХ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ В РАЗРЯДЕ
Под воздействием электрического поля частицы в газовой среде приобретают кинетическую энергию, в результате чего между ними начинают происходить разнообразные взаимодействия — элементарные процессы. Элементарные процессы делятся на две группы: упругие соударения, при которых не меняется потенциальная энергия участвующих во взаимодействии частиц, и неупругие соударения, сопровождающиеся переходом кинетической энергии в потенциальную или потенциальной энергии в кинетическую. Дополнительно различают неупругие соударения первого рода, в которых потенциальная энергия в результате взаимодействия возрастает, и второго рода, в которых потенциальная энергия в результате взаимодействия уменьшается.
Основные сведения о наиболее важных видах взаимодействий частиц сведены в табл. 25.1. При записи использованы следующие обозначения: hv — фотон, At В — нейтральный атом или молекула; Л* — возбужденный атом или молекула, Лм, Вм — метастабильный1 атом или молекула, А^, В^ — положительный атомный или молекулярный ион.
Упругие соударения в основном происходят при малых энергиях электронов, когда возбуждение или ионизация невозможны и результатом взаимодействия является только передача доли кинетической энергии от электрона к атому или молекуле. Эта доля определяется формулой
ке = 2忆/% (25.1)
где те — масса электрона; т& — масса атома. Поскольку масса электрона много меньше массы атома, ке всегда мало. Значение ке изменяется от 2,78 • 1СГ4 для атомов Не до 5,5 • 1СГ6 для атомов Hg.
Неупругие соударения становятся возможными при больших энергиях электронов. Исходя из законов сохранения полной энергии системы частиц, участвующих во взаимодействии, можно найти максимальную кинетическую энергию, переходящую в потенциальную энергию, при соударении двух частиц с массами 他 и% в случае, когда частица с массой 加2 находится в состоянии покоя
伙，伙，(25.2)(25.2)也 1 + т 2也 1 + т 2
伙，
伙，
(25.2)
(25.2)
也 1 + т 2
也 1 + т 2
От греческого meta — после, за, через. Метастабильные атомы или молекулы —это разновидность возбужденных атомов или молекул с большим временем жизни.
K23 •phAIfcH иин Awqle Awodol"KQlaE 日 о KHlddHE SSTPSOns -5Н2Ж2§«ЙО Bo&xos s Bos «W^SSHS^OROC
SOB I55OK ИИШЕИНОНХ H30ffls& s& ，OX2 SWOHq5dllрн 工 n SOS i§o«HQ«ss I。ss&sn —s&c жоля«^ WHHHOdXXBUG ss&OAffl (智чиэеттжАдто) «3S —OAdHEHHOH .S8« es^§o«HQ«HUS зноёиэдок so&s WHHHOdLMu€ кннэйжлдЕОOHSS^WO^ £ (ин —OWAgmo巴 юшеЕинон KBXEhHonkx。 EHOdx工3If€ OJOOHHHaKOU CHOH ffl ^3K^«0§s SR3 rtss^ OSXBA&fflo&c • 03Й088 ^OSS^AHO 占3W)ОННЗШКЛ9ЕОOJOHOHo ns ^3R&0§s s§^ «s?« ЙОЙ&С ^Болт ^KH2^£.o«v^ossranffl muduHE S^OVTSHOSS О«Й8 KlaEH3WE
«ЙОЛ OJOdQL"°ин IO&S8OJAduA3H
§я 2ОЛ8И°ин
6&S8 op&&e^ox
«йол 2ОИ&К°ин IW&S8 vp&&e^ox §ол 2ОИ&К 0§ IO&S8 UOJAduAUH EHod 2ОИ&К ЗИН 6&K8 «оьл&ож
Eod 2O£S HH3dBA8 «оь&>
3+ +r +3 个 WN +3 8 + *7+34-扌 у + 8 8 + ++84— r+B 2+;:8 *+84—r + B
+84— r+B
SOS»
■O^XRns°KHasH9№°d son«o& ffl KHneHHgwo3d
«ГСЭВВОС «ssnsKOS
wodB5WZHHOdxM3uc Asi 20s§os.osos ИН1ЬКА9ЕОs§ кипетинон wodEHA
SSMB0&S8 Bansaos S33o&«os «s§5^Ю«О« 号 J0 艮工3ITOW И1Ш WOWQLE EHOdl 工I£€ OSKW&5OO 00b&>
BHOLQI^UOWHeE»HrtHAR^nv^
Auuso&c Qsffi
vsnHQ^Vttossranffi
EJJunodu .u/u OJOHdEHgwoE vssflnnAX ON
daBdEBd sofflonAU ииоэ°9nodu ^ss&Hxvso^n s^xn ossfflsoo .^й §363
где И\ — энергия частицы с массой тг. Если первая частица 一 электрон, а вторая - атом (т2 > ^i), то из (25.2) следует, что ^ктах 弋 弋",т. е. вся кинетическая энергия электрона тратится на возбуждение или ионизацию. Очевидно, что возбуждение или ионизация становятся возможными при И\》％, %》4 , где 4，" - потенциалы возбуждения или ионизации атома.
Вероятность возбуждения или ионизации зависит от того, насколько И\ превышает 4 или Ц . Чтобы найти эту вероятность, зададим дифференциальное эффективное сечение элементарного процесса, определяемое как число соударений, испытываемых электроном на одном метре пути, которые заканчиваются данным элементарным процессом. Из этого определения вытекает, что эффективное сечение 0 обратно, пропорционально средней длине свободного пробега 入,т. е. Q = 1/入.Очевидно, что сумма таких дифференциальных эффективных сечений равна полному эффективному сечению для электронов
Qe = Оеу + Оев + Qei + …•，(25.3)
где 0еу — дифференциальное эффективное сечение для упругих соударений; Оев - дифференциальное эффективное сечение для возбуждения; 0е» — дифференциальное эффективное сечение для ионизации.
Теперь можно найти вероятности элементарных процессов соеу = = 2еу/2е； Зев = 2ев/2е；3/ = Qei IQe；…
Разделив правую и левую части (25.3) на Qe, получим, что
3gy + 仇口 + St + . . . = 1.(25.4)
Как и следовало ожидать, сумма вероятностей элементарных процессов равна единице.
Экспериментальные зависимости вероятностей упругих, возбуждающих соударений и ионизации от энергии электронов, выраженной через потенциал, для паров Hg иллюстрируется рис. 25.1. Из рисунка видно, что наибольшее абсолютное значение имеет вероятность упругих соударений соеу, однако с ростом энергии электронов ее значение быстро падает.
Кривая вероятности возбуждения соев начинается в области напряжений, близких к потенциалу возбуждения, достигает максимума около потенциала ионизации, после чего круто спадает.
Значения вероятности ионизации с ростом энергии почти линейно нарастают в диапазоне Ue от U^ до (3 -^ 4) Ц , затем достигают максимума и спадают. Таким образом, упругие соударения и возбуждение происходят в значительно более узком диапазоне энергий электронов, чем ионизация.
Дифференциальное эффективное сечение и вероятность элементарного процесса задаются для строго определенной энергии электрона. В каждой точке пространства газоразрядного промежутка скорость 278
Рис. 25.1. Вероятности упругих, возбуждающих соударений и ионизации в зависимости от энергии электроновРис. 25.1. Вероятности упругих, возбуждающих соударений и ионизации в зависимости от энергии электроновРис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента ионизации от приведенной напряженности электрического поляРис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента ионизации от приведенной напряженности электрического поля
Рис. 25.1. Вероятности упругих, возбуждающих соударений и ионизации в зависимости от энергии электронов
Рис. 25.1. Вероятности упругих, возбуждающих соударений и ионизации в зависимости от энергии электронов
Рис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента ионизации от приведенной напряженности электрического поля
Рис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента ионизации от приведенной напряженности электрического поля
электронов не постоянна, а распределена вокруг некоторого среднего значения, определяемого, с одной стороны энергией, приобретенной в электрическом поле, и, с другой стороны, потерями энергии при различного рода соударениях с частицами газа. Таким образом, даже при строго постоянной напряженности электрического поля в промежутке электроны характеризуются не постоянной энергией, а распределением по энергиям, что затрудняет расчет ионизации газа.
Для того чтобы обойти эту трудность, Таунсенд ввел понятие коэффициента объемной ионизации а, равного числу ионизаций, производимых электроном в среднем на 1 м пути для данной напряженности электрического поля Е. Найдем связь между вероятностью ионизации 3gj и коэффициентом а.
Как указывалось выше, на 1 м пути электрон испытывает Qe = 1/& столкновений с атомами газа. Из этих столкновений ионизирующими будут только те, при которых электрон пройдет в электрическом поле путь Хе/ , достаточно большой, чтобы накопить энергию, необходимую для ионизации. Этот путь можно найти по формуле
(25.5)(25.5)еЕХе/ =叫,
(25.5)
(25.5)
где Е — напряженность электрического поля в промежутке. _
Вероятность того, что при средней длине свободного пробега Хе электрон пройдет до соударения путь, равный или больший «j, определяется как
(25.6)(25.6)3入 =g一入/元
(25.6)
(25.6)
Очевидно, что коэффициент а, т. е. число ионизаций на 1 м пути, равен произведению общего числа соударений, испытываемых электроном
на 1 м пути 0g, на вероятность з&. того, что электрон пройдет до соударения путь, равный или больший %» (при условии, что для любых 入》X^i вероятность ионизации принята равной единице). Тогда
а= 3讨儘=(25.7)
и, подставляя сюда (25.5) и (25.6) , получаем
(25.8)(25.9)(25.8)(25.9)1- S/0
(25.8)
(25.9)
(25.8)
(25.9)
а — е
&
Поскольку 及 二% 0 /ро ,
где 入ео — средняя длина свободного пробега электронов для давления 1 Па при температуре О °C, а р0 — давление газа, приведенное к температуре О °C, то (25.8) принимает вид
(25.10)(25.10)-С/З/Ро) а/рь = &已
(25.10)
(25.10)
где Ci = 1/Xgo； & 二 Ц /^ео•
На рис. 25.2 приведен график зависимости а/р0 °т £/ро согласно (25.10), причем коэффициенты С\ и С2 подобраны эмпирически. Такой подход оказывается необходим, поскольку при выводе было сделано допущение о постоянстве з&» при 入〉％» • Заметим, что коэффициент а значительно удобнее для теоретического анализа и расчета параметров разряда, чем или Qet .
В газовых средах, используемых в приборах, часто возникает разновидность возбужденных атомов или молекул — метастабили. Для мета- стабильного атома вероятность перехода на более низкий энергетический уровень на несколько порядков ниже, чем у обычных возбужденных атомов. В результате время жизни метастабильных атомов оказывается больше и, следовательно, концентрация их в разрядном промежутке значительна.
Потенциалы обычных и метастабильных уровней возбуждения и потенциалы ионизации наиболее часто применяемых газовых наполнителей приборов приведены в табл. 25.2. Из таблицы видно, что энергия мета- стабильного состояния составляет значительную долю энергии ионизации, но все же меньше этой энергии.
Наличие метастабильных атомов в газовом п^юмежутке приводит к возникновению ступенчатых процессов возбуждения и ионизации. Первой ступенью такого процесса является создание метастабильного атома (поз. 2, табл. 25.1), второй ступенью — ионизация или возбуждение метастабильного атома электронным ударом (поз. 4, табл, 25.1)； Для таких реакций требуется подвести к атому энергию U. — Um ил!? & 一 Ug что значительно меньше энергий UB или ” , необходимых для 280
Таблица 25.2. Потенциалы возбуждения С^, метастабильного состояния Um и ионизации Ц для различных газов
Потенциал
Не
Ne
Ar
Кг
Хе
Hg
Н
4
21,2
16,85
11,6
10
8,45
4,89
10,2
Um
19,8
16,62
11,55
9,91
8,32
4,67 •
—
必
24,58
2156
15,75
13,99
12,13
10,43
13,6
прямого возбуждения или ионизации. Например, для паров Hg соответствующая энергии для ступенчатой ионизации составляет 〜 5 эВ, а не 〜10зВ.
Другой важной особенностью ступенчатых процессов является то, что их интенсивность пропорциональна квадрату разрядного тока, а не его первой степени, как это имеет место при возбуждении или ионизации прямым электронным ударом. Это связано о тем, что в ступенчатой реакции участвуют и электрон, и метастабильный атом, а число и тех и других пропо рционально току.
Перейдем теперь от рассмотрения ударов первого рода, при которых потенциальная энергия частиц после реакции возрастает, к ударам второго рода, приводящим к ее уменьшению.
Как пример неупругих соударений второго рода рассмотрим ионизацию Пеннинга (поз. 5, табл. 25.1) смеси Ne с небольшим количеством Аг, процесс, часто используемый в приборах тлеющего разряда для понижения напряжений возникновения и поддержания разряда. Из табл. 25.2 видно, что потенциал ионизации Аг (15,75 В) несколько меньше, чем потенциал метастабильного уровня Ne (16,62 В), что делает энергетически возможным реакцию Ne^ + Аг -> Ne + Аг+ + е. При этом метастабильный атом Ne" отдает свою энергию нейтральному атому Аг и последний ионизируется.
Поскольку разность значений Um для Ne и Ц для Аг мала, вероятность этого процесса оказывается велика. В результате в данной смеси уже при сравнительно низкой напряженности электрического поля, недостаточной для ионизации, электроны соударяются с атомами Ne, которых в данной смеси подавляющее большинство, и переводят их в метастабильное состояние. В свою очередь метастабили, соударяясь с атомами Аг, ионизируют их.
Помимо генерации заряженных частиц в газоразрядном промежутке всегда происходит и обратный процесс - их исчезновение (рекомбинация) .В этом случае избыточная потенциальная энергия превращается в кинетическую.
При рекомбинации положительного иона с электроном (поз. 6, тдбл. 25.1) число актов рекомбинации, происходящих в единице объема газа за время dt, пропорционально и концентрации положительных
(25.11)(25.11)ионов и концентрации электронов, т-е.
(25.11)
(25.11)
dn- -0＞勺 %df,
где 勺 —концентрация положительных ионов; % — концентрация электронов^ а?* — коэффициенту пропорциональности, называемый коэффициентом объемной рекомбинации, м3 • с-1. Вероятность процесса, т. е. коэффициент с^ , зависит от того, как отводится избыточ- ная потенциальная энергия. При рекомбинации в тройном соударении эта энергия передается молекуле газа. Поэтому процесс рекомбинации в тройных соударениях оказывается вероятным только при высоких давлениях. При рекомбинации с излучением избыточная энергия вьще- ляется в виде кванта. Вероятность последнего процесса невелика и слабо зависит от давления.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭМИССИИ В УСЛОВИЯХ
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
Необходимым условием прохождения тока в ионном приборе является эмиссия заряженных частиц (электронов) из катода. Конкретный вид эмиссии в приборе связан с формой разряда, т. е. с используемым участком ВАХ.
В детекторах ионизирующего излучения и приборах тлеющего разряда применяются холодные катоды, эмиттирующие электроны под действием бомбардировки ионами, метастабильными атомами и фотонами. Процессы вторичной эмиссии электронов в условиях газового разряда объеданяются под названием 7-процессов.
На катод попадают практически все ионы, поскольку эти положительно заряженные частицы притягиваются полем, и только определенная часть остальных незаряженных частиц, метастабильных атомов и фотонов, зависящая от телесного утла, под которым виден катод из места зарождения частицы.
Обычно 7-процессы не детализируют, а характеризуют обобщенным коэффициентом 7, который определяется как вероятность освобождения из катода вторичного электрона на один попадающий на катод ион, но с учетом того, что одновременно катода достигают сопутствующие метастабильные атомы и фотоны. Такой подход оправдан с точки зрения расчетов основных параметров — напряжений возникновения и поддержания разряда.
Обобщенный коэффициент 7 можно представить в виде
刀 + fr^rlr + fm^mTm, (25.12)
где 7^, 7r, 7W - коэффициенты вторичной электронной эмиссии для положительных ионов, фотонов и метастабильных атомов соответст* венно; Nr 一 отношение числа соударений, приводящих к генерации
Рис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7от приведенной напряженности электрического поля при разных видах обработки катодаРис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7от приведенной напряженности электрического поля при разных видах обработки катодаРис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поля для разных материаловРис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поля для разных материалов
Рис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7от приведенной напряженности электрического поля при разных видах обработки катода
Рис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7от приведенной напряженности электрического поля при разных видах обработки катода
Рис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поля для разных материалов
Рис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поля для разных материалов
фотонов, к числу ионизирующих соударений; Nm - отношение числа соударений, приводящих к появлению метастабильных атомов, к числу ионизирующих соударений; /^ и fm - геометрические коэффициенты, определяющие доли фотонов и метастабильных атомов, которые попадают на катод.
Экспериментально полученные зависимости 7 от отношения напряженности электрического поля к давлению £/р()в газоразрядном промежутке в аргоне для различных материалов катодов приведены на рис. 25.3. Как отмечалось в § 25.1, параметр £/р0 характеризует среднюю энергию, приобретаемую электроном в электрическом поле на длине свободного пробега, т. е. перед элементарным процессом соударения, в результате чего от^/ро зависит распределение энергии, идущей на возбуждение, ионизацию и излучение, а также кинетическая энергия иона перед ударом о катод. Поэтому обобщенный коэффициент 7 зави- отг от E/pq.
Из кривых на рис. 25.3 видно, что 7 сильно зависит от материала катода, причем катоды с малой работой выхода (Na, Ва) имеют большее 7,чем катоды с высокой работой выхода (Pt).
Характер зависимости 7 от £/р()может быть объяснен следующим образом. При высоких значениях E/pQ > 30 В • м-1 • Па-1 имеет место монотонное возрастание 7, что связано с увеличением коэффициента 石 с ростом кинетической энергии ионов, набираемой в электрическом поле. При снижении отношения Е№ резко возрастают коэффициенты Nr и№ в (25.12) и у снова увеличивается.
В реальных приборах существенное влияние на 7 оказывают поверхностные пленки, зависящие от обработки электродов прибора. Кривые, иллюстрирующие влияние поверхностных пленок на 7 для медного катода и водородного наполнения, даны на рис. 25.4. Кривая 7, относящаяся к слегка окисленной меди, имеет явно выраженный максимум при низких значениях £/р0. После обезгаживания катода в вакууме
283、
при 400 °C в течение 100 ч 7 снижается, а максимум исчезает (кривая 2). Ионная бомбардировка поверхности в тлеющем разряде в водороде приводит к дальнейшему спаду 7 во всем диапазоне Е/ pQ (кривая 3). Анализ кривых позволяет сделать вьшод, что удаление окисной пленки приводит к увеличению работы выхода катода и сначала к исчезновению максимумов, связанных с фотоэффектом, а затем и к дальнейшему уменьшению 7, причем кривая 3 имеет монотонно нарастающий вид, характерный для чисто ионного механизма вторичной эмиссии, когда
%• » У»% + f^m.
В дуговых приборах несамостоятельного разряда применяются термокатоды. Напомним, что закономерности термоэмиссии и виды таких катодов описаны в гл. 2, 3. В дуговых приборах самостоятельного разряда с жидким ртутным катодом имеет место электростатическая эмиссия, которая также была описана выше [см. гл. 2]. Наконец, в импульсных приборах, подобных разрядникам, на различных стадиях работы прибора существуют различные виды эмиссии. В начальной стадии возникновения разряда существенны 7-процессы, а в стадии протекания мощного импульса тока преобладает электростатическая или термоэлектронная эмиссия. Таким образом, в ионных приборах используются практически все основные известные типы эмиссии.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ
Появляющиеся в результате ионизации или эмиссии в газе заряженные частицы, так же как и нейтральные частицы, находятся в состоянии непрерывного движения. В отсутствие электрического поля и при условии, что концентрация заряженных частиц в пространстве всюду одинакова, движение частиц является строго беспорядочным, а все направления этого движения равновероятными. Создаваемый таким движением ток через любое сечение в газовом промежутке равен нулю.
Появление электрического тока, т. е. направленного движения частиц в газе, может быть связано с одной из двух причин: наличием электрического поля; неравномерностью распределения зарядов в пространстве. ，
Из-за большого числа нейтральных частиц движение заряженных частиц и при наличии тока остается в значительной степени беспорядочным, т. е. возникает так называемое беспорядочно-направленное движение. Для упрощения дальнейшего анализа будем считать, что имеются две независимые составляющие такого движения: беспорядочная и направленная.
Беспорядочно направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля назьшается дрейфовым. Сначала рас-
смотрим дрейфовое движение электронов, считая, что они в основном испытьшают упругие соударения. В отличие от движения в вакууме, где электрон непрерьшно набирает скорость, пока не достигнет анода, в газе происходят многократные соударения, т. е. движение с ,5трени- ем", в результате чего устанавливается средняя скорость йех, направление которой противоположно вектору напряженности электрического поля Е и совпадает с осью X (рис. 25.5).
Найдем основные соотношения между средней скоростью направленного движения veXJ напряженностью электрического поля Е и средней длиной свободного пробега 入金，характеризующей число соударений, испытьшаемых электроном на 1 м пути. Очевидно, что vex можно определить по формуле
"ех=3тпр・ (25.13)
Здесь Дх - среднее перемещение электрона в направлении оси X за время пролета тпр, протекающее между двумя последовательными соударениями электрона с атомами или молекулами (рис. 25.5). Для тПр можно записать соотношение
Тцр н 猫/»е, (25.14)
где & — средняя скорость беспорядочного движения электронов» Тогда, считая движение электрона в поле равноускоренным и приняв начальную скорость электрона после соударения равной нулю, полу
чаем
△х=а#р/2,(25.15)
где ускорение
а = -еЕ!те.(25.16)
Подставляя (25.14) — (25.16) в (25.13),получаем
万ех= -0r5e TnpE/mg =—。配元后/忆冗=—к^Е,(25.17)
где
标=0,5eXe/^ve.(25.18)
Таким образом, скорость направленного движения электрона пропорциональна напряженности электрического поля и направлена противоположно вектору Е. Коэффициент пропорциональности ке в (25.17) назьшается подвижностью электронов.
Выражение (25.17) в принципе отражает ход зависимости скорости направленного движения электронов от напряженности поля, однако численное значение коэффициента ке, вычисленное по (25.18), не точно. Это связано со следующими упрощениями при вьшоде:
Рис. 25.5. Беспорядочно направленное движение электроновРис. 25.5. Беспорядочно направленное движение электроновЛя-ЯвеЛя-Яве
Рис. 25.5. Беспорядочно направленное движение электронов
Рис. 25.5. Беспорядочно направленное движение электронов
Ля-Яве
Ля-Яве
Рис. 25.6. Зависимость направленной скорости электронов от приведенной напряженности электрического поля
в (25.14) значение тпр находится как отношение средних значений для числителя и знаменателя, в то время как правильнее усреднять частное;
предположение о нулевой начальной скорости электрона после соударения, из которого следует (25.15), не точно;
средняя скорость беспорядочного движения электронов 7g может зависеть от напряженности электрического поля.
Более точное решение для больших давлений и малых напряженностей электрического поля, когда 7е еще не зависит от £, дает вместо коэффициента 0,5 в (25.18) значение 0,815. Тогда с учетом (25.9) можно записать
Vgx =~^ео^/Ро >(25.19)
где ке0 =O,815eXeo/s万е・
Таким образом, скорость направленного движения электронов обратно пропорциональна давлению газа. При меньших давлениях газа и большей напряженности электрического поля, т. е. при большем отношении Е/ро средняя скорость беспорядочного движения электронов 久 начинает нарастать, а коэффициент ке в (25.17) падает. В конечном счете скорость направленного движения электрона оказьша- ется пропорциональной не первой степени, а корню квадратному из напряженности электрического поля, что иллюстрируется зависимостью 7ех = /(E/pq), приведенной на рис. 256
Уравнение (25.17) позволяет определить плотность направленного тока /ен через концентрацию электронов % и напряженность электрического поля
」ен=Ме%х = епекеЕ.(25.20)
Рис. 25.7. Биполярная диффузияРис. 25.7. Биполярная диффузияАналогичные (25.17) и (25.20) уравнения для скорости направленного движения и плотности тока можно записать и для положительных ионов, если вместо ке подставить
Рис. 25.7. Биполярная диффузия
Рис. 25.7. Биполярная диффузия
к. = 0,815е\・/4・％ , (25.21) где X. - средняя длина свободного пробега ионов; т. — масса иона; 口 — средняя скорость беспорядочного движения ионов.
Поскольку 〜《猫，％《勺，то, сравнив (25.19) и (25.21), мы увидим, что подвижность электронов ке
много больше подвижности ионов к^ ,
откуда следует, что направленные скорости электронов много больше, чем скорости ионов (уех » %) •
Второй возможной причиной возникновения электрического тока
в газе является наличие неравномерности распределения зарядов в объеме, т. е. перепада их концентрации. При этом возникает поток заряженных частиц, направленный в сторону уменьшения концентрации. Это так назьшаемое диффузионное движение описьшается дифференциальным уравнением, связьшающим поток диффундирующих частиц “％ со скоростью изменения концентрации dn/dx
рх = -Ddn/dx. (25.22)
Коэффициент пропорциональности D назьшается коэффициентом диффузии, причем его значение для электронов De много больше, чем для ионов 4 .
В условиях электрического разряда, происходящего в ионных приборах, часто возникает взаимосвязанное диффузионное движение частиц обоих знаков — положительных ионов и электронов, называемое двухполярной диффузией.
Для иллюстрации рассмотрим качественно механизм двухполярной диффузии в газоразрядной трубке. Если в сечении АВ такой трубки возникла интенсивная ионизация, то концентрация положительных п. и отрицательных пе частиц будет спадать в обоих направлениях от оси, как это изображено на рис. 25.7. Наличие перепада концентраций приводит к появлению диффузионных потоков ионов и электронов вправо и влево от сечения АВ. При этом из-за большого коэффициента De по сравнению с 乌 вначале поток диффундирующих электронов больше, чем ионов, что приводит к появлению избыточного объемного заряда ионов в сечении АВ и избыточного объемного заряда электронов вдали от АВ. Между разделившимися таким образом
положительными и отрицательными зарядами появляется электрическое поле, тормозящее электроны и ускоряющее ионы, благодаря чему в дальнейшем потоки электронов и ионов выравниваются.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА.
КРИВЫЕ ПАШЕНД г
Как указьшалось в § 24.1, электрический разряд в газе существует в двух формах: несамостоятельной и самостоятельной. Для несамостоятельного разряда необходимо, чтобы за счет внешних ионизаторов (естественной или искусственной радиоактивности, космического излучения, облучения коротковолновыми фотонами) в промежутке или на электродах непрерьшно возникали заряженные частицы. Эти заряженные частицы либо просто собираются электрическим полем на электродах, либо, соударяясь с частицами газа, ионизируют их, что вы- зьшает появление пар ионов и электронов и протекание усиленного тока. При несамостоятельном разряде прекращение действия внешнего ионизатора приводит к исчезновению тока на электродах.
Напротив, при самостоятельном разряде влияние внешнего ионизатора на протекание тока в газоразрядном промежутке незначительно. Это можно пояснить следующим образом. Пусть в результате каких- либо процессов из катода вышел один начальный электрон. При достаточной напряженности электрического поля энергия, приобретенная им на длине свободного пробега, может достигать значений, достаточных для возбуждения или ионизации газа, т. е. будет выполнено условие (25.5).
Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны ускоряются электрическим полем и вновь возбуждают или ионизируют атомы или молекулы газа. В результате число электронов, продвигающихся к аноду, и число положительных ионов, устремляющихся к катоду, лавинообразно нарастает, и вместо одного электрона, начавшего движение от катода, на анод попадает множество электронов, а на катод почти такое же число положительных ионов. Одновременно с ионами на катод попадают фотоны и метастабильные атомы, образовавшиеся в результате взаимодействий в разрядном промежутке, их роль учи- тьшается обобщенным коэффициентом 7 (см. § 25.2).
Вся совокупность активных частиц, зародившихся в газоразрядном промежутке, т. е. положительные ионы? фотоны и метастабильные атомы, попадая на катод, вызьшает эмиссию новой порции электронов, в результате чего генерация лавин повторяется. Очевидно, процесс прохождения лавин станет самовоспроизводящимся и не зависящим от внешних факторов, когда один выходящий из катода электрон создаст такое количество ионов, сопутствующих фотонов и метастабильные атомов, которое, попадая на катод, вновь вызовет эмиссию хотя бы 288
одного электрона. Выполнение этого условия и соответствует переходу разряда из несамостоятельной формы в самостоятельную.
Перейдем к математическому описанию условия возникновения самостоятельного разряда в плоскопараллельном промежутке. Для простоты примем, что напряженность электрического поля в любой точке промежутка постоянна и равна
Е= U",(25.23)
где U& — напряжение на электродах; d — расстояние между ними.
Пусть в каком-либо сечении газового промежутка электронный ток лавины равен ze> т. е. число электронов равно ie/e. Тогда на пути № в направлении электрического поля Е приращение числа электронов определяется коэффициентом ионизации а и равно
&е/е= iea^x/e.(25.24)
Сокращая нА е и переходя к дифференциальной записи, получаем
die/dx = aie.(25.25)
получим/ dieh =получим/ dieh =Разделив переменные и интегрируя в пределах от катода до анода, d
получим
/ dieh =
получим
/ dieh =
/ adx.(25.26)
о
Здесь Zea - электронный ток, приходящий на анод; 7ек - ток электронов, покидающих катод; d — расстояние между электродами.
Для плоскопараллельного промежутка с постоянной напряженностью электрического поля коэффициент а не зависит от х. В результате интегрирование (25.26) даст
占=仆"(25.27)
Это означает, что один электрон, вышедший из катода, превращается в е0^ электронов на аноде. Так как начальный электрон, вышедший из катода, не имеет парного иона, то число ионов в лавине будет на один меньше, чем электронов, т. е. равно 6叱—L Ионы, сопутствующие им фотоны и метастабильные атомы, попадая на катод, выбьют в > раз большее число электронов. Это позволяет записать сформулированное выше условие возникновения самостоятельного разряда в виде формулы
7(^- 1) =1.(25.28)
Для определения параметров разряда удобнее оперировать с напряжением, а не с расстоянием между электродами. Введем поэтому коэф-
фициент ионизации q, равный числу пар ионов и электронов, созданных в результате ионизации нейтральных атомов одним электроном при прохождении разности потенциалов 1 В. Очевидно, что число ионизаций на пути 1 м равно числу ионизаций при прохождении разности потенциалов 1 В, умноженному на падение напряжения на пути 1 м, равное Е. Таким образом, можно записать формулу, связывающую коэффициенты а и ту, в виде
а= г]Е(25.29)
и переписать условие возникновения самостоятельного разряда (25.28) в виде
7(ei—D = l.(25.30)
Для рассматриваемого нами плоскопараллельного промежутка с по- стоянкой напряженностью электрического поля значение Ed, найденное из условия возникновения самостоятельного разряда (25.30), можно считать равным напряжению возникновения самостоятельного разряда иъ. Тогда, логарифмируя (25.30), получаем
« = 1п(1 + 1/1)/т?.(25.31)
Аналитические зависимости ту = /(F/po) = f ВКР«) можно получить из (25.10). Их характерной особенностью является то, что с ростом отношения Е/ро значение ту нарастает, проходит максимум и снова спадает. Поскольку 7 обычно слабо зависит от E/р。, то можно принять, что значение 1п(1/> + 1) почти не зависит от £/р0- Тогда, подставив Е/Ро = %/Pod, получим
& = 1п(1 + 1/7)/〃“/Ро<О ••• (25.32)
Это неявное уравнение показывает, что
" =9仇办(25.33)
т. е. напряжение возникновения самостоятельного разряда является функцией произведения давления на расстояние между электродами, а не этих переменных в отдельности. Очевидно, максимальному значению ту 二"加4% соответствует минимальное “ = ^min и оптимальное (^/ Ро) opt = ^тгл/(Po^)opt • При (p()d)〉(А>内 opf, 37ро) < < (^/Ро) opt и при 仇0 < (РоОорг, (Е/Р。)> (^/Ро) opt всегда
Зависимость (25.33) была найдена экспери ментально еще до ее теоретического вывода и получила название закона Пашена, а соответствующие кривые — кривых Пашена, Типичные кривые Пашена для различных газов показаны на рис. 25.8. Как и следует иэ теории, их 290
характерной особенностью является наличие правой возрастающей и левой спадающей частей, а также минимума, расположенного между ними.
255 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
При рассмотрении возникновения самостоятельного разряда было принято, что напряженность электрического поля в любой точке газового промежутка с плоскопараллельными электродами постоянна. Распределение потенциала между электродами для этого случая соответствует прямой / на рис. 25.9. На самом деле это условие соблюдается только при малых токах в газоразрядном промежутке, когда объемные заряды, создаваемые электронной и особенно ионной составляющими тока, ничтожно малы.
При увеличении тока в междуэлектродном промежутке накапливается заметный объемный заряд электронов и положительных ионов. Поскольку генерация заряженных частиц (электрон-ионных пар) в промежутке носит лавинообразный характер, причем лавины нарастают от катода к аноду, больше всего частиц генерируется перед анодом прибора. При высокой концентрации электрон-ионных пар здесь возникает слой сильно ионизированного газа — плазмы, для которого характерна высокая электропроводность и приблизительное равенство концентраций электронов и ионов. Соответственно перепад потенциала на этом участке будет незначительным. Распределение потенциала между электродами после возникновения плазмы иллюстрируется кривой 2 на рис. 25.9. При увеличении тока область плазмы расширяется по направлению от анода к катоду.
При больших расстояниях между электродами отношение Е/р0 вначале оказывается меньше, чем (£/р0) Opt, а коэффициент ту < %以 По мере продвижения плазмы к аноду Е/р0 возрастает (ср. кривые
Рис. 25.10. Темные и светящиеся области тлеющего разрядаРис. 25.10. Темные и светящиеся области тлеющего разрядаРис 25.9. Изменение распределения потенциала между электродами в процессе формирования разряда
Рис. 25.10. Темные и светящиеся области тлеющего разряда
Рис. 25.10. Темные и светящиеся области тлеющего разряда
/ и 2) и значения ту увеличиваются. Продвижение плазмы к катоду заканчивается при достижении приблизительного равенства (Е/Ро) 七 % (£?Ро) opt^ когда ту 七 T?WtfX> поскольку значения (£/р0) > (Е/Ро) opt приводят к уменьшению ту по сравнению с %必 Распределение потенциала в катодной области, при котором ту =T?WtfX и (£/р0) "(Е/Po) орг, характерно для тлеющего разряда.
Остановимся подробнее на этой форме разряда, широко используемой в индикаторных и других ионных приборах. При тлеющем разряде в промежутке между электродами можно выделить ряд светящихся и темных областей. Эти области располагаются в направлении от катода к аноду в следующей последовательности (рис. 25.10): первая катодная или астонова темная область /, область первого катодного свечения 2, вторая катодная темная область 3, область катодного тлеющего свечения 4, фарадеева темная область 5, положительный столб 6, анодная темная область 7, область анодного свечения 8.
Существование этих областей тесно связано с механизмом поддержания тлеющего разряда. Первая катодная область не светится, так как электроны, вышедшие из катода, не успевают в ней приобрести достаточной для возбуждения энергии. Такую энергию они приобретают, только попав в область первого катодного свечения, где происходит также ионизация газа. Поскольку электроны при ионизации теряют свою энергию, возникает вторая катодная темная область. В ней электронные лавины, идущие от катода, вновь ускоряются и, попадая в следующую светящуюся область катодного тлеющего свечения, производят интенсивные возбуждение и ионизацию. Из-за размножения электронов в лавине, идущей от катода к аноду, интенсивность ионизации и яркость свечения в катодном тлеющем свечении заметно выше, чем в первом катодном свечении.
Следующую темную область (фарадееву) в какой-то мере можно рассматривать как повторение второй катодной темной области. Электроны попадают сюда из катодного тлеющего свечения с энергией, недостаточной для возбуждения или ионизации. Пройдя через нее, они
^увеличивают свою энергию, в результате образуется положительный столб, занимающий остальную часть разрядного промежутка почти до анода.
Положительный столб является плазменной областью. В нем существует слабое электрическое поле и поддерживается слабая ионизация, необходамая для компенсации потерь на стенки.
Концентрации ионов и электронов в положительном столбе равны, а заряженные частицы движутся к стенкам за счет двухполярной диффузии, на стенках они рекомбинируют со скоростью, равной скорости их образования. В положительном столбе интенсивно генерируются фотоны ультрафиолетового излучения. Это позволяет, покрыв стенки баллона люминофором, создать индикаторные приборы с различными цветами свечения.
Условие возникновения самостоятельного разряда (25.31), записанное для плоскопараллельного промежутка с равномерным распределением потенциала между катодом и анодом, может быть распространено и на катодную область тлеющего разряда (области 7-3, рис. 25.10), на которую приходится основная часть падения напряжения в промежутке.
Когда условия в промежутке соответствуют значению (^/Ро) opt^ то разряд характеризуется нормальной плотностью тока на катоде &н，минимальным катодным падением UKtH и называется нормальным тлеющим разрядом. Поскольку при не очень больших расстояниях между электродами d падение потенциала в плазме невелико, обычно принимают катодное падение △《приблизительно равным напряжению поддержания разряда %. Значения JK(H и UKfH остаются постоянными при изменении разрядного тока при условии, что разрядное свечение покрьшает не весь катод или не занимает слишком малую часть его поверхности. Благодаря постоянству JK н с увеличением разрядного тока пропорционально ему увеличивается поверхность катода, покрытая свечением (закон Геля):
/ =」к,н$， (25.34)
где S — площадь катода, покрытая свечением.
Для катода, поверхность которого не полностью покрыта свечением, значение J всегда стремится к JKjH. Можно показать, что аналогично (25.31) соответствующее значение катодного падения равно
4,н=1п(1 + 1/>)/%ф, (25.35) здесь т?эф — эффективное значение коэффициента ту в нормальном тлеющем разряде.
Перейдем к определению плотности тока в тлеющем разряде. Катодная область характеризуется наличием объемного заряда ионов и электронов с плотностями р-, ре, которые можно выразить в виде
4 = %/%， Ре = Je/Vex , (25.36)
где 厶，Je и %, Ее% — плотности направленного тока и скорости дрейфа положительных ионов и электронов соответственно. Поскольку на катоде Je = yJ. , 7 < 1 (см. § 25.2) и %*《万е% (см. § 25.3), то Je/^ex《/^х- Это позволяет записать уравнение Пуассона для катодной области в виде
dE/dx= -1,13 • 10" 4•/兀・ (25 37)
Экспериментально было найдено, что в катодной области Е линейно спадает от £к при х = 0 на катоде до £ =0 при х =JK на анодной границе катодной области, т. е. dE/dx = const.
Используя выражение для направленной скорости ионов 耳月 аналогичное (25.19), считая, что на катоде почти весь ток переносится ионами 厶再=乙 + 几=J, (1 + 7) 厶，можно в предположении постоянства правой и левой частей (25.37) записать в правую часть
условия для катода
dE/dx = -1,13 • 1011 JKtHPo/kioEK.(25.38)
Интегрирование (25.38) в пределах от £ = £к при х = 0 до £ = 0, при х = JK дает
%= -1,13 • 1011 7к(нРо^к/^ о^к-(25.39)
Подставив сюда JK из
37Ро)зф = UKtH/podK,(25.40)
приняв с учетом линейного изменения £
Ро(Е/Ро)9ф 二 Ек/2(25.41)
и решив (25.39) относительно JK(H, получим окончательно
厶,宀,6.10小勺吧e/p。弘=jк,но片.(25.42)
Здесь Jk,ho — плотность тока нормального тлеющего разряда при еданичном давлении 1 Па.
Из-за большого числа допущений при выводе выражение (25.42) дает только порядок значения плотности тока, однако его истинная 294
ценность заключается в правильном отражении зависимостей плотности тока от давления и отношения (£7Ро)зф・
Определим конкретные значения т?эф в условиях тлеющего разряда в различных газах. В чистых инертных газах плотность тока и соответственно концентрация метастабильных атомов сравнительно велики. Ионизация здесь происходит в результате двух процессов: прямой ионизации нейтрального атома электронным ударом и ступенчатой ионизации при соударении двух метастабильных атомов между собой. Если считать эти два процесса независимыми, то
5 = М+*2.^(25.43)
Здесь 9加 一число метастабильных атомов, создаваемых электроном при прохождении разности потенциалов 1 В, а коэффициент 1/2 введен в связи с тем, что для ионизации необходимы два метастабильных атома. Таким образом, в инертных газах, где образуется много метастабильных атомов, 〉^тах'
В смесях инертных газов, в которых возникает эффект Пеннинга, для ионизации требуется только одан атом (см. поз. 5, табл. 25.1). Поэтому
%ф = Птах + %，(25・44)
и опять т?эф > Пта£ Так как эта реакция не связана с парными взаи* модействиями, т. е. происходит при любых плотностях тока, то в пен- нинговых смесях снижаются напряжения как возникновения так и поддержания Un разряда.
В формулы для определения напряжений возникновения и поддержания разряда необходимо ввести поправки, учитывающие то обстоятельство, что электроны начинают неупруго взаимодействовать с молекулами газа не в плоскости катода, а пройдя определенную разность потенциалов по направлению к аноду. Эта поправка для напряжения возникновения разряда U’ в чистых газах равна потенциалу ионизации U., в пеннинговых смесях — потенциалу метастабильного состояния Um. Для напряжений поддержания разряда поправка U” в газах, где концентрация метастабильных атомов значительна, равна Umi в остальных газах Ц . Соответствующие формулы имеют вид для напряжения возникновения разряда:•
必加加二 U' + ln(l + l/7)/%0x(25.45)
и для напряжения поддержания разряда
и” +1п(1 + 1/7)Мэф.(25.46)-
Необходимые для расчетов значения U： U”, Vmax，9»出，/к>но>
(E/p0)opt, (£，/Ро)Эф> 1п(1 + 1/1) приведены в табл. 25.3 и 25.4.
Я8М 之 HOjdv Я8М «S5^
uxn101AdHudMg .wog -2KOX
-SE S9Z ON HSH 97 E7 8 二 «S5r^ 圾deg A5^s£ A5XSX SVSKROS ^Asx«§§x «-дххиздсойаихqHH8I£IquuEd ^лмй«Бдси«ь
»OHCm XMHOCBJ H 80Voi"工 SOSS&OHAS XNHhHIXBd K& C 二
+=£ KHHQhBHm-.szahnu9m
IIIII
EE99E
r唄sQr
TiОI
EI-0 CEO S6Z0 £03 z0
3s°ow
6Z0 99
£0ZT
SIO 9.91
ZIO
-芯 £ 乎S+8H 承- 9GI-TVF0+ %N 术66 9SI HEdv nlz K8a
("!!• w)
("!!• w)
-EF w)
會(ov®
白。(总百)
*OK 乂
Ta
4f
И-%
mMJ
xmew。хи я ййи XIqHHd3HH xiqHhHixcd° f £/5 盲(£/?。3?承-i^、ъ・ b ЮШ 詈 Hm s.^ i^^
ДУГОВОЙ РАЗРЯД
При увеличении тока свечение разряда покрывает всю поверхность катода и тлеющий разряд переходит из своей нормальной формы в аномальную. При этом перестройка объемного заряда продолжается таким образом, что толщина катодного падения становится меньше, чем Qk,h・ В результате коэффициент ионизации ту становится меньше %с，одновременно катодное падение & > 厶戸(см. ВАХ разряда на рис. 24.1).
Из-за увеличения напряженности электрического поля в катодной области энергия ионов, которую они приобретают на длине свободного пробега в направлении поля, у катода возрастает. Поскольку растет и плотность тока, т.е. число этих ионов, то результирующий нагрев катода вьщеляемой энергией оказывается достаточным для того, чтобы из наиболее слабо охлаждаемых участков началась термо эмиссия электронов. Нарастание эмиссии с какого-либо участка катода носит лавинообразный характер, поскольку увеличение локальной плотности тока приводит к увеличению нагрева, а увеличение нагрева, в свою очередь, к увеличению термо эмиссии и плотности тока и т.д.
Когда преобладающим видом эмиссии из катода становится термо- эмиссия, в газоразрядном промежутке устанавливается самостоятельный дуговой разряд, характерное распределение потенциала которого показано на рис. 25.11. Пространство между катодом и анодом разделяется на три четко выраженные области: катодную L положительный столб 2 и анодную 3. Первая из них, катодная область, отличается при дуговом разряде заметно меньшей толщиной, чем при тлеющем. Эта толщина приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов.
Прохождение тока через катодную область поддерживается благодаря следующим процессам. Во-первых, электроны, вышедшие из катода, проходят эту область практически без соударениД, т.е. беэ потерь энергии. Поскольку катодное падение потенциала приблизительно равно потенциалу ионизации газа, то этой энергии оказывается достаточно для ионизации за пределами катодной области. Во-вторых, плотность тока, одновременно с катодным падением определяющая плотность мощности, выделяемой на катоде, велика, поскольку весь ток эмит- тируется небольшими нагретыми участками катода (пятнами).
Следующая область — столб дугового разряда занимает почти весь разрядный промежуток. Для этой плазменной области характерно дрейфовое движение заряженных частиц вдоль оси в слабом электрическом поле и даффузионное даухполярное движение частиц к стенкам. В результате двухполярной даффузии диэлектрические стенки заряжаются отрицательно по отношению к столбу.
Наконец, анодная область дугового разряда является переходной областью, связьшающей положительный столб и анод. В зависимости от размеров, формы, материала и температуры анода, определяющих
Рис. 25.11. Распределение потенциала в дуговом разряде
Рмс 25.12. Вольт-амперная характеристика несамостоятельного дугового разряда
плотности ионной и электронной компонент тока на аноде, может иметь место положительное, отрицательное или нулевое анодное падение напряжения.
Рассмотренный механизм эмиссии из катодной области имеет место дая тугоплавких материалов (вольфрама, молибдена, графита и т.п.), когда интенсивная термо эмиссия происходит при температурах ниже температуры испарения рабочего вещества катода.
При жидких катодах (например, ртутном) сильный нагрев материала невозможен, так как избыточное тепло уносится с испаряющимися атомами. Теоретическое рассмотрение показывает, что эмиссия из катода здесь является электростатической, т.е. обусловленной действием сильного электрического поля. Образование такого поля происходит следующим образом. Перед ртутным катодом возникает область повышенного давления ртутного пара, испаряющегося из катодного пятна. При этом средняя длина свободного пробега электронов и, следовательно, протяженность катодного падения уменьшается до 10"7 м, а об- ласть ионизации, соответственно приближается к катоду. При катодном падении 10 В это соответствует напряженности электрического поля Ю8 В/м, обеспечивающей интенсивную электростатическую эмиссию.
Дуговой разряд можно получить также, используя в качестве источника электронов термокатод с искусственным подогревом. Вольт-ампер* ная характеристика такого разряда показана на рис. 25.12. При напряжениях между электродами, меньших потенциала ионизации газа (уча・ сток ”)，ток на анод проходит почти таким же образом, как в вакуумном диоде. Определенная разница связана с тем, что в газонаполненном приборе электроны на пути от катода к аноду испытывают соударения с газом. Однако в целом здесь действуют закономерности прохождения тока, ограниченного пространственным зарядом.
Когда напряжение между электродами достигает потенциала ионизации газа (точка а) в пространстве формируется плазма, граница которой, как и при самостоятельном дуговом разряде, располагается близко к катоду. Этот дуговой разряд, в отличие от разряда с неподогревным катодом, является несамостоятельным, поскольку электроны появ- 298
ляются не за счет энергии, берущейся из разряда, а за счет подогрева катода внешним источником.
Объемный заряд в катодном пространстве компенсируется зарядами из плазмы, что позволяет увеличивать ток (участок 6с) без увеличения напряжения между анодом и катодом. Анодный ток /а здесь все же меньше тока эмиссии катода, что достигается благодаря избыточному электронному объемному заряду у катода, создающему слабое тормозящее электрическое поле.
Наконец, в точке с ВАХ ток на аноде достигает значения тока термоэмиссии с катода. Дальнейшее повышение тока возможно только за счет роста катодного падения потенциала, вызьшающего усиление ионизации и появление ускоряющего поля у катода. Эмиссия на участке cd возрастает и из-за 7-процессов и из-за эффекта Шоттки.
ИСКРОВОЙ И КОРОННЫЙ РАЗРЯДЫ
Дуга, поддерживаемая от источника большой мощности, является стационарной сильноточной формой разряда. При использовании в качестве источника электропитания реактивного (обычно емкостного или индуктивно-емкостного) накопителя, холодных электродов и при высоких давлениях газа, равных или превышающих атмосферное, можно создать нестационарную форму сильноточного разряда — искровой разряд.
Искровой разряд развивается как импульс тока, кратковременно проходящий через газоразрядный промежуток. Длительность прохождения импульса тока и его амплитуда сильно зависят от параметров накопителя, в частности, они тем больше, чем больше емкость конденсатора.
В отличие от рассмотренных выше тлеющего или дугового разрядов свечение искрового разряда пространственно неоднородно. Оно имеет вид ряда ярких светящихся полосок, пронизьшающих разрядный промежуток, которые всегда начинаются на одном из электродов, но не обязательно заканчиваются на другом. Примером искрового разряда является молния.
Этапы развития искрового разряда зависят от параметров накопителя и источника электроэнергии. Наиболее часто используются накопители, содержащие конденсаторы или длинные линии, подключенные параллельно газоразрядному промежутку и соединенные с источником питания через сравнительно высокоомное ограничивающее сопротивление. В этом случае после искрового пробоя напряжение на разрядном промежутке резко уменьшается и разряд прекращается. Затем в результате зарядки накопительного элемента напряжение на промежутке вновь возрастает и пробой повторяется. Таким образом искровой разряд может иметь форму повторяющихся импульсов, интенсивность и частота которых определяются параметрами цепи электропитания.
Рис. 25.13. Образование стримера в дуговом разрядеРис. 25.13. Образование стримера в дуговом разрядеРм& 25.14. Положительная коронаРм& 25.14. Положительная корона
Рис. 25.13. Образование стримера в дуговом разряде
Рис. 25.13. Образование стримера в дуговом разряде
Рм& 25.14. Положительная корона
Рм& 25.14. Положительная корона
Напротив, при неограниченной мощности источника электропитания холодный катод промежутка нагревается за счет потерь джоулева тепла и начинает эмиттировать термоэлектроны. В результате разряд переходит из искровой формы в непрерывную дуговую.
Явления в искровом разряде хорошо объясняются стримерной тео- Рией- Стримером называют светящееся образование ионизированных частиц высокой плотности, распространяющееся в разрядном гтроме・ жутке со скоростью, значительно большей, чем у обычной электронной лавины. Образование отрицательного, т.е. зарождающегося на катоде, стримера иллюстрирует рис. 25.13. В результате выхода из катода К начального электрона зарождается электронно-ионная лавина (7), подоб- ная тем, которые создаются при возникновении таунсевдовского разряда. Поскольку сама лавина представляет собой область с высокой проводимостью (как при коротком замыкании части промежутка), напряженность электрического поля между ее головкой и анодом возрастает.
При высоких давлениях разрядная область имеет малое поперечное сечение, газ в этой сжатой (контрагированной) области в результате возбуждения и рекомбинации испускает фотоны. Распространяясь во все стороны, фотоны первой лавины становятся инициаторами тювых лавин, однако наиболее вероятно зарождение вторичных лавин (77) в области перед головкой, где напряженность электрического поля максимальна. Вторичные лавины, в свою очередь, стимулируют появление третичных (7Z7)и т.д. Указанные явления приводят к образованию стримера, который продвигается по направлению к аноду Л со скоростью, много большей, чем скорость дрейфового движения электронов.
Еще одной формой разряда, возникающей при высоких давлениях газа, является коронный разряд. Для его существования необходимо, чтобы хотя бы один из электродов имел малый радиус кривизны, обеспечивающий появление области электрического поля с высокой неоднородностью. На рис. 25.14 схематически показана положительная корона. Здесь электрод малого радауса г а - анод, внешний электрод с 300
радиусом г к — катод. Коронирующий слой локализован в цилиндрическом слое у анода с радиусом гс. Все пространство между электродами коронного разряда можно разбить на две области: коронирующий слой /, примыкающий к электроду с малым радиусом кривизны, в котором происходит ионизация газа и формируется объемный заряд, внешнюю область 2, где происходит только перенос заряда, но не ионизация.
Рассмотрим вопрос о том, какой вид должна иметь ВАХ положительной короны. Увеличение тока приводит к образованию дополнительного положительного объемного заряда в коронирующем слое и к перестройке распределения потенциала, аналогичной изображенной на рис. 25.9, которая снижает напряженность 'электрического поля в ко- ронирующей анодной области. Поскольку с уменьшением Е падает и коэффициент ту, то ионизация в коронирующем слое должна снизиться.
Вместе с тем при постоянном внешнем напряжении между электродами уменьшение падения напряжения в коронирующем слое обязательно приводит к увеличению падения напряжения во внешней области. Это перераспределение, однако, не сопровождается возникновением ионизации во внешней области, поскольку даже и при больших значениях напряженности поля Е коэффициент т? здесь по-прежнему практически равен нулю. Поэтому для увеличения тока требуется повысить внешнее напряжение, и ВАХ положительной короны оказывается возрастающей.
Анализ показывает, что электроны, дающие начало лавинам, образующим коронирующий слой, появляются не из катода, а зарождаются на катодной границе ко рокирующего слоя в результате фотоионизации атомов газа.
Контрольные вопросы и задания
Чем отличаются упругие соударения от неупругих?
Как связано эффективное сечение соударений с длиной свободного пробега?
Какие частицы, попадая на катод, вызывают эмиссию в газовом разряде?
Что такое коэффициент подвижности?
В чем разница между даффузионным и дрейфовым движениями?
Каково условие возникновения самостоятельного разряда?
Какими постоянными величинами характеризуется нормальный тлеющий разряд?
Как меняется механизм эмиссии из катода при переходе из тлеющего в дуговой разряд?
Глава двадцать шестая
ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
Основными особенностями приборов тлеющего разряда являются холодный ненакаливаемый катод, сравнительно малые рабочие токи (миллиамперы) и стабильность электрических параметров.
Приборы тлеющего разряда с холодным катодом имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными лампами: отсутствие цепей накала с присущим им заметным расходом мощности, более высокие срок службы, надежность, механическая прочность.
Стабильное и не зависящее от тока нормальное катодное падение потенциала тлеющего разряда обусловило широкое применение стабилитронов тлеющего разряда для стабилизации напряжений цепей электропитания аппаратуры на электронных лампах и других электровакуумных приборах.
Возможность управления возникновением тлеющего разряда с помощью небольшого тока вспомогательного разряда или же электрического поля добавочных управляющих электродов используется в релейных тиратронах тлеющего разряда и приборах для счета импульсов - декатронах. Следует, однако, заметить, что в связи с преобладающим развитием полупроводниковой электроники эти группы приборов тлеющего разряда в настоящее время находят только ограниченное применение.
Гораздо более перспективно применение приборов тлеющего разряда в качестве индикаторов, основанное на их способности преобразовывать электрические сигналы в световое излучение. Газоразрядные индикаторы получили в настоящее время чрезвычайно широкое распространение и продолжают быстро развиваться, становясь в ряде применений конкурентом ЭЛТ. Это связано с такими их о со бенностями, как способность преобразования электрических сигналов в световые с достаточно высоким КПД, возможность использования внутренних свойств тлеющего разряда для адресации информации по индикаторному полю, запоминание информации в самом индикаторном поле, возможность создания индикаторных полей больших размеров, плоскостность конструкции.
В данной главе рассматриваются приборы тлеющего разряда, применяемые для стабилизации напряжений и обработки электрических сигналов, а также индикаторные тиратроны. Более сложные индикаторные приборы тлеющего разряда ввиду специфики их работы и тесной связи приборов с управляющей схемой выделены в гл. 27.
.262 СТАБИЛИТРОНЫ ТЛЕЮЩЕГО И КОРОННОГО РАЗРЯДА
Нормальному тлеющему разряду присуще постоянное катодное падение потенциала 4, н. При условии небольших расстояний между катодом и анодом падение напряжения в остальных областях тлеющего разряда незначительно, поэтому общее падение напряжения между катодом и анодом или напряжение поддержания разряда “ является приблизительно постоянным. На этом и основано действие стабилитронов тлеющего разряда.
Стабилитроны применяются в двух типах схем стабилизации напряжения. В первой схеме параметрической стабилизации (рис. 26.1) стабилитрон V включен параллельно нагрузке, благодаря чему на последней поддерживается то же напряжение, что и на стабилитроне. Качественно можно объяснить работу этой схемы следующим образом. Разность между входным 心乂 и выходным 么丛乂 напряжениями гасится на балластном резисторе &, так что любое изменение входного напряжения приводит к такому изменению тока 左 через резистор&б, при котором выходное напряжение остается неизменным. При изменении же тока нагрузки ZH, но при постоянном иъх ток Zg остается неизменным за счет сохранения постоянства суммы токов через стабилитрон и нагрузку:
/б = & + /ст・ (26.1)
Рассмотрим условия нормальной работы схемы параметрической стабилизации. Во-первых, при подаче входного напряжения должен возникать разряд между анодом и катодом. С учетом резистивного делителя &б, &н зто дает для наиболее неблагоприятного сочетания парамет ров схемы и прибора
&х min&х min&н min«н min + ^бтах&н min«н min + ^бтах>么.>么.(26.2)(26.2)
&х min
&х min
&н min
«н min + ^бтах
&н min
«н min + ^бтах
>么.
>么.
(26.2)
(26.2)
Во-вторых, наибольший ток через стабилитрон не должен превосходить максимально допустимого значения I^max, соответствующего точке перехода от нормального к аномальному тлеющему разряду по характеристике рис. 24.1; в противном случае напряжение 14Mx возрастет. Поскольку ток через стабилитрон максимален при минимальном токе нагрузки /н и максимальном входном напряжении С^х, то второе условие имеет вид
^вх шах - % min^п min
(26,3)(26,3)< ;ст тах , Rbmin^н max
(26,3)
(26,3)
Исключив /?б из (26.2) и (26.3), получим
.(26.4).(26.4)
.(26.4)
.(26.4)
^вх max ~ Ur min^ст max + ^n min/^н max
(^вх min ~ Up max) Rh min
/ max
Рис. 26.1. Схема параметрической стабилизации
Рис. 26.2. Схема стабилизации компенсационного тапа
Это выражение имеет смысл только для положительных значений частей неравенства.
Неравенство (26.4) можно использовать для определения характеристик стабилитрона, требуемых для стабилизации напряжения на заданной нагрузке RH для данного диапазона питающих напряжений 6х・
Вторая схема включения — ламповый стабилизатор компенсационного типа — показана на рис. 26,2. В ней лампа VI выполняет ту же функцию балласта, на котором гасится избыточное напряжение между UBX и ^4ЫХ, что и балластное сопротивление &б в схеме рис. 26.1. Отличие заключается в том, что стабилизация достигается изменением проводимости PJ, в то время как &б в схеме рис. 26,1 постоянно, а стабилизация “bix в ней достигается регулировкой тока 1СТ,
Изменение проводимости VI производится следующим образом. Стабилитрон V3 задает строго постоянное напряжение на катод лампы, а напряжение, поступающее на сетку V2 с части нагрузочного резистора &н, пропорционально напряжению на нагрузке. При повышении напряжения ивых возрастает потенциал сетки и анодный ток через лам- ну F2 H уменьшается потенциал сетки лампы VI. Это приводит к росту полного сопротивления лампы ^7 и к уменьшению напряжения бых, чем и достигается его стабилизация. При уменьшении напряжения ^мх потенциал сетки и анодный ток лампы К2 уменьшаются, что вызывает увеличение потенциала сетки лампы VI. В результате увеличения проводимости лампы VI напряжение “此式 возрастает, возвращаясь к первоначальному значению. Иными словами, электронно-управляемые лампы в схеме рис. 26.2 образуют усилительный каскад с отрицательной обратной связью по выходу, стремящийся строго стабилизировать выходное напряжение 4Mx при изменении входного напряжения иъх или сопротивления нагрузки RH.
Поскольку напряжение 4Mx практически неизменно, то и ток через стабилитрон, подсоединенный к ^ых через &б, остается постоянным независимо от изменений входного напряжения или сопротивления на- 304
грузки. Стабилитрон в такой схеме выполняет функции источника эталонного (опорного) напряжения, работающего при почти фиксированном токе.
Из проведенного рассмотрения следует, что целесообразно иметь две группы стабилитронов: регулирующие с широким диапазоном токов стабилизации для схемы рис. 26.1; опорные с узким диапазоном токов стабилизации и высокой стабильностью напряжения поддержания разряда для схемы рис. 262.
Для регулирующих стабилитронов задаются следующие параметры: напряжение возникновения разряда 6； напряжение поддержания разряда %;
минимальный и максимальный допустимые токи ZCT mint ZCt max； допустимое изменение напряжения поддержания разряда в диапазон не рабочих токов △%.
Для опорных стабилитронов вместо параметра △% задаются: нестабильность напряжения поддержания во времени (дрейф) и (дополнительно) зависимость напряжения поддержания разряда от температуры окружающей среды — температурный коэффициент напряжения.
Параметры регулирующего стабилитрона можно определить по ВАХ, показанной на рис. 26,3. Типовая конструкция стабилитрона тлеющего разряда изображена на рис. 26.4. Прибор содержит цилиндрический катод 1, окружающий цилиндрический или проволочный анод 2. Электроды фиксируются друг относительно друга с помощью керамических 305
изоляторов 3, внутри стеклянного баллона 4 размещается газопоглотитель 5.
В качестве газового наполнения приборов используются чистые инертные газы или их смеси. Наиболее стабильные катодные падения и тем самым напряжения поддержания разряда удается получить с помощью тугоплавких металлов: молибдена, тантала или циркония. Стабильность достигается путем пропускания через прибор на стадии его изготовления больших импульсов тока, вызывающих интенсивное катодное распыление. Перечисленные материалы катодов являются поглотителями таких активных примесных газов, как кислород и азот, а распыляемые атомы имеют высокую химическую активность во время своей диффузии от катода к стенкам баллона. Распыление катода приводит к избирательному поглощению примесей, но не инертного газа, чем обеспечивается высокая чистота газового наполнения.
Кроме того, металлическая пленка, осаждающаяся на стеклянные стенки баллона, препятствует выделению газов из стекла. В регулирующих стабилитронах, где требования к стабильности напряжения поддержания не столько велики, но требуется широкий диапазон допустимых токов, используют катоды с большой поверхностью. В этом случае в качестве материала катода часто применяется никель, который обрабатывается легче, чем тугоплавкие металлы.
Конструирование стабилитрона сводится к выбору материала и площади катода, рода и давления наполняющего газа, обеспечивающих основные параметры стабилитрона, перечисленные выше.
Поскольку напряжение стабилизации задается требованиями к источнику электропитания, то для облегчения выполнения формулы (26.4) необходимо получить минимальные UB 加？汽 и разность UB mtn - 〃口. Используя (25.45) и (25.46),получаем
^в min — % н (U‘ —(/') + (Unmax — 1/"зф)1п(1 + 1/7)=
=4 + (U - U ) + ("эф — Vmax) ^в тт/^зф • (26.5)
Для получения минимального напряжения возникновения разряда расстояние между электродами и давление должны быть выбраны таким образом, чтобы приведенная к давлению напряженность электрического поля была равна значению (Е/Ро)тах по табл. 26.3. Тогда очевидное соотношение
^/(Д/роУтах н (Ро^а, K)opt (26.6) позволяет найти произведение (Pod% 长)。卩才，где cZa> к - расстояние анод—катод.
Анализ табл. 25.3 показывает, что U' = U" и наиболее близкие значения 1?т〃х, 1?Эф получаются в пеннинговой смеси Ne + Аг. Физически малая разность напряжении возникновения и поддержания разряда объясняется тем, что в результате реакции Пеннинга в этой смеси проис- 306
Рис. 26.5. Волы>амперные характеристики положительной короны для различных газовРис. 26.5. Волы>амперные характеристики положительной короны для различных газовРис. 266 Конструкция стабилитрона коронного разрядаРис. 266 Конструкция стабилитрона коронного разряда
Рис. 26.5. Волы>амперные характеристики положительной короны для различных газов
Рис. 26.5. Волы>амперные характеристики положительной короны для различных газов
Рис. 266 Конструкция стабилитрона коронного разряда
Рис. 266 Конструкция стабилитрона коронного разряда
ходит быстрое разрушение метастабильных атомов, вследствие чего концентрация атомов Nm оказывается незначительной. Из-за малого значения Nm квадратичные эффекты при протекании тока почти отсутствуют, а возникновение и поддержание разряда требуют почти одинаковых напряжений.
В общем случае понижение разности “加証 一 Un достигается за счет: использования газовых наполнении, в которых не происходит парных взаимодействий метастабильных атомов；
выбора произведения давления на расстояние между электродами 3)统，к)opt, соответствующего минимуму кривой Пашена.
Для стабилизации более высоких напряжений применяются стабилитроны коронного разряда, которые могут работать в схемах и как опорные, и как регулирующие элементы.
Как отмечалось в § 25.7, ВАХ коронного разряда является возрастающей. В связи с этим она непосредственно не пригодна для использования в стабилитронах. Однако определенный выбор геометрии и газового наполнения позволяет сделать эту характеристику почти горизонтальной.
На рис. 26.5 приведено семейство характеристик положительной короны для аргона (кривые 7 и5) и водорода (кривые 2H4) при отношении радиусов катода и анода 50 : 1 (кривые 7 и 2) и 8 :1 (кривые 3^4). Анализ этих кривых показывает, что уменьшение степени неоднородности электрического поля позволяет приблизить характеристику к горизонтальной. В этом же направлении действует переход от инертного газа Аг к водороду. Практически в стабилитронах используется положительная корона (коропирующий электрод меньшего радиуса — анод) в атмосфере водорода. Высоковольтные стабилитроны коронного разря-
да выполняются в металлокерамическом баллоне с бесцокольным оформлением и выводами в разные стороны.
Типичная конструкция такого прибора изображена на рис. 26.6. Анод А соединяется с корпусом посредством гофрированного керамического изолятора. В качестве газового наполнения используется водород; давления, превышающие атмосферное, позволяют повысить рабочие напряжения. Более низковольтные стабилитроны коронного разряда имеют стеклянные баллоны с цокольными выводами.
РЕЛЕЙНЫЕ И ИНДИКАТОРНЫЕ ТИРАТРОНЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В соответствии с назначением можно выделить:
релейные тиратроны, характеризуемые наличием двух состояний (включено и выключено), применяемые в автоматике;
индикаторные тиратроны, характеризуемые наличием или отсутствием свечения, применяемые для индикации электрического состояния цифровых систем.
Релейный тиратрон тлеющего разряда, схема включения которого показана на рис. 26.7, представляет собой прибор, содержащий основные электроды - анод Л и катод К, а также одну или большее число управляющих сеток (на рис. 26.6 — одна сетка). В простейшем случае запуск тиратрона осуществляется импульсом UCi подаваемым через разделительный конденсатор на сетку.
В отличие от электровакуумных приборов в тиратронах тлеющего разряда, как и в большинстве других ионных приборов, возможно управление только возникновением разряда между анодом и катодом, но не его прекращением. Действительно, после начала прохождения тока в приборе появляется газоразрядная плазма. Заряженная сетка притягивает из плазмы заряды противоположной полярности, В результате возникает электронная для случая положительной по отношению к плазме сетки или же ионная для случая отрицательной по отношению к плазме секти оболочка, что иллюстрируется рис. 26.8. Появление оболочки приводит к тому, что создаваемое ею электрическое поле экранирует сетку и поле последней перестает проникать в плазму. Объемный заряд, появляющийся у сетки, является не статическим, а динамическим — заряды непрерывно уходят из оболочки на сетку и одновременно восполняются зарядами, приходящими из плазмы.
Работу релейного тиратрона в электрической цепи (рис. 26.7) можно пояснить на диаграммах рис. 26.9. Из рисунка видно, что сама по себе подача анодного напряжения 4 в момент времени 厶 не приводит к протеканию тока через промежуток. Только после поступления в момент времен 才2 сеточного импульса достаточной амплитуды происходит уменьшение напряжения возникновения разряда между анодом и катодом до значения, меньшего напряжения питания анода Еа, вследствие чего в момент % возникает основной ток % между анодом и катодом. 308
Рис. 26.7. Простейшая схема включения релейного тиратрона тлеющего разряда с токовым управлением
При этом напряжение на аноде тиратрона падает до значения %, а падение — % приходится на Rz.
Снятие сеточного напряжения или же прекращение сеточного тока в момент % не приводят к прекращению тока основного разряда вследствие экранировки сетки зарядами из плазмы. Только когда анодное напряжение снижается до значения, меньшего напряжения прекращения разряда (момент времени %), основной разряд в тиратроне и ток /а прекращаются. Повторно приложить анодное напряжение, не вызвав возникновения разряда в тиратроне в отсутствие сеточного тока или напряжения, можно только через определенный интервал времени — время восстановления ?вос электрической прочности.
При % — ％ < %ос происходит повторное возникновение разряда без подачи сеточного импульса, когда же % — ％〉^вос, восстанавливается непроводящее состояние тиратрона (рис. 26.9).
Тиратронам тлеющего разряда, как и другим приборам с холодным катодом, присущ значительный статистический разброс времени запаздывания возникновения разряда. Уменьшить этот разброс и само время запаздывания в приборах .можно одним из следующих способов: введением радиоактивных источников, использованием активированных катодов, применением подготовительного (дежурного) разряда. Наибольшее распространение в тиратронах тлеющего разряда нашел последний из этих способов.
В зависимости от способа управления различают тиратроны с токовым и с электростатическим управлением возникновением разряда.
При токовом управлении основной разряд между анодом и катодом возникает при достижении сеточным током некоторого критического значения. Часто одна и та же сетка используется и для токового управления, и для создания подготовительного разряда. При этом благодаря
Рис. 26.8. Экранирование оболочкой:
а - отрицательной сетки; 6 - положительной сетки
Рис. 26.9. Диаграммы напряжений и токов, характеризующие работу релейного тиратрона тлеющего разряда
ограничивающему сопротивлению Rc (см. схему рис. 26.7) в отсутствие импульса Uc ток подготовительного разряда устанавливается меньше критического сеточного тока. Импульс напряжения Uc, подаваемый на сетку через разделительный конденсатор С, вызывает превышение сеточного тока над критическим. Токоограничивающим элементом для этого тока является емкость конденсатора С. При таком способе включения чу в ствител ьно сть тиратрона к импульсам напряжения оказывается высокой, поскольку полное электрическое сопротивление емкостного токоограничителя мало.
При электростатическом управлении возникновением разряда необходимо использовать тиратрон с двумя или большим числом сеток. Простейшая схема включения тиратрона с электростатическим управлением возникновением разряда изображена на рис. 26.10. Первая сетка С\, подключенная к источнику £а через RCi используется для создания подготовительного разряда на катодX", особенностью которого является прианодаая плазменная область около сетки С\ — так называемый плазменный катод.
С помощью резистивного делителя Rlt R2 на второй сетке предварительно устанавливается напряжение смещения, которое должно быть несколько ниже потенциала на & (вернее, потенциала плазменной области у &), поскольку тогда поток электронов из плазмы подготовительного разряда тормозится и не проходит через & в поле анода.
Возникновение основного разряда происходит, когда напряжение на управляющей сетке достигает критического значения отпирающего сеточного потенциала. Практически это напряжение немного ниже потенциала на &. При этом электроны, диффундирующие из плазмы подготовительного разряда за счет своих начальных скоростей, могут пройти сквозь слабое тормозящее электрическое поле сетки С?. Проникая в область ускоряющего поля анода Л, эти электроны ионизируют газ, создают лавины и т.д., что в конечном счете приводит к возникновению самостоятельного разряда между анодом и катодом.
310 二
Перейдем к рассмотрению конструкции и характеристик релейных тиратронов. Первыми были созданы тиратроны с токовым управлением возникновением электрического разряда и активированным катодом. Применение активированного катода позволяет снизить рабочие анодные напряжения и обеспечивает наличие начальных электронов, необходимых для возникновения разряда. Однако активированный катод нестабилен в разряде, что, естественно, отрицательно сказывается на характеристиках прибора. В качестве примера прибора с активированным катодом рассмотрим тиратрон типа МТХ-90.
Электродная структура тиратрона типа МТХ-90 изображена на рис. 26.11. Главной его особенностью является применение активированного цезием катода цилиндрической формы К, в баллоне прибора коаксиально с катодом размещены никелевая цилиндрическая сетка С и молибденовый стержневой анодЛ, окруженный стеклянной трубочкой Т, предотвращающей возникновение проводящих мостиков к другим электродам. Прибор наполнен неоно-аргоновой пеннинговой смесью. Активированный цезием катод обеспечивает малый уровень рабочих напряжений прибора и возможность использования режима без подготовительного разряда. При работе без подготовительного разряда начальные электроны создаются благодаря фотоэффекту с катода.
Для выбора статического режима работы тиратрона задается ано дно- сеточная пусковая характеристика, представляющая собой зависимость напряжения возникновения основного разряда на аноде 弘 в от сеточного тока Zc. Для тиратрона типа МТХ-90 такая характеристика приведена на рис. 26.12. Вы^)ав напряжение питания анода Еа в средней части этой характеристики, можно найти сеточные токи, обеспечивающие надежное включение тиратрона. Так, для анодного напряжения 100 В этот ток должен превышать 30 мкА.
При импульсном сеточном управлении (см. схему рис. 26.7) используют режим постоянно горящего подготовительного сеточного разряда, ток которого кратковременно увеличивается за счет импульса напряжения, подаваемого через разделительный конденсатор С. При напряжении на аноде 100 В, токе подготовки 10 мкА и входном импульсе Uc длительностью 10 мкс амплитуда напряжения %, обеспечивающего возникновение основного разряда, лежит в пределах от 1,5 до 15 В. С ростом длительности Uc амплитуда импульсов, обеспечивающих возникновение основного разряда, уменьшается. Это объясняется тем, что для возникновения разряда необходимо накопление в промежутке сетка—катод достаточного количества зарядов, искажающих электрическое поле основного анода.
С цезиевым катодом связан и основной недостаток тиратронов типа МТХ-90 - нестабильность. В процессе работы вследствие ионной бомбардировки катода происходит распыление и миграция цезия, в результате чего могут меняться эмиссионные свойства катода и появляться активированные эмиссионные участки на других электродах, поэтому параметры прибора МТХ-90 характеризуются большим разбросом и временной нестабил ьно стью.
Значительно более стабильные характеристики тиратронов получаются при использовании молибденового катода. Распыление такого катода на стадии изготовления прибора проводится так же, как в стабилитронах. Это позволяет получить катод со стайитьными эмиссионными свойствами и очистить газовое наполнение от активных примесей типа О2, СО2. Тем самым обеспечивается высокий срок службы приборов, составляющий десятки—сотни тысяч часов. ,
Интенсивная тренировка катода в процессе изготовления прибора； приводит к появлению проводящего налета молибдена на внутренней 312
Рис. 26.13. Электродная структура тиратрона с молибденовым катодом
поверхности баллона и на изоляторах, применяемых для крепежа электродов. Этот налет оказывает и полезное, и вредное воздействие. С одной стороны, он выполняет функции газопоглотителя для активных газов и защищает стенки и изоляторы от ионной бо мбардаров ки и тем самым от выделения газов. С другой стороны, сплошной налет молибдена может привести к появлению коротких замыканий между электродами. Поэтому при конструировании тиратронов с распыляемым в процессе изготовления катодом должны быть приняты специальные меры.
Одан из вариантов типовой конструкции электродного узла тиратронов с молибденовым катодом показан на рис. 26.13. В нем, как и в других электровакуумных приборах в сверхминиатюрном оформлении, крепление электродов осуществляется с помощью слюдяйых изоляторов И и никелевых пистонов П. Электроды через пистоны жестко крепятся к наружным изолирующим дискам И2 и свободно (не касаясь) проходят сквозь отверстия во внутренних изолирующих дисках И：. Наружные и внутренние диски соединены между собой попарно, причем зазор между ними составляет 0,1-0,3 мм. Налет молибдена образуется только на внутренних дисках, а нижний диск с пистонами полностью экранирован от попадания распыленного молибдена. В качестве газового наполнения в приборах с молибденовым катодом используется либо упомянутая выше пеннинговская смесь Ne + Аг, либо другие смеси инертных газов. Тиратроны с молибденовым катодом могут иметь как токовое, так и электростатическое управление возникновением разряда.
Схема включения одного из таких приборов с электростатическим управлением — двухсеточного тиратрона типа ТХЗБ была приведена на рис. 26.10. Анодно-сеточные пусковые характеристики возникновения основного разряда, представляющие собой зависимость анодного напряжения возникновения разряда в от сеточного напряжения Uc2 в статическом и импульсном режимах показаны на рис. 26.14. Кривая 1 относится к статическому режиму, кривая 2 — к длительности
управляющих импульсов 10 мкс, кривая 3 — к длительности импульсов 1 мкс.
Как видно из рис. 26.14, отпирающее сеточное напряжение уменьшается с увеличением длительности входного сигнала, пока последняя не превысит приблизительно 10 мкс (времени нарастания анодного тока), и затем приближается к статическому значению.
Особенностью статической характеристики является то, что при низких сеточных напряжениях анодное напряжение возникновения основного разряда с уменьшением сеточного напряжения также уменьшается (загиб характеристики при низких Uc2). Причиной этого является возникновение паразитного разряда между сеткой С2 и расположенным рядом с ней основным анодом. Вследствие этого участок анодно-сеточной характеристики левее штриховой вертикальной прямой считается нерабочим.
Рассмотрим рабочую честь пусковой характеристики. Падение напряжения в подготовительном разряде между Ct и К составляет около 80 В. По мере роста напряжения на сетке G ее потенциал оказывается по отношению к & все менее тормозящим. Начиная с Uc2 =60 В это приводит к росту числа электронов, проникающих в область С2 — анод из области плазменного катода, расположенного около &. В результате напряжение возникновения основного разряда 4, в снижается.
Смещение импульсных характеристик по отношению к статической вправо по мере уменьшения длительности управляющего импульса, как и для тиратронов с токовым управлением, объясняется необходимостью накопления определенного объемного заряда для искажения электрического поля анода.
Рассмотренные простейшие типы тиратронов тлеющего разряда в ос- 314
К Су Cn А
-Е о1 : IC=l0 + E
Рис. 26.15. Варианты расположения сеток в индикаторных тиратронах：
а - управляющая сетка в плазменной области; 6 - управляющая сетка в бес- плазменной области
новном применяются для преобразования электрических сигналов малой мощности и для работы в качестве ионных реле. Помимо них выпускают более сложные многосеточные типы, позволяющие выполнять логические операции умножения или сложения. Однако в целом в связи с быстрым развитием полупроводниковой электроники область применения логических и релейных тиратронов тлеющего разряда все более сужается. В то же время непрерывно возрастает использование тиратронов в качестве индикаторов, ценным является их уникальное свойство преобразования маломощных электрических сигналов в излучение.
Используемый в индикаторных тиратронах электростатический способ управления имеет ряд преимуществ по сравнению с токовым:
подготовительный разряд резко уменьшает статистическое время запаздывания возникновения основного разряда;
управление прохождением электронов из плазменного катода к аноду может осуществляться с помощью не одной, а нескольких сеток, благодаря чему расширяются функциональные возможности прибора. Однако к индикаторным тиратронам предъявляется еще одно требование —низкое управляющее напряжение.
Использовать обычную схему включения тиратрона с электростатическим управлением (см. рис. 26.10) для низковольтной индикации невозможно по двум причинам:
из-за наличия конденсатора управление осуществляется только импульсными сигналами, наложенными на постоянное напряжение смещения, в то время как цифровые схемы, являющиеся источниками отображаемой ин4юрмации, формируют не импульсы, а низковольтные уровни напряжений;
чтобы преодолеть нестабильность потенциала плазменного катода, обусловленную непостоянством напряжения поддержания разряда между сеткой С\ и катодом, приходится использовать сигналы большой амплитуды. Практически минимальная амплитуда импульсов для управле-
Рис. 26.16. Пусковая характеристика бес плазменной областиРис. 26.16. Пусковая характеристика бес плазменной областипри расположении управляющих сеток впри расположении управляющих сеток в
Рис. 26.16. Пусковая характеристика бес плазменной области
Рис. 26.16. Пусковая характеристика бес плазменной области
при расположении управляющих сеток в
при расположении управляющих сеток в
Рис. 26.17. Пусковая характеристика
плазменной области
ния обычным тиратроном с электростатическим управлением составляет несколько десятков вольт, что существенно превышает сигналы большинства типов цифровых интегральных микросхем.
Для того чтобы преодолеть эти трудности, достаточно привязать потенциал плазменного катода к общей точке схемы. С этой целью сетку подготовительного разряда Сп (в схеме рис. 26.10 она обозначалась 2) заземляют, а управляющую сетку % (в схеме рис. 26.10 она обозначалась С2) помещают либо ближе к аноду (рис. 26.15, б), либо ближе к катоду (рис. 26.15, а). Первый вартант будем называть расположением сетки в бесплазменной области, второй — расположением сетки в плазменной области.
Поскольку потенциал плазменного катода близок к потенциалу сетки подготовительного разряда Сп, а последняя соединена с общей точкой схемы, он оказывается фиксированным по отношению к управляющей сетке. Кроме того, исчезает необходимость в подаче на управляющую сетку напряжения смещения.
Независимо от того, где располагается управляющая сетка, включение тиратрона происходит при росте плотности тока электронов, попадающих в область ускоряющего поля анода. Отрицательная управляющая сетка, расположенная в бесплазменной области, тормозит электроны. Однако поскольку электроны в плазме обладают значительными энергиями, то при не очень больших отрицательных потенциалах на сетке значительное число электронов проникает в поле анода, в результате чего возникает основной разряд.
Соответствующая статическая сеточная характеристика тиратрона типа ТХ17А, расположенная в первом квадранте, показана на рис. 26.16.
Находящаяся в плазменной области положительная управляющая сетка влияет на потенциал плазменного катода из-за перехвата тока подготовительного разряда на сетку Сп. При небольшом уменьшении потенциала управляющей сетки происходит заметное перераспределение тока между нею и сеткой подготовительного разряда. При снижении потенциала Су в результате возрастания тока на сетку Сп число электронов, попадающих в область ускоряющего анодного поля, растет до тех пор, пока не возникнет основной разряд. Соответствующие сеточные пусковые характеристики тиратрона ТХ19А располагаются в первом квадранте (рис. 26.17) . Импульсные характеристики сдвинуты по отношению к статическим так же, как в ранее обсуждавшихся типах тиратронов.
К основным характеристикам индикаторных тиратронов относятся также характеристики восстановления электрической прочности. Зависимость времени восстановления электрической прочности % от напряжения Цц на аноде 4 для тиратрона типа ТХ19А приведена на рис. 26.18.
Электродная структура тиратрона типа ТХ19А, предназначенного для индикации состояний ТТЛ интегральных микросхем, изображена на рис. 26.19. В нем имеются два анода: %i - несущий функции анода памяти и Л2 — функции анода возбуждения свечения. Ток на анод памяти Л i ограничен высокоомным резистором, поэтому наблюдаемое оператором свечение видно только при возникновении разряда на Л2.
В тиратроне также имеются две управляющие сетки (& и &), расположенные в плазменной области разряда, возбуждаемого между подкатодом ПК (он выполняет те же функции, что и катод на рис. 26.15, а) и катодом К (он выполняет те же функции, что и сетка подготовительного разряда Сп на рис. 26.15, а). Управление возникновением основ-
Рис. 26.20. Диаграммы напряжений и токов для режимов:
а - с запоминанием информации; 6 - без запоминания информации
ного разряда осуществляется перераспределением тока между &, G и К. Потенциал плазменного катода определяется наиболее положительным из этих электродов, а в случае равенства их потенциалов — электродом, ближайшим к аноду. Когда хотя бы одна из сеток &, С2 имеет положительный по отношению к катоду потенциал, в области между ними и катодом К возникает электрическое поле, препятствующее прохождению электронов из плазменного катода к анодам. Только когда потенциалы обеих управляющих сеток уменьшаются до некоторого минимального значения, значительное число электронов проходит к анодам и возникает основной разряд.
Тиратроны марки ТХ19А разделяются на три подгруппы: ТХ19АК, ТХ19АЗ, ТХ19АЖ, имеющие соответственно красный, зеленый и желтый цвета свечения. Для получения различных цветов свечения используется преобразование ультрафиолетового излучения разряда в видимое с помощью люминофора, нанесенного на конический экран ЛЭ.
Индикаторные тиратроны могут работать в режимах с запоминанием информации, т.е. с сохранением свечения после окончания действия управляющего сигнала, и без запоминания информации, т.е. с прекращением свечения после окончания действия управляющего сигнала. Режим определяется формами напряжении, подаваемых на аноды.
Режим с запоминанием информации (рис. 26.20 а), реализуется, когда хотя бы на один из анодов (например, на 人，рис. 26.19) подается постоянное напряжение. При этом разряд на анод свечения обычно поддерживается пульсирующим напряжением, получаемым от двухполу- периодного выпрямителя с несглаженным выходом.
Если питать оба анода двухполупериодным несглаженным выпрям-
ленным напряжением, то после подачи отпирающих сигналов на управляющий сетки возникает разряд, который пульсирует с двойной сетевой частотой (рис. 26.20, б). После снятия сеточного сигнала основной разряд в тиратроне прекращается, как только напряжение на анодах спадает до значения ниже напряжения прекращения разряда.
Контрольные вопросы и задания
Какие стабилитроны рассчитаны на больший ток: регулирующие или опорные?
К какому стабилитрону предъявляются более жесткие требования по стабильности напряжения поддержания — к опорному или к регулирующему?
Какой катодный материал дает наиболее стабильное напряжение поддержания разряда?
Какие газы применяются для наполнения ста&шитронов?
Каковы основные способы стабилизации времени запаздывания?
Чем отличаются электростатическое и токовое управления?
Каковы основные особенности индикаторных тиратронов?
Нарисуйте и объясните пусковую сеточную характеристику индикаторного тиратрона типа ТХ19А.
Глава двадцать седьмая
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
ОБЩИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
До последнего времени наиболее универсальным видом электронного индикатора оставалась ЭЛТ. Однако такие недостатки ЭЛТ, как большие габаритные размеры в направлении, перпендикулярно м поверхности индикации, высокие рабочие напряжения, наличие накаленного катода и некоторые другие, стимулировали развитие синтезирующих электронных индикаторов. Эти приборы содержат множество отдельных фиксированных в пространстве элементов отображения, из которых формируется (синтезируется) изображение.
Среди различных типов синтезирующих электронных индикаторов (полупроводниковых, электролюминесцентных, вакуумных люминесцентных, жидкокристаллических) важное место принадлежит газоразрядным индикаторам.
Отличительными особенностями газоразрядных индикаторов являются плоскостность конструкции, сравнительно низкие рабочие напряжения (около 100—200 В), возможность создания индикаторных полей больших размеров, использование свойств газового разряда для выполнения рада функций, обычно решаемых внешней электронной схемой.
319
Газоразрядное индикаторы по назначению и конструкции можно разделить на следующие группы: сигнальные (неоновые лампы); знаковые; шкальные; матричные.
В свою очередь, матричные индикаторы делятся на индикаторы: постоянного тока с внешней разверткой; постоянного тока с самоскани-、 рованием, переменного тока.
СИГНАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Сигнальные индикаторы используют для визуальной индикации приложенного напряжения или внешнего электрического поля. С этой целью их подключают к внешнему источнику по схеме, изображенной на рис. 24.2. Наиболее распространенным типом сигнального индикатора является неоновая лампа. Она представляет собой стеклянный баллон, наполненный неоном или его смесью с другими инертными газами, в который впаяны два металлических электрода.
Важнейшим параметром неоновых ламп, определяющих режим их работы в схеме рис. 24.2, являются напряжения возникновения и поддержания разряда. Они могут быть рассчитань! исхода из соображений, изложенных в § 25.5.
Для индикации сетевых напряжений 127 В необходимы лампы с низкими напряжениями возникновения разряда. Используя данные табл. 25.4 по у и 7? в смеси 99,5% Ne + 0,5% Аг и формулы (25.45) и (25.46), получаем
4=16,6+ 1,4/0,029=65 В;
^==16,6+ 1,4/0,037=54 6,
т. е. достаточно низкие значения напряжении. Еще меньшие значения “ и % имеют неоновые лампы с катодами, активированными цезием, однако их недостатком является малая стабильность (см. § 26.3).
Катода неоновых ламп имеют форму дисков, штырей, чаш и т. п. Если лампа работает на постоянном токе, от анода требуется, чтобы он заметно не препятствовал выходу светового излучения, т. е. не имел большой сплошной поверхности. При работе на переменном токе это требование распространяется на оба электрода, так как они поочередно выполняют функции катода и анода. Например, в лампе ТНИ-1,5, предназначенной для работы как на переменном, так и на постоянном токе, один электрод выполнен в форме небольшого диска, а другой 一 в форме прямоугольной рамки.
Газовое наполнение неоновых ламп должно обеспечить высокую яркость излучения (сотни кандел на квадратный метр). Наиболее подходящими с этой точки зрения газами являются неон или неоно-арго- новые смеси; большинство других инертных газов или смесей дает на порядок меньшие значения яркости. Все смеси на основе неона имеют оранжево-красное свечение.
320
Для получения других цветов свечения применяются люминесцентные сигнальные лампы. В них в качестве основы газового наполнения используются гелий, аргон, криптон или ксенон, создающие слабое видимое, но интенсивное ультрафиолетовое излучение. Его преобразование в видимое осуществляется слоем люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы лампы. Используются различные люминофоры: виллемит создает зеленый цвет свечения, галлофосфат кальция — голубой цвет и т.д.
Помимо чисто сигнальнь!Х целей лампы с люминесцентными покрытиями применяются для создания мнемосхем (условных моделей производственных систем или процессов, выполненных в виде Комплекса знаков, отображающих элементы системы или процесса с их взаимными связями).
ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Этот тип приборов тлеющего разряда специально предназначен для отображения знаков (цифр, букв, математических символов и др.). По способу формирования символа знаковые индикаторы делятся на знакомоделирующие и знакосинтезирующие. В знакомоделирующих индикаторах любой неделимый светящийся элемент конструкции (элемент отображения) имеет форму одного из отображаемых знаков.
Электродная структура цифрового знакомоделирующего индикатора, изображенная на рис. 27.1, содержит пакет из 10 катодов К, каждый из которых имеет форму цифры. Пакет катодов со всех сторон окружен чашеобразным анодом А с прозрач-耳 °
ной сетчатой крышкой, отверстия в которой обеспечивают вывод излучения.
Давление газа в приборе выбрано около нескольких тысяч паскалей, при этом основная светящаяся область тлеющего разряда (отрицательное свечение) образует вокруг катода светящийся чехол — тонкую (толщиной в десятые доли миллиметра) область, плотно окружающую катод. Благодаря этому форма свечения с достаточной точностью повторяет контур катода, т.е. воспроизводит отображаемую цифру.
Рис. 27.1. Электродная структура цифрового знакомоделирующего индикатора
11-6353321
Рис. 27.2. Электродная структура семисегментного многознакоместного цифрового индикатора
Достоинством знакомоделирующих индикаторов является привычность начертания символов, а существенными недостатками — экранирование свечения задних символов передними и большая толщина катодного пакета. То обстоятельство, что катоды расположены не в одной плоскости, затрудняет наблюдение и ограничивает число используемых катодов.
Указанных недостатков лишены знакосинтезирующие индикаторы, в которых изображение создается из совокупности дискретных элементов отображения, лежащих в одной плоскости. Как правило, знакосинтезирующие индикаторы в одном баллоне содержат несколько знакомест. Это удобно, поскольку в цифровых измерительных приборах, калькуляторах, микро- и мини-ЭВМ оператору представляется информация о 4—16-разрядных числах.
Если выводить из корпуса кавдый электрод многознакоместного цифрового индикатора, то общее число выводов окажется весьма большим. Действительно, индикатор на 9 знакомест при 7сегментной конфигурации (рис. 27.2) имел бы 7 X 9 катодных плюс 9 анодных выводов, т, е. всего 72 вывода. Прибор с таким числом выводов затруднительно изготовить даже при использовании наиболее современной технологии. Для уменьшения числа выводов одинаково расположенные на различных знакоместах (одноименные) сегменты соединяются между собой и выводятся из баллона только одним выводом. Тогда для рассматриваемого примера общее число знакомест составит 7 катодных плюс 9 анодных, т. е. 16 выводов.
Изображенный на рис. 27.2 прибор содержит стеклянную или керамическую подложку П, на которую наносятся никелевые катодные электроды К (сегменты), контактные площадки КП и разводка электродов. Металлические слои покрываются слоем диэлектрика, закрываю- 322
щим все участки металлизации, кроме рабочих частей катодов. Сверху подложка накрывается стеклянной рамкой СР и стеклянной лицевой пластиной ЛП с нанесенным на ее внутреннюю поверхность рисунком прозрачных анодов А, изготовленных, например, из двуокиси олова. Соединение деталей между собой и герметизация объема прибора осуществляется стеклоцементом.
Знаковый индикатор должен работать в режиме слабо аномального тлеющего разряда, т. е. при токах, слабо превышающих ток покрытия катода свечением. Поэтому для нормальной работы знаковых индака- торов должно выполняться условие, вытекающее из (25.42):
/к =左4 = ^К.н^к =左‘К'НОР^К,(27.1)
где /к — катодный ток; /п - ток полного покрытия катода свечением; 」к,н — плотность тока нормального тлеющего разряда; S* — площадь катода (в виде знака или сегмента);左-коэффициент, больший единицы.
Кроме того, должно выполняться условие возникновения разряда
或 > 4,(27.2)
где Е& — напряжение питания анода.
Исходя из приведенных условий, можно сформулировать определенные требования к газовому наполнению и конструкции прибора. Чтобы уменьшить питающее напряжение £а> все промежутки анод-катод должны иметь минимально и приблизительно одинаковое напряжение возникновения разряда. В конструкции, изображенной на рис. 27.1, расстояние между анодом и различными катодами меняется в широких пределах. Поэтому здесь в качестве газового наполнения целесообразно использовать смесь неона с аргоном, в которой напряжение возникновения разряда слабо зависит от расстояния между электродами (см. рис. 25.8). Другим достоинством этой смеси являются малые значения 」к,но，что позволяет выполнить условие (27.1) при сравнительно больших давлениях, когда катодное распыление происходит с малой скоростью.
При включении промежутка анод-катод индикатора по схеме рис. 24.2 неизбежно возникает разброс катодных токов, обусловленный неидентичностью ВАХ, разбросом номиналов резисторов Ra и напряжений источника питания £а. Определить катодный ток индикатора по его ВАХ можно, использовав формулу (24.1) и выполнив следующее графическое построение (рис. 27.3). Построить ВАХ в координатах (/=/(/), отложить по оси ординат значение Еа, провести из этой точки нагрузочную прямую с углом 7н = ctgR& по отношению к оси абсцисс, направленную вниз. Легко видеть, что ордината точки пересечения этой прямой с ВАХ дает падение напряжения на промежутке, а абсцисса — катодный ток.
Рис. 27.3. К определению рабочих точек катодов цифровых индикаторов 瞑 =
Используя этот метод построения, покажем теперь, что катодные токи разных катодов имеют значительный разброс.
Приведенные на рис. 27.3 ВАХ 1-3 относятся к различным катодам, а точки 4 瓦 5 на них соответствуют переходу от нормального к аномальному тлеющему разряду. Допустим теперь, что нагрузочные прямые также имеют разброс, обусловленный непостоянством Еа и Ra・ Очевидно, нагрузочная прямая 4, соответствующая режиму EaW/w, Ramax > должна пересекаться с ВАХ в точке Л; при этом будет обеспечен режим полного покрытия свечением всех катодов. Естественно, что построенная для EamaXt R^min прямая 5 пересекается с ВАХ в точках 1, 2, 3, соответствующих большему току, чем в точке А. При этом более высокое катодное падение напряжения приводит к большей скорости распыления катодов и к уменьшению срока службы индикатора вследствие запыления лицевого стекла баллона и возникновения проводящих мостиков или разрывов электродов.
Для уменьшения скорости катодного распыления используют материал с малым коэффициентом распыления — титан, который, одйа- ко, не обладает стабильными эмиссионными свойствами, или же нихром, который при высокой эрозионной стойкости сохраняет стабильные эмиссионные свойства в условиях тлеющего разряда. Для уменьшения катодного распыления следует увеличивать давление газа, однако возможности этого пути ограничены необходимостью выполнения условия (27.1).
Другим эффективным способом уменьшения катодного распыления является введение в прибор небольшой добавки ртути. Предполагается, что пары ртути создают на поверхности катода защитную пленку, находящуюся в равновесии с паровой фазой. Однако добавка ртути эффективно действует только при температурах, обеспечивающих достаточную упругость ртутного пара.
В реальных схемах включения для коммутации катодов используются транзисторы VTO- VT9 с п-р-п типом проводимости, из которых один включен, а остальные выключены (рис. 27.4). В результате один из катодов (индуцируемый) оказывается под нулевым потенциалом, 324
Рис. 27.4. Схема коммутации катодов цифрового индикатора знакомоделирующего типаРис. 27.4. Схема коммутации катодов цифрового индикатора знакомоделирующего типа
Рис. 27.4. Схема коммутации катодов цифрового индикатора знакомоделирующего типа
Рис. 27.4. Схема коммутации катодов цифрового индикатора знакомоделирующего типа
остальные (неиндицируемые) - под напряжением Есм. С известным приближение^ можно рассматривать неиндицируемые катоды, на которые подается положительное смещение, как зонды, принимающие из плазмы ионный ток (плазма в индикаторе находится под потенциалом анода).
Типичная ВАХ неиндицируемого катода показана на рис. 27.5. Когда напряжение поддержания аномального разряда &,& заметно выше нормального разряд может происходить и на неиндицируемый катод. Поэтому в области / , где UKja - UCM >(4,н за счет малого Ucm,b индикаторе возникает ненормальный режим токораспределения между катодами и подсветки неиндицируемого катода.
В области II напряжение между анодом и неиндицируемым катодом меньше, чем напряжение поддержания разряда (4,а - 4,н < 〃м)・ В этом рабочем режиме ток на неиндицируемом катоде мал. В области III потенциал неиндицируемого катода UCM выше потенциала анода UKf3 и тем самым выше потенциала плазмы. На этот катод проходит электронный ток из плазмы и даже может возникнуть самостоятельный разряд, при котором неиндицируемый катод выполняет функции анода. Поскольку между катодами нет токоограничивающего резистора, данный режим может стать катастрофическим. Нормальная работа индикатора обеспечивается в области UCM = 40 ♦ 100 В.
В технических условиях на знаковые индикаторы указывают напряжение возникновения разряда % и допустимые минимальный IKmin (обеспечивающий полное покрытие катода свечением) и максимальный 1ктах (гарантирующий срок службы) катодные токи. Однако диапазон токов IKmin^ ^ктах иногда настолько узок, что затрудняется эксплуатация приборов. Поэтому часто используют импульсные режимы, в которых ток 1ктах увеличивается по сравнению с указанным для постоянных напряжений. Понижение долговечности из-за большого импульсного тока компенсируется уменьшением фактического времени протекания тока через прибор. Импульсные режимы также используются для возбуждения индикаторов с объединенными в группы катодами.
При подаче на газоразрядный промежуток импульсного напряжения возникновение разряда происходит с запаздыванием (время стати- 325
Рис. 27.5. Вольт-амперная характеристика неин-дицируемого катода цифрового индикатора
стического запаздывания тзап). Статистиче- —ское время запаздывания первого включе- 力 ° ния индикатора при низкой освещенности
окружающей среды может достигать йе-' скольких секунд. Затем в приборе появля
ются заряды, которые не успевают исчезнуть в паузе между импульсами тока, что приводит к уменьшению статистического запаздывания до значения, меньшего длительности возбуждающих импульсов. Другой особенностью импульсных режимов является то, что ток покрытия /п в них при длительностях импульсов менее 100 мкс может в десятки раз превышать статический.
^С, НМП = /с,ср"^С, НМП = /с,ср"'н — 'п - Тзап'н — 'п - Тзап(27.3)(27.3)Для расчета импульсного тока сегмента /с,нмп многоразрядного индикатора может быть рекомендована формула
^С, НМП = /с,ср"
^С, НМП = /с,ср"
'н — 'п - Тзап
'н — 'п - Тзап
(27.3)
(27.3)
где /с>ср — рекомендованное значение среднего тока через сегмент в статическом режиме; 7V — число знакомест; Гн — длительность импульса; % — время паузы, большее времени деионизации; тзап - время запаздывания возникновения разряда.
Для t^ - tn> 80 мкс величиной тзап можно пренебречь. Тогда при /с,ср =4 • IO-5 A,N= 11, Ги = 1СГ3 с получим /с,нмп = И • 4 • 1(Г5 = =4,4 • Ю"4 = 0,44 мА.
ШКАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
В современной электронной аппаратуре информация представляется не только в виде цифр или букв, но и в виде различного рода шкал. В этом случае наблюдатель видит какой-либо указатель (стрелку, световой зайчик, границу между черной и белой частями ленты), перемещающийся относительно начала шкалы вслед за изменением измеряемого параметра.
Газоразрядные шкальные индикаторы могут быть двух видов: аналоговые индикаторы, использующие пропорциональность значения тока нормального тлеющего разряда площади катода, покрытой свечением, и дискретные индикаторы, основанные на переносе разряда по дискретным электродам.
Конструкция линейного аналогового индикатора показана на рис. 27.6. Электродная структура прибора содержит проволочный катод К, фиксатор @, изолятор И, цилиндрический анод Л с прорезью для наблюдения свечения.
326
Рис. 27.6. Конструкция линейного шкального аналогового индикатора в разрезеРис. 27.6. Конструкция линейного шкального аналогового индикатора в разрезеРис. 27.7. Рабочая характеристика линейного аналогового шкального индикатора
Рис. 27.6. Конструкция линейного шкального аналогового индикатора в разрезе
Рис. 27.6. Конструкция линейного шкального аналогового индикатора в разрезе
В момент включения в схеме типа рис. 24.2 и при условии, что ток через прибор нарастает постепенно, разряд возбуждается на участке катода, примыкающем к фиксатору, и только затем распространяется на остальную часть катода.
Для точного считывания показаний необходимо, чтобы один из концов светящегося столба был фиксирован по отношению к определенной точке (обычно краю) катода. Для этого рядом с основным молибденовым катодом располагается вспомогательный фиксирующий катод — циркониевая пластина. Первоначально разряд возникает
на ней, поскольку коэффициент вторичной эмиссии циркония больше, чем у молибдена. Отсутствие разрывов свечения обеспечивается уменьшением скорости нарастания тока при включении прибора, для чего между
его анодом и катодом присоединяется конденсатор. Вместе с токо
ограничивающим резистором он образует интегрирующую цепочку.
Считывание показаний при использовании линейного аналогового индикатора производится по кривой зависимости длины светящегося столба от тока через прибор, называемой рабочей характеристикой. Реальная рабочая характеристика, изображенная на рис. 27.7, имеет нелинейные участки вначале из-за влияния фиксатора, а в конце из-за перехода от нормального к аномальному тлеющему разряду. Исходя из этого, можно записать уравнение рабочей характеристики в виде
L = Lmin + 左(/а — I^min) при /а V 厶加〃工“
(27.4)(27.4)Для проволочного катода к = //я/)к/к)и. Здесь 丄-длина свечения;
(27.4)
(27.4)
327
Рис. 27.8. Электродная структура @) и схема присоединений электродов к внешним выводам (б) двухимпульсного декатрона
DK - диаметр катода; I^min - ток перехода к линейной части рабочей характеристики.
Простейшим типом дискретного индикатора является двухимпуль- сный декатрон. Конструкция декатрона схематически изображена на рис. 27.8, а, а соединение электродов - на рис. 27.8, б. Электродная система состоит из 30 катодов, окружающих дисковый анод А. Катоды разделены на 10 групп, в каждой из которых имеется катод К, первый подкатод ШК и второй подкатод 2ПК. Электроды подкатодных групп, выполняющие одинаковые функции, соединяются внутри баллона перемычками и имеют общий вывод из баллона. Кроме того, в декатроне соединены между собой девять катодов, остающийся нулевой катод Ко имеет отдельный вывод из баллона.
Катоды фиксируются друг относительно друга с помощью изолятора И с отверстиями. Размер верхних частей отверстий больше, чем диаметр проволочных электродов, что предотвращает возникновение проводящих мостиков между электродами в результате распыления материала катода. Газовое наполнение приборов — неон или неоноводородная смесь под давлением в несколько тысяч паскалей. Водород добавляется для улучшения частотных свойств.
Принципиальная схема включения двухимпульсного декатрона изображена на рис. 27.9, а, а диаграммы управляющих напряжений на электродах - на рис. 27.9, б. При включении напряжения питания Е& возникает тлеющий разряд на один из катодов, возникновению разряда на подкатоды препятствует подача на них положительного напряжения смещения. Поскольку сопротивление R@ ограничивает ток на уровне нормального тлеющего разряда, напряжение на аноде становится недостаточным для возбуждения разряда на какой-либо другой катод. Ра- 328
ииРис. 27.9. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на электродах (б) двухимпульсного декатронаРис. 27.9. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на электродах (б) двухимпульсного декатрона
и
и
Рис. 27.9. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на электродах (б) двухимпульсного декатрона
Рис. 27.9. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на электродах (б) двухимпульсного декатрона
бота прибора основана на том, что разряд всегда происходит на наиболее отрицательный катод, а напряжение возникновения разряда снижается тем сильнее, чем ближе данный катод к области разряда.
Перед началом работы разряд ^^cбpacывaeтcя^^ на нулевой катод Ко подачей отрицательного импульса. Для переноса разряда на соседний катод на подкатоды подаются два сдвинутых во времени импульса. В результате действия первого из них U*jjk напряжение между анодом и первыми подкатодами становится выше напряжения возникновения разряда. При этом разряд возбуждается на первый подкагод, соседний с разрядом на нулевой катод.
В результате возникновения разряда на первый подкатод напряжение между анодом и катодами падает и разряд на нулевой катод прекращается.
Второй управляющий импульс %〃к приводит к переносу разряда на ближайший второй подкатод и к гашению разряда на первый под- кагод. После окончания действия импульса Щпк разряд переходит на следующий катод.
Таким образом, в результате приложения к ШК и 2ПК сдвинутых во времени импульсов разряд переносится с К。на К】.Вторая, третья и последующие пары импульсов аналогичным образом обеспечивают поочередный перенос разряда на следующие катоды К】К9, а десятая пара этих импульсов возвращает разряд на К。. Количество поступающих пар импульсов определяется по положению катодного свече- ■ния относительно нулевого катода с помощью простой кольцевой
шкалы.
Рис. 27.10. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на электродах (б) линейного шкального дискретного индикатора
Рассмотренная конструкция декатрона (кольцевого шкального индикатора) отличается сравнительно большой погрешностью измерений, связанной с малым числом позиций. Для повышения точности целесообразно управлять прибором от многоустойчивой схемы, при этом разряд может стабильно проходить на любой из электродов независимо от того, является ли он катодом или подкатодом.
Другим недостатком декатронов является круглая форма, в результате чего прибор занимает на лицевой панели много места и, кроме того, неудобен для одновременного считывания показаний с большого числа индикаторов.
Этих недостатков лишен линейный шкальный дискретный индикатор, принципиальная схема включения которого показана на рис. 27・10〃， а соответствующие диаграммы управляющих напряжений на электродах -на рис. 27.10, 6. Управляющие напряжения 以■】，Ur?、1!кз,虚с формируются блоком управления БУ с тремя устойчивыми состояниями переключения и одним начальным состоянием. После подачи на БУ 330
импульса сброса Сбр. он устанавливается в нулевое состояние. При этом на катод сброса прибора КС поступает нулевой потенциал, а на остальные катоды — положительное напряжение смещения. На вход БУ поступают счетные импульсы С, число которых пропорционально измеряемой величине. Каждый из таких импульсов переводит БУ в следующее состояние в соответствии с диаграммой рис. 27.10, б. В результате этого низкий уровень напряжения появляется после импульса сброса сначала на первом, затем на втором, третьем, снова первом и т. д. выходах.
При поступлении первого счетного импульса разряд переходит на катод К1, ближе всего расположенный к катоду сброса КС、второго счетного импульса 一 на катод К2, ближе всего расположенный к К1, при поступлении третьего счетного импульса - на катод КЗ, ближе всего расположенный к К2, и т. д., затем опять на KL Перенос разряда происходит до тех пор, пока последовательность счетных импульсов не прекратится. Таким орразом, при поступлении Ng импульсов разряд остановится на катоде NC4. Положение разряда по отношению к нулевому катоду может быть отсчитано по внешней или внутренней линейной шкале. Для выполнения новой серии измерений разряд повторно сбрасывается на нулевой катод, после чего на БУ подается новая пачка счетных импульсов.
Описанный принцип перемещения разряда под действием сдвинутых импульсов получил название самосканирования. Он нашел дальнейшее развитие при создании матричных газоразрядных индикаторов с само- сканированием, описанных в § 27.5.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ МАТРИЧНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Благодаря способности отображать большой объем информации широкое распространение получили матричные газоразрядные индикаторы. Под матричными понимаются индикаторы, элементы отображения которых сконцентрированы по строкам и столбцам. По принципу действия их можно разделить на индикаторы: тиратронные; постоянного тока с внешней адресацией; постоянного тока с самосканированием; переменного тока.
Индикаторы тиратронные матричные представляют собой групповые приборы, состоящие из множества тиратронных индакаторных ячеек, подобных описанным в § 26.3 индикаторным тиратронам. Наличие двух или большего числа сеток в каждой ячейке позволяет организовать управление прибором по матричной системе. В качестве примера показаны схема подсоединения к электродам (рис. 27.11, а) и вид на лицевую часть баллона (рис. 27.11, б) тиратронного индикатора матричного типа ИТМ1. Прибор содержит 4X4 = 16 индикаторных ячеек, в каждой из которых находится электродная структура индикаторного тиратрона и токоограничивающии резистор цепи подкатода. Резисторы выполнены методами тонкопленочной технологии и вместе с электродными
Рис. 27.11. Схема подсоединения к электродам (а) и вид на лицевую часть баллона (б) тиратронного матричного индикатора
структурами тиратронов заключены в герметичный баллон. Первые сетки тиратронов, расположенные в общих столбцах, и вторые сетки тиратронов, расположенные в общих строках, объединяются. Таким образом, общее число электродов прибора равно 12 (8 сеток + 1 подкатод + 1 катод + 2 анода), что значительно меньше суммы числа выводов эквивалентных 16 отдельных тиратронов, равной 96 [16(2 сетки + + 1 подкатод + 1 катод + 2 анода)].
Для включения какой-либо тиратронной 5гчейки достаточно подать на ее первую и вторую сетки низкие уровни напряжений. Механизм включения и выключения тиратрона здесь аналогичен описанному в § 26.3 применительно к тиратрону типа ТХ19А. Рассмотрим в качестве примера включение ячейки Л1( В ячейке Л1, как и в любой другой ячейке тиратронного матричного индикатора, существует подготовительный разряд между общим катодом К и подкатодом НК、. В область плазменного. катода этого разряда погружены сетки С1Л и С2— Пока на эти сетки подается положительный по отношению к катоду потенциал, они перехватывают значительную часть тока на катод и в пространство катод — аноды почти не проникают электроны. Когда на сетки С71 и С?2 поступает отпирающий потенциал, близкий к катодному, электроны из плазменного катода проникают в область между катодом и анодами и там возникает разряд.
Следует отметить, что на сетку С2Х ячеек Л2, Л3, Л4 и на сетку С7】 ячеек Л5, Я^, Я13 также поступает отпирающий потенциал, но поскольку на других сетках этих ячеек сохраняется положительный потенциал, они не включаются. Таким образом, описанная двухкоорданатная система адресации обеспечивает выборку одной ячейки индикаторного поля при условии, что включение этой ячейки происходит при совпадении двух отпирающих сигналов.
Основным достоинством тиратронных матричных индикаторов 332
Рис. 27.12. Конструкция матричного индикатора постоянного тока с внешней адресациейРис. 27.12. Конструкция матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией
Рис. 27.12. Конструкция матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией
Рис. 27.12. Конструкция матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией
является простота управления по двум сеткам низкими, около 10 В, напряжениями, недостатками — малая информационная емкость индикаторного поля, большое число выводов по отношению к числу элементов отображения (12/16) и сложность конструкции. Более высокую информационную емкость обеспечивают матричные индикаторы постоянного тока с внешней адресацией.
Схематически конструкция матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией изображена на рис. 27.12, а, поперечное сечение - на рис. 27.12, 6. Прибор содержит две стеклянные пластины 7, на внутренние поверхности которых нанесены сметемьт взаимно перпендикулярных катодов 2 и анодов 3. Между пластинами расположена изолирующая матрица 4 с отверстиями 5, совмещеиными с местами пересечения проекции одних электродов на другие. Благодаря этому внутреннее пространство прибора оказывается разделенным на множество электрически и оптически изолированных ячеек, число которых равно произведению числа катодов на число анодов. В ряде приборов с внешней адресацией изоляция ячеек друг от друга осуществляется с помощью диэлектрических выступов и выемок на стеклянных пластинах, расположенных между электродами, тем самым удается отказаться от технологически сложной изолирующей матрицы 4.
Газовое наполнение должно обеспечить минимальное значение напряжений возникновения разряда и их разброса по индикаторному полю при заданном минимальном значении яркости. Лучше всего это требование выполняется при применении пеннинговых смесей на основе неона с добавкой аргона. Как видно из рис. 25.8, правые ветви кривой Пашена в смеси Ne + 0,1% Аг весьма пологи, что обеспечивает слабую зависимость « от расстояния между электродами.
Простейшая схема включения матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией приведена на рис. 27.13, а, форма управляю- 333
Рис. 27.13. Схема включения (о) и диаграммы напряжений (б) матричного индикатора постоянного токаРис. 27.13. Схема включения (о) и диаграммы напряжений (б) матричного индикатора постоянного тока
Рис. 27.13. Схема включения (о) и диаграммы напряжений (б) матричного индикатора постоянного тока
Рис. 27.13. Схема включения (о) и диаграммы напряжений (б) матричного индикатора постоянного тока
щих сигналов на электродах - на рис. 27.13, б. Одновременное включение ячеек, электроды которых присоединены к одному резистору (по столбцу), невозможно, так как после возникновения в одной из ячеек столбца разряда напряжение на аноде, соединенном с резистором, падает до напряжения поддержания разряда Un, а последнее всегда значительно меньше напряжения возникновения разряда %. В то же время ячейки, находящиеся в одной строке, присоединены к разным резисторам и могут быть включены одновременно. Поэтому используют построчную адресацию, при которой в такте Л подается импульс сканирования на первую строку Uk、и на те столбцы, в которых находятся возбуждаемые ячейки (%4)・ В результате возбуждается свечение в ячейке на перекрестье К-^-А^. В такте 厶 подается импульс сканирования на вторую строку U. и на столбцы /3 м /4, в результате чего возбуждаются ячейки К2-А3 и К2T4・ Процесс сканирования продолжается до тех пор, пока не будут возбуждены все строки, после чего начинается следующий кадр с возбуждения строки К「
Изображение в матричном индикаторе синтезируется из свечения отдельных ячеек. Если частота повторения последовательных кадров больше так называемой критической частоты мельканий, то благодаря инерционности человеческого зрения изображение будет восприниматься как слитное. Такой режим называется режимом с регенерацией 334
изображения и для него можно записать:
т= HJNG(27.5)
где Т — время включения ячеек; /к — кадровая частота; 乂工「一 число строк, по которым производится развертка.
Формирование изображения обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу ячейка включается, а при несовпадении —не включается. Пусть управляющие напряжения формируются в виде постоянного напряжения смещения Есм> на которое накладывается импульс 4мп・ Тогда условия работоспособности ячейки можно записать в виде
Есм + 2&мп》Upmax；(27.6)
Есм + “1MII& Ugmin，(27.7)
Графическое решение неравенств (27.6) и (27.7) показано на рис. 27.14.
Покажем, что любая точка, находящаяся в заштрихованной части рисунка, имеет ординату % и абсциссу Есм, удовлетворяющие уравнениям (27.6) и (27.7). Действительно, если из выбранной в заштрихованной области точки О провести прямую, параллельную верхней границе заштрихованной области, она отсечет на оси ординат точку с ординатой 4Mli 十稣м, лежащую ниже точки U^in， Если же из этой точки провести прямую, параллельную нижней границе заштрихованной области, то она отсечет на оси ординат точку с ординатой 4Mli + + Есм/2, лежащую выше ординаты 4加。工/2・ Это и означает, что неравенства (27.6) и (27.7) выполняются.
Очевидно, что рабочая область напряжений будет тем больше, чем меньше разность U^max-U3min. Однако при этом значение UBmax не должно быть слишком большим, иначе, как следует из (27.6), придется использовать слишком большие напряжения возбуждения ячейки Есм + 211ИМП, Иными словами, разброс напряжений возникновения разряда должен быть малым при малых абсолютных значениях этих напряжений.
Из (27.5) вытекает, что при больших 7\^1₽, т. е. при большой информационной емкости индикатора, величина Г падает. В результате Т может оказаться сравнимым со статистическим временем запаздывания возникновения разряда тст, что вызовет нестабильность включения ячеек. Для уменьшения тст и его стабилизации в ячейках матричных индикаторов постоянного тока с внешней адресацией создается небольшая предварительная ионизация с помощью так называемого рамочного разряда - вспомогательного разряда, возбуждаемого по периферии индикаторного поля, где ячейки легко могут быть закрыты от наблюдателя.
Существенным недостатком матричных индикаторов постоянного тока с внешней адресацией при работе в режиме с регенерацией является падение яркости с ростом информационной емкости (числа строк развертки) .При строчной развертке кажущаяся, т. е. усредненная во времени, яркость 丄укаж определяется формулой
укаж = умгн/乂 тр, (27.8)
где ZVMrH — мгновенная яркость свечения. Из-за насыщения свечения люминофора при увеличении тока не удается увеличивать мгновенную яркость беспредельно. Поэтому, допустив, например, ZVMrH = 二 10 000 кд/м2 и задавшись £укаж = 100 кд/м2, получим максимальное число строк развертки, равное 100. Из-за этого основное применение матричные индикаторы постоянного тока с внешней адресацией нашли в качестве малых экранов индивидуального пользования или элементов, из которых наращиванием модулей получается большой экран.
Выше упоминалось, что для стабилизации возникновения разряда в матричных индикаторах постоянного тока с внешней адресацией используется рамочный разряд, создаваемый ячейками, расположенными по периферии индикаторного поля. Легко видеть, что при этом не обеспечивается равномерная подготовка ячеек, находящихся на различных расстояниях от края прибора.
В известной мере положение улучшается, когда вместо рамочного подготовительного разряда применяется сеточный подготовительный разряд, возбуждаемый, например, с шагом в 10 ячеек. Такой способ приемлем, когда на экране изображаются графики, но не буквенно- цифровая информация. В другом типе матричных индикаторов постоянного тока с самосканированием в качестве подготовительного применен разряд, перемещающийся по индикаторному полю одновременно с разверткой. Этот разряд сканирования не только уменьшает статистическое время запаздывания возникновения основного разряда, но и снижает абсолютное значение этого напряжения возникновения.
Конструкция электродной системы матричного индикатора с самосканированием изображена на рис. 27.15. Прибор содержит опорную стеклянную пластину 8 с выфрезерованными в ней канавками 7, в которых расположены аноды сканирования 6. Перпендикулярно им располагаются катоды сканирования 5, имеющие вид металлических полосок с отверстиями диаметром около 0,05 мм. К катодной группе электродов также относятся ориентированный параллельно катодам сканирования сплошной катод сброса 10 и парные электроды дежурного разряда 9, расположенные по другую сторону от катода сброса.
На катоды сканирования наложена диэлектрическая матрица 4 с ： отверстиями 3 и затем аноды индикации 2, выполненные в виде прово- 336
Рис. 27.14. Графическое построение, позволяющее определить область рабочих напряженийРис. 27.14. Графическое построение, позволяющее определить область рабочих напряженийРис. 27.15. Конструкция матричного индикатора с самоеканированием по слоям
Рис. 27.14. Графическое построение, позволяющее определить область рабочих напряжений
Рис. 27.14. Графическое построение, позволяющее определить область рабочих напряжений
лочных или пленочных электродов, ориентированных параллельно анодам сканирования. Отверстия в диэлектрической матрице совмещаются с проекцией электродов одной группы на взаимно перпендикулярные им электроды другой группы. Сверху структура закрыта прозрачным стеклом 1, Таким образом, внутри прибора образуется матричное поле из ряда строк (анодов сканирования или индикации) и столбцов (катодов сканирования). Катоды сканирования объединены в три или большее число групп подобно катодам декатронов и обеспечивают направленный перенос разряда.
Работу матричного индикатора с самосканированием иллюстрирует рис. 27.16, а, на котором изображено расположение электродов в одной строке и подсоединение их к источникам электропитания, и рис. 27.16,6, где показаны диаграммы управляющих напряжений на электродах. Для упрощения рассмотрения разделим структуру на две части: а) сканирующую, образованную анодом сканирования Лск и катодами сканирования КС, Ki, К2, КЗ, и б) индикаторную, образованную анодом индикации и катодами сканирования.
В сканирующей части происходит направленный перенос разряда по катодам сканирования KI, К2, КЗ по мере переключения напряжений Ukc，Uк*, 办2，办з・ Этот процесс последовательного продвижения по
Рис. 27.16. Схема включения (а) и диаграмма напряжения (б) матричного индикатора с самосканированием
катодам аналогичен описанному в § 27.4 для шкальных дискретных индикаторов. Цикл работы начинается со сброса разряда на катод сброса КС в результате подачи импульса сброса 以с・ Для уменьшения статистического разброса времени возникновения разряда на КС используется постоянно горящий разряд на дежурные электроды D. Затем разряд переносится по катодам сканирования, после достижения последнего катода сканирования строки вновь вырабатывается импульс сброса 〃с, разряд возвращается на КС и цикл сканирования повторяется.
Из-за малых размеров отверстий в катодах свечение сканирующего разряда практически не воспринимается оператором. Единственным назначением этого разряда является облегчение возникновения разряда в индикаторной ячейке, образованной данным катодом сканирования и противолежащим участком анода индикации, за счет проникновения туда активных частиц из сканирующей ячейки, связанной с индикаторной посредством отверстия в катоде сканирования. ,
Для создания изображения из светящихся индикаторных ячеек в
определенные моменты времени синхронно с разверткой по катодам на индикаторный анод подаются положительные импульсы напряжения 4м. Пробой газа происходит только в индикаторных ячейках, на которые подается импульс 4,“, одновременно с существованием в связанной с ними сканирующей ячейке разряда. После возникновения разряда в индикаторной ячейке напряжение на аноде индикации падает до уровня %, что делает невозможным возникновение разряда в других ячейках.
Из рис. 27.16, а видно, что индикаторная и сканирующая части связаны друг с другом только через отверстия в катодных электродах, а электрические цепи питания сканирующего и индикаторного разряда независимы, если только выходные сопротивления источников управляющих импульсов Ukc, Uk\, 办2，办з малы. Благодаря этому разряды в сканирующей и индикаторной частях независимы и могут существовать одновременно.
Отдельные строки прибора связаны между собой только посредством общих катодных электродов. Поэтому и разряды в каждой строке могут существовать независимо друг от друга, что позволяет параллельно вводить в них информацию.
Работа матричного индикатора с самосканированием имеет много общего с работой ЭЛТ с растровой разверткой: сканирование разряда аналогично развертке строки ЭЛТ, а возбуждение разряда на индикаторный анод — отпиранию луча ЭЛТ с помощью модулятора. Различие между приборами заключается только в том, что развертка ЭЛТ происходит последовательно строка за строкой, а в матричном индикаторе с самосканированием - параллельно во всех строках.
В заключение остановимся на механизме понижения напряжения возникновения разряда посредством сканирующего разряда. Из-за узких отверстий связи из сканирующих частей в индикаторные проникают только незаряженные частицы, а именно метастабильные атомы и фотоны. Для часто используемого газового наполнения - пеннинговой смеси Ne + 0,1% Аг — этими частицами являются метастабильные атомы Ne. Попадая в индикаторную часть разряда, они ионизируют там атомы в результате реакции Пеннинга №” + Аг -> Аг+ + Ne + е (см. гл. 25).
Поскольку время диффузии метастабильных атомов из сканирующего разряда в ячейку индикации сравнительно велико, снижение напряжения возникновения разряда в ней происходит с заметным запаздыванием по сравнению с моментом начала сканирующего разряда в связанной ячейке сканирования. Поэтому импульс на анод индикации следует подавать с задержкой приблизительно 10 мкс по отношению к моменту переноса разряда в соответствующую сканирующую ячейку.
Информационная емкость матричного индикатора с самосканированием ограничена теми же принципиальными факторами, что и матричного индикатора постоянного тока с внешней адресацией — как следует из (27.5) и (27.8) с увеличением числа столбцов 乂6 значения £укаж
и Т уменьшаются. Развертка в матричных индикаторах со сканированием производится по столбцам, так что в (27.5) и (27.8) вместо 乂тр подставляется 乂6・ Однако благодаря сканирующему подготовительному разряду 元т у первого типа индикатора оказывается значительно меньше, чем у второго, и условие Т> тст выполняется легче. Благодаря этому удается создать приборы с 乂6 弋 200, дальнейшее увеличение 乂6 приводит к недопустимому снижению Лукаж.
Обычно матричные индикаторы с самосканированием представляют собой вытянутые по горизонтали структуры с ограниченным числом строк и большим числом столбцов. Наиболее широко они применяются для воспроизведения буквенно-цифровой информации в виде одной текстовой строки. Число знакомест в такой текстовой строке доходит до 32 (222 X 7 элементов отображения).
Следует отметить, что использование разряда сканирования для адресации индикаторных ячеек позволяет заметно упростить схему управления по сравнению с индикатором с внешней адресацией. Для индикаторного поля 222 X 7 элементов число управляющих высоковольтных ключей в схеме управления матричного индикатора со сканированием равно 12 (5 ключей схемы сканирования и 7 ключей схемы возбуждения анодов индикации). В индикаторе с внешней адресацией число ключей равно 229 (222 ключа адресации и 7 ключей подачи информации).
Рассмотренные выше индикаторы постоянного тока с внешней адресацией и индикаторы с самосканированием работают в режиме с регенерацией изображения, когда информационная емкость индикаторного поля ограничена. В отличие от них матричные индикаторы переменного тока, к рассмотрению которых мы переходим, способны запоминать информацию непосредственно на индикаторном поле, так что исчезает необходимость повторно воспроизводить изображение с кадровой частотой. По существу новое изображение записывают только при необходимости обновления информации. Эта запись производится путем развертки по строкам и столбцам, как и в остальных типах матричных индикаторов, однако при этом кадровая частота может падать до единиц - долей герца. В принципе информационная емкость таких приборов ограничивается только конструктивными факторами.
Конструкция матричного индикатора переменного тока схематически изображена на рис. 27.17, а, а поперечное сечение нескольких ячеек прибора - на рис. 27.17, б. Прибор состоит из двух стеклянных подложек 7, на внутренние поверхности которых нанесены электроды 2. Со стороны, противоположной подложке, электроды покрываются слоем тонкого стекла 3. На поверхность стекла наносится изолирующий слой MgO. Чтобы прибор сохранял достаточную прозрачность, электроды делаются либо из прозрачного материала — оксида олова- индия, либо из очень узких проводников. Зазор 4 между пластинами заполняется газом под давлением, близким к атмосферному, для фик- 340
Рис. 27.17. Конструкция матричного индикатора переменного тока
сации зазора используются тонкие стеклянные прокладки. Герметизация проводится по периферии с помощью стеклоцемента.
Изолирующая пленка MgO выполняет функции эффективного эмиттера вторичных электронов, а также имеет высокую стойкость к распылению под воздействием ионной бомбардировки, что обеспечивает большой срок службы прибора. Благодаря высокому давлению газа разряды, возникающие в ячейках, образованных на пересечениях проекций электродов, расположенных на одной подложке, на электроды
другой подложки, концентрируются в узкой области и не влияют друг на друга. Это позволяет отказаться от диэлектрических барьеров, используемых для изоляции ячеек в других типах матричных индикаторов.
Образованная на пересечении строки и столбца ячейка матричного индикатора переменного тока представляет собой структуру металл— диэлектрик—газ—диэлектрик—металл (МДГДМ).
Механизм прохождения разряда в ячейке со структурой МДГДМ в общем виде выглядит так. При достаточном напряжении между электродами, расположенными на противоположных подложках, начальные электроны в газовом зазоре ускоряются и создают электрон- ионные лавины. Ионы, движущиеся к отрицательному электроду, а также попадающие на него фотоны и метастабильные атомы, бомбардируя слой MgO, покрывающий отрицательный электрод, вызывают эмиссию электронов и появление новых лавин. В результате возникает самостоятельный разряд. Однако в отличие от стационарного разряда, описанного в § 25.4, этот разряд быстро прекращается из-за зарядки емкостей МДГДМструктуры разрядным током и, таким образом, ток носит характер однократного импульса. Чтобы последовательность импульсов разрядного тока через промежуток не прекращалась, необходимо прикладывать к нему не постоянное, а знакопеременное напряжение.
Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу матричного индикатора переменного тока, приведены на рис. 27.18. Между горизонтальными и вертикальными электродами панели приложено знакопеременное напряжение Еп. Амплитуда его выбирается несколько меньшей напряжения возникновения разряда, но достаточной для поц- держания уже возникшего разряда.
Рис. 27.18. Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу матричного индикатора переменного тока
Включение ячейки (запись) проводится методом двухкоординатной выборки, для чего на соединенные с ней вертикальный У и горизонтальный X электроды в интервале времени 门一力 подаются полуимпульсы записи UxnUy, суммарная амплитуда которых | Ux\ + I Uy\ = 5〉& • Ток разряда zp, протекающий через ячейку, сначала нарастает в процессе формирования, а затем падает, поскольку приложенное к газовому промежутку ячейки напряжение уменьшается по мере заряда емкостей структуры МДГДМ. В результате протекания импульса тока емкости С МДГДМ-структуры заряжаются до напряжения
f 2
归о 二—/ ipdt. (279)
Поскольку после окончания импульса тока газовый промежуток вновь становится непроводящим, напряжение Ucq сохраняется на емкости до момента времени £з・
В следующий временной интервал t^ 一 〃 к ячейкам прикладывается положительный импульс поддерживающего напряжения. В результате того, что он суммируется с напряжением на емкости 生о, прило-
женное к газовому промежутку ячейки напряжение £п + Uco > иъ стимулирует повторное возникновение разряда. Протекание тока в интервале t3 - f4 приводит к перезарядке емкости до напряжения Ua противоположной полярности, причем новое напряжение на емкости определяется как
^Ci =几о _ △比=W ( / ipdt- j ip dtj . (27.10)
Прикладываемый к ячейке в интервале времени t5 -16 импульс снова приводит к ее перезажиганию и т. д. Таким образом, пока к матричному индикатору приложено поддерживающее напряжение, ячейки, возбужденные импульсами записи, будут светиться в результате протекания двухполярных импульсов разрядного тока. Емкости структур МДГДМ обеспечивают электрическую развязку газовых промежутков ячеек и возможность одновременного существования разряда в любом числе ячеек.
Матричный индикатор переменного тока позволяет осуществить не только выборочную запись, но и выборочное стирание информации в любой ячейке. С этой целью на ячейку во временном интервале tn+2 - 一 ％+з подаются импульсы стирания UCT с амплитудой меньшей, чем при записи, но все же достаточной для пробоя газового промежутка, т. е. UCT + Ucn > 4・ Из-за меньшей амплитуды “^ такие импульсы вызывают более слабую перезарядку емкостей ячейки, чем при записи. Их амплитуда выбирается таким образом, чтобы на емкости в конечном счете устанавливалось значение напряжения, близкое к нулю. При этом ячейка почти возвращается к первоначальному состоянию и очередной импульс поддерживающего напряжения не вызовет пробоя, т. е. ток через ячейку и ее свечение прекращаются.
Более точное описание процессов, происходящих в ячейке, можно дать с помощью так называемой перезарядной характеристики. Термин ''перезарядная характеристика" применен здесь, поскольку изменение зарядки емкости Дбс при постоянной С пропорционально ^Uc， Типичная перезарядная характеристика, изображенная на рис. 27.19, представляет собой зависимость изменения напряжения на емкостях МДГДМ -структуры ^Uc, происходящего в результате протекания импульса разрядного тока, от приложенного к газоразрядному промежутку ячейки напряжения UT. Поскольку напряжение на газоразрядном промежутке определяется напряжением на емкости МДГДМ-структуры в предьщущем цикле и поддерживающим напряжением в данном цикле ,то для АИ"Го цикла можно записать
△比m = 〃％m—i + ^п). (27.11)
Здесь △生加 -изменение напряжения на емкости МДГДМ-структуры
в m-цикле; Uстт — напряжение на емкости после т —1 цикла; £п — амплитуда поддерживающего напряжения.
Из рис. 27.18 следует, что Uc достигает установившегося значения, когда изменение напряжения на емкости становится в 2 раза больше напряжения на емкости, т. е. в установившемся режиме
A比=2年.(27.12)
Уравнение (27.12) совместно с перезарядной характеристикой позволяет найти диапазон поддерживающих напряжений Е^, амплитуд импульсов записи U3 и стирания UCT, при которых обеспечивается работа ячейки в режимах запоминания информации. Рассмотрим графическое решение этой задачи.
С этой целью проведем прямую Л с тангенсом угла наклона, рав- ,ным двум, так чтобы она пересекла перезарядную характеристику в точках а и 0. Примем, что отрезок, отсекаемый прямой Л на оси абсцисс, соответствует Fn. Легко видеть, что при этом точки пересечения прямой Л с перезарядной характеристикой являются равновесными и в них соблюдается условие (27.12) А生 =f(Uc + Ец)二 2生, т. е. при воздействии на газоразрядный промежуток ячейки напряжения Еп + Uc после протекания импульса тока заряд на конденсаторе меняется на 2Uc и новое значение напряжения на емкости по модулю оказывается равным старому.
Однако из двух точек а и 0, где выполняется условие (27.12), только одна точка 0 является точкой устойчивого равновесия. Действитель-
но, в точке а тангенс угла наклона перезарядной характеристики больше двух. Поэтому любая случайная положительная флуктуация £п или Uc приводит к тому, что результирующее △〃> > 2办 и в результате начнется нарастание Uq и перемещение по характеристике до тех пор, пока тангенс угла наклона не уменьшится до двух, т. е. до точки 0. Поскольку в окрестностях этой точки тангенс меньше двух, состояние здесь является не только равновесным, но и устойчивым.
Легко видеть, что аналогичным образом отрицательная флуктуация Еп и % в точке а приводит к погасанию разряда.
А% < 2% и последующие значения %А% < 2% и последующие значения %Перезарядная характеристика позволяет определить диапазон поддерживающих напряжений, при котором ячейка работает в режиме с запоминанием. Для этого достаточно провести две прямые, параллельные А, и касательные к перезарядной характеристике — одну извне, а другую изнутри (прямые 5 и С соответственно), При любых Ец < Enmtn независимо от начальных %
А% < 2% и последующие значения %
А% < 2% и последующие значения %
будут меньше предыдущих, в результате чего в конце концов разрядные импульсы прекратятся. Вместе с тем при Un > Unmax разряд в ячейке возникает независимо от наличия %, т. е. ячейка теряет управляемость. Перезарядная характеристика позволяет найти U^min с помощью следующих рассуждений. Очевидно, что для перехода ячейки в точку 0 достаточно, чтобы в начале на ячейке было создано напряжение %, несколько большее необходимого для попадания в точку а. Вычтя из значения абсциссы точки а значение 后口, получим значение %, обеспечивающее переход в точку а. Отложив это значение % по оси ординат, найдем с помощью перезарядной характеристики абсциссу, равную U3mjn (рис. 27.19).
Следует отметить, что перезарядная характеристика зависит от частоты повторения, формы, длительности фронтов поддерживающего напряжения и импульсов записи или стирания. Так, оптимальная частота повторения поддерживающего напряжения составляет 40-50 кГц, при уменьшении или увеличении этой частоты даапазон поддерживающих напряжений сужается из-за стекания емкостных зарядов структуры МДГДМ. Как правило, целесообразно применять крутые фронты поддерживающих напряжений импульсов с длительностью менее 0,5 мкс. При этом разряд в ячейке получается сильноточным, емкости заряжаются сильнее и даапазон Enmax-Enmin становится шире.
В панелях переменного тока для стабилизации возникновения основного разряда используется подготовительный разряд в виде рамки. Возбуждение подготовительного разряда должно совпадать по времени с импульсами записи или стирания.
Остановимся на стабильности и сроке службы газоразрядных матричных индикаторов. Поскольку большинство этих приборов содержит множество ячеек, то для нормальной работы прибора в целом неовходам малый разброс параметров, достигаемый за счет высокого технологического уровня изготовления.
В процессе работы приборов катод (или же покрывающая его даэлек- трическая пленка) подвергается ионной бомбардировке, что может приводить к изменению его эмиссионных свойств, и, следовательно, величин Uu и UB9 к осаждению распыленного материала с возникновением проводящих мостиков и к потере прозрачности. Кроме того, при распылении может происходить поглощение наполняющего газа, что особенно существенно при использовании малых до барок (например, неона к аргону).
Понижение температуры окружающей среды приводит к нарастанию перепадов плотности газа внутри прибора и к дрейфу параметров, зависящих от плотности. При повышении температуры происходит выравнивание этой плотности, поэтому верхний предел рабочих температур определяется только возможностью выделения вредных газов. Еще сильнее температура окружающей среды сказывается на приборах, в газовом наполнении которых имеется добавка ртути, поскольку упругость ртутных паров сильно зависит от температуры.
Тем не менее правильно выбранные конструкция и технология изготовления обеспечивают срок службы матричных индикаторов свыше 10 000 ч при диапазоне рабочих температур для приборов без ртути от -60 до +70 °C, а с добавками ртути от 0 до 50 °C.
Контрольные вопросы и задания
Назовите основные группы индикаторных приборов.
Чем отличаются катоды знакомоделируюших и знакосинтезирую- ших индикаторов?
Каковы пути уменьшения скорости катодного распыления в знаковых индикаторах?
На каком свойстве тлеющего разряда основано действие аналогового индикатора?
На чем основано действие шкального дискретного индикатора?
Какие типы матричных индикаторов требуют регенерации изображения, а какие запоминают его?
Каковы достоинства и недостатки матричного индикатора с само- сканированием по сравнению с матричным индикатором с внешней адресацией?
Опишите структуру ячейки матричного индикатора переменного тока.
Глава двадцать восьмая
ВЕНТИЛЬНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ПРИБОРЫ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА
КЛАССИФИКАЦИЯ
Разряд в приборах с накаленным катодом является несамостоятельным, так как термоэлектронная эмиссия из катода обусловлена не внутренними процессами, а нагревом катода до высокой температуры посредством внешнего источника электропитания.
Приборы этого класса предназначены для использования в схемах преобразования одного вида электрической энергии в другую. Так, вентильные приборы преобразуют переменный ток в постоянный (выпрямление) или постоянный ток в переменный (инвертирование), коммутаторные импульсные приборы 一 непрерывный ток в импульсный.
Конструктивно различают:
газотроны — двухэлектродные вентили, предназначенные для простейших схем преобразования переменного тока в постоянный в нерегулируемых выпрямителях;
тиратроны — приборы с сеточным управлением, предназначенные для регулируемых выпрямителей или инверторов (тиратроны непрерывного действия) или для импульсных модуляторов (импульсные тиратроны).
Следует заметить, что рабочее давление газа в приборах этой группы составляет десятки паскалей, так что в зависимости от расстояния между электродами пробивные напряжения определяются левой (при малых расстояниях) или правой (при больших расстояниях) ветвью кривой Пашена.
28-2. ГАЗОТРОНЫ
Простейшая схема использования газотрона в качестве вентиля для преобразования переменного тока в постоянный и соответствующие диаграммы напряжений показаны на рис. 28.1, а, 6. Вентильные свойства идеального прибора приводят к тому, что он проводит ток 口 от анода Л к катоду К и не проводит его в обратном направлении.
В реальном приборе при положительной полуволне напряжения на аноде напряжение источника Е почти полностью передается на нагрузку & в виде напряжения Ud (за вычетом прямого падения напряжения между анодом и катодом вентиля А〃) • При отрицательной полуволне через вентиль может проходить небольшой обратный ток, создающий падение напряжения на &, все остальное напряжение источника падает на вентиле (обратное напряжение 仇бр)・ Таким образом, из качественного рассмотрения работы этой простейшей схемы следует, что для расчета схемы вентиль должен характеризоваться следующими основными параметрами:
Рис. 28.1. Применение газотрона для выпрямления:
а - схема включения; 6 - диаграммы напряжений и токов
допустимым средним значением тока/а^ ср； допустимым максимальным значением тока/а max', допустимым падением напряжения между анодом и катодом А%; максимальным обратным анодным напряжением UQ^.
Конструкция стеклянного газотрона типа ГГ1-0,5/5 приведена на рис. 28.2. Тазотрон содержит прямонакальный оксидный катод 4, изготовленный из свернутой в спираль плоской ленты, дисковый никелевый анод 2, скрепленный с молибденовым анодным выводом 7, проходящим по центру стеклянной трубки 10. Катод и анод окружены анодным экраном 5, представляющим собой цилиндр с четырьмя поперечными диафрагмами. Диафрагмы 9 H 8 используются для крепления анодного экрана к стеклянной трубке, даафрагмы 8 и 7 образуют анодную камеру, даафрагма 5 используется для прикрепления анодного экрана к катодной ножке. Анодный экран электрически связан с катодом и выполняет несколько функций. Прежде всего, благодаря малому зазору между экраном и анодом пробивные напряжения определяются левой ветвью кривой Пашена и достаточно велики. Еданственный путь прохождения разряда в таком газотроне - это от катода через отверстие в даафрагме 7 на анод. Размеры отверстия в диафрагме 7 выбираются таким образом, чтобы обеспечить минимальное напряжение возникновения разряда в прямом направлении и максимальное обратное пробивное напряжение.
Нижняя часть анодного экрана выполняет функции теплового барьера, препятствующего отводу тепла и тем самым повышающего экономичность катода.
Газовое наполнение прибора — смесь криптона с ксеноном. Инертное газовое наполнение расширяет область рабочих температур прибора, но уменьшает срок службы по сравнению с ртутным наполнением. Для поддержания чистоты газового наполнения использован газопоглотитель 6.
Прибор работает следующим образом. При подаче положительного напряжения на анод электроны, эмиттированные катодом, ускоряются по направлению к аноду, ионизируя при этом частицы газа. В проме- 348
Рис. 28.2. Конструкция стеклянного газотрона с газовым наполнением
жутке устанавливается характерное для дугового разряда распределение потенциала, показанное на рис. 28.3. В катодной области КО толщиной JK электроны ускоряются катодным падением △4，приобретая энергию, необходимую для ионизации атомов или молекул газа (порядка потенциала ионизации q). Объемный заряд в этой области создается преимущественно ионами, чем и обусловлен заметный положительный перепад напряжения.
Вслед за катодной областью идет плазменная область столбца С дуги с протяженностью /, характеризуемая малой продольной напряженно стью электрического поля А"：//. Но- этому падение в столбе не превышает нескольких единиц вольт. Переходный от плазмы к аноду учас
ток анодной области АО может характеризоваться как положительным, так и отрицательным анодным падением напряжения +△勿 или —А". Поскольку общее падение напряжения на газотроне А% должно быть минимально, стремятся получить отрицательное анодное падение, чтобы оно компенсировало положительное падение напряжения в столбе. Тогда общее падение напряжения на газотроне оказывается приблизительно равным катодному.
Типичная ВАХ газотрона была изображена на рис. 25.12. После начального максимума, соответствующего возникновению разряда, ВАХ идет почти горизонтально до тех пор, пока ток анода не превысит ток эмиссии электронов из термо катода.
Если задаваемый нагрузкой в схеме рис. 28.1 ток больше тока термоэмиссии катода, то распределение потенциала в разряде изменяется таким образом, чтобы возникло дополнительное поле у катода, способное увеличить эмиссию. Увеличение поля происходит за счет накопления положительного объемного заряда ионов у катода и соответствующего роста катодного падения Д^. Сильно ускоренные за счет повышенного At/к ионы выбивают дополнительные электроны из катода в результате у-процессов и ток возрастает. Электрическое поле проникает и в слой
оксида, вызывая этим дополнительную эмиссию под действием эффекта Шоттки.
Работа в режиме отбора анодного тока, превышающего ток термоэмиссии, считается недопустимой, поскольку усиленная ионная бом- бардаровка приводит к распылению оксида и в конечном счете к уменьшению тока термозмиссии. Это, в свою очередь, приводит к дополнительному росту катодного падения ^UKt усилению ионной бомбардаров- ки катода и т. д., пока не произойдет полного выхода прибора из строя.
Поэтому в паспортных данных газотронов (и аналогично тиратронов) задаются два предельно допустимых значения тока: максимального Цтах и среднего 厶，ср・ Нормальный режим проводящей части периода обеспечивается, когда мгновенное значение тока, задаваемого схемой, не превышает /а тах (это условие соответствует отбору тока, меньшего тока термоэмиссии катода), а также когда среднее значение выпрямленного схемой тока меньше /а> Ср (это условие исключает перегрев газотрона) .В непроводящую часть периода прибор должен выдерживать высокие обратные напряжения, С этой точки зрения газотрон прежде всего можно характеризовать максимальным обратным анодным напряжением %бр.
Для левой ветви кривой Пашена про血вное напряжение будет тем выше, чем меньше произведение pd. Поскольку давление в газотронах выбирается около 30 Па, а расстояние между электродами несколько миллиметров, произведение W % 40 + 60 мм • Па соответствует круто нарастающему участку левой ветви. Благодаря анодному экрану силовые линии электрического поля, проходящие через газ, имеют малую длину, что делает невозможным развитие разряда по ним.
Чтобы обеспечить то ко прохождение в анодном экране, делают одно или несколько отверстий, общее сечение которых достаточно для пропускания тока, а дааметр достаточно мал для перехвата силовых линий поля анода.
В динамическом режиме, т.е. после прохождения тока, электрическая прочность газотрона уменьшается из-за наличия остаточных зарядов, 350
искажающих электрическое поле и создающих начальную ионизацию. Исчезновение этих зарядов происходит постепенно, поэтому для восстановления полной электрической прочности требуется определенное время. В газотронах, наполненных инертным газом, оно составляет сотни-тысячи, а с водородным наполнением — еданицы—десятки микросекунд.
ТИРАТРОНЫ
Простейшая схема применения тиратрона в качестве управляемого вентиля приведена на рис. 28.4. Для запирания на сетку тиратрона постоянно подается отрицательное напряжение смещения £см, для отпирания же на смещение накладывается положительный импульс напряжения такой амплитуды, что суммарное напряжение все же остается отрицательным. Изменением момента подачи отпирающего импульса по отношению к фазе анодного напряжения удается регулировать момент включения и, следовательно, среднее значение выпрямленного напряжения Ud в пределах от нуля при «в -► я до максимального значения, соответствующего режиму включения газотрона при ав -> 0.
Положительный импульс передается на сетку через трансформатор Т, ток на сетку ограничивается резистором 2?с, цепочка из диода VD и шунтирующего резистора снимает отрицательный выброс.
Конструкция высоковольтного выпрямительного тиратрона с ртутным наполнением показана на рис. 28.5. Тиратрон содержит вогнутый графитовый анод 1 с высокой тепловой стойкостью, катод косвенного накала, представляющий собой цилиндр с внутренними ребрами 3, покрытыми оксидом, спираль нагрева 4, расположенную по оси, и многодырчатую сетку с малыми отверстиями 2.
В отличие от приборов, наполненных инертным газом, ртутные приборы не нуждаются в анодном экране. Это связано с тем, что газовое
Рис. 28.4. Применение тиратрона как управляемого вентиля: 4 - схема включения; 6 - диаграммы напряжений
Рис. 28.5. Конструкция высоковолътного выпрямительного тиратрона с ртутным наполнениемРис. 28.5. Конструкция высоковолътного выпрямительного тиратрона с ртутным наполнениемиихаЕ°5хаЕ°5SE 3SE 3仇
Рис. 28.5. Конструкция высоковолътного выпрямительного тиратрона с ртутным наполнением
Рис. 28.5. Конструкция высоковолътного выпрямительного тиратрона с ртутным наполнением
и
и
хаЕ°5
хаЕ°5
SE 3
SE 3
Рис. 28.7. Характеристика сеточного запирания
наполнение в них обеспечивается испарением ртути из капли 5 и соответствующее давление обычно меньше 5 Па, что исключает пробои даже по сравнительно длинным силовым линиям.
Недостатком ртутных тиратронов (и газотронов) является ограниченный даапазон допустимых температур окружающей среды. Превышение этой температуры приводит к росту давления и понижению пробивной прочности. При температурах ниже допустимой затрудняется возникновение разряда. Достоинство тиратронов - большой срок службы, обусловленный практической неистощимостью газового наполнения.
В тиратроне используется электростатическое управление возникновением разряда на анод. В запертом состоянии на сетку подается значительное отрицательное смещение. Так как электроны, эмиттируемые катодом, имеют среднюю энергию в несколько электрон-вольт, то указанного отрицательного смещения достаточно для торможения даже самых быстрых из них. В пространстве сетка—анод существует сильное ускоряющее электрическое поле, однако, поскольку через отверстия
сетки электроны почти не проходят, разряд в этом пространстве развиться не может.
При уменьшении абсолютного значения потенциала тормозящее поле сетки ослабевает и все большее число электронов начинает проникать в пространство сетка—анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул газа. В результате появившиеся вторичные электроны вместе с первичными уходят на анод, а ионы, двигаясь по направлению к катоду и попадая в сеточные отверстия, экранируют поле сетки, вызывая тем самым приток новых электронов и лавинообразное нарастание тока. В конечном счете формируется плазма, возникающая сначала в области анода, а затем постепенно заполняющая все пространство анод—катод, за исключением катодной области. Поскольку плазма обладает высокой проводамостью, тиратрон отпирается. Электрическое поле сетки при развившейся плазме полностью экранировано ионной оболочкой, так что сеточный потенциал никак не влияет на протекание тока в тиратроне. Для свободного прохождения тока толщина ионной оболочки вокруг отверстия сетки должна быть незначительна, так чтобы центральные участки отверстий сеток были свободны от действия поля сетки.
При выключении тиратрона путем снятия напряжения с анода постепенно происходит распад плазмы — заряженные частицы плазмы соединяются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По мере уменьшения концентрации зарядов толщина сеточных оболочек падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент соответствует началу восстановления управляющего действия сетки. При дальнейшем спаде концентрации заряженных частиц действие электрического поля сетки нарастает до тех пор, пока ее управляющие свойства не восстановятся полностью.
Из проведенного описания можно сделать вывод, что по сравнению с газотроном тиратроны с накаленным катодом должны иметь две важные характеристики. Первая из них - анодно-сеточная пусковая характеристика, изображенная на рис. 28.6, связывает меаду собой анодные 〃 и сеточные Uc напряжения, соответствующие возникновению разряда. Очевидно, что область выше этой характеристики является областью зажигания.
При нагрузке анодным током происходит смещение характеристики вниз 一 "разбежка". Она связана с появлением падения напряжения на сеточном резисторе Rc из-за протекания тока термоэлектронной эмиссии сетки. При этом фактический потенциал сетки оказывается выше, чем напряжение подключенного к ней источника.
Вторая характеристика — восстановления во времени сеточного запирания, т.е. изменения во времени электрической прочности анодного промежутка, показана на рис. 28.7.
Она представляет собой зависимость допустимого напряжения, которое можно приложить к аноду тиратрона без возбуждения основного разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока основного разяряда, “ = f(t). Горизонтальный участок кривой рис. 28.7 длительностью 6° соответствует интервалу времени до смыкания ионных оболочек вокруг сетки. Для того чтобы в этот период в тиратроне не существовал основной разряд, к его аноду нужно прикладывать напряжение, меньшее напряжения поддержания дугового разряда.
Для лучшего понимания роли кривой восстановления сеточного запирания на том же графике показаны кривые нарастания реального анодного напряжения на тиратроне U^(t). В режиме, соответствующем кривой 1, пересекающейся с кривой восстановления сеточного запирания, тиратрон даже при отрицательном напряжении на сетке повторно зажигается в момент времени 6匕 т.е. теряет-управляемость по сетке. В режиме, соответствующем кривой 2, характеризуемой меньшей скоростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим можно рассматривать как нормальный.
Появление тиристоров, выполняющих те же функции, что и тиратроны, но являющихся твердотельными приборами со всеми присущими им достоинствами, привело к резкому ограничению применения тиратронов. В связи с этим оказалось целесообразным использовать тиратроны только для выпрямления высоких рабочих напряжений (десятки—сотни киловольт). Однако применение здесь г азо напол ненных тиратронов невозможно из-за интенсивно происходящего в процессе эксплуатации поглощения инертного газа, которое приводит к быстрому выходу приборов из строя. В период проводимости наибольшее количество газа поглощается отрицательно заряженной сеткой, в которой после нейтрализации 5>замуровываются,5 положительные ионы. В обратный полупериод ионы аналогичным образом улавливаются анодом.
Для получения высокой долговечности можно было бы в качестве газового наполнения тиратрона применить водород, запас которого восполняется с помощью генератора водорода. Однако из-за высокого напряжения поддержания дугового разряда в водороде это приводит к большим потерям мощности в проводящую часть периода, что недопустимо как с точки зрения КПД преобразования энергии, так и превышения температуры тиратрона.
В настоящее время в качестве высоковольтных вентилей применяются только ртутные тиратроны. Поскольку пары ртути в объеме прибора находятся в равновесии с жидкой ртутью, поглощение газа не приводит к спаду давления. Однако давление определяется температурой наиболее холодной части колбы, где конденсируется ртуть, и, таким обра- гом, сильно зависит от температуры окружающей среды. Обычные ртутные тиратроны способны работать в даапазоне температур 15—40 °C, что существенно ограничивает область их применений.
Рис. 28.8. Импульсный модулятор на водородном тиратроне: а - схема включения; 6 - диаграмма напряжений на аноде
В то же время тиратроны выгодно отличаются от тиристоров такими достоинствами, как большие допустимые импульсные токи и напряжения и более высокое быстродействие. Поэтому в настоящее время в качестве импульсных коммутаторов широко используются водородные тиратроны.
Рассмотрим типовую схему импульсного модулятора радиолокационной станции (рис. 28.8), которая преобразует постоянное напряжение £*а в мощные импульсы повторяющегося напряжения. Работа схемы иллюстрируется диаграммами напряжения на рис. 28.8, б. В течение периода времени Тзар энергия от источника Е^ накапливается в длинной линии, состоящей из трех звеньев £С. Для ограничения тока заряда использован реактор £зар, для исключения обратного разряда линии на источник применен даод VD1. После полного заряда линии положительным импульсом, подаваемым на сетку, включается импульсный тиратрон V2 и накопленная линией энергия выделяется на нагрузке 7?н в виде мощного прямоугольного импульса. Роль нагрузки часто выполняет магнетрон, генерирующий высокочастотные колебания в виде коротких импульсов. Процессы зарядки и разрядки повторяются с периодач- ностью Тп.
Из рассмотрения схемы вытекают следующие требования к импульсному тиратрону:
способность выдерживать без пробоя прямое напряжение на аноде; способность формировать короткие импульсы с крутым фронтом; быстрое восстановление электрической прочности в прямом направлении после прохождения импульса тока, что необходамо для начала нового зарядного цикла;
способность выдерживать отрицательное напряжение, которое может возникать при несогласованности волнового сопротивления линии и сопротивления нагрузки.
Последнее требование, строго говоря, не является обязательным, если для ограничения обратного выброса напряжения используется
па ТГИ1-460/16 показана напа ТГИ1-460/16 показана наРис. 28.9. Конструкция металлокерамического тиратрона в разрезе
па ТГИ1-460/16 показана на
па ТГИ1-460/16 показана на
включенный параллельно линии клип- перный диод 匕.Его роль обычно выполняет газотрон с водородным наполнением.
Для выполнения сформулированных требований лучше всего подходят импульсные водородные тиратроны.
Структура электродной системы металлокерамического тиратрона ти- рис. 28.9. Оболочка тиратрона состоит из
цилиндрических керамических колец, соединенных с чашеобразными
деталями, выполняющими функции электродов. Такая конструкция позволяет точно фиксировать электроды и обеспечить в случае необходимости малые зазоры. Электродная структура прибора состоит из анода 1, тройной сетки 2, катодного экрана 5, оксидного катода 3, генератора водорода 4. Генератор водорода представляет собой спеченный порошок титана, насыщенный водородом. Подбором определенного подогрева генератора обеспечивается равновесие между газообразным
и химически связанным порошком титана водородом.
При постоянной температуре нагревателя поглощение водорода в объеме не приводит к изменению давления, поскольку его убыль восполняется выделением газа из титана. Близко расположенные электроды анодноч:еточного узла обеспечивают быструю рекомбинацию остаточных зарядов, чему способствует и водородное наполнение.
Поскольку сетка тиратрона должна иметь малую проницаемость для обеспечения высоких про血вных напряжений в прямом направлении, а также для ускорения развития разряда управление возникновением разряда производится не электростатическим, а токовым способом. При тройной сетке поле анода слишком мало, чтобы вытянуть из области сетка—катод электроны, число которых достаточно для возникновения основного разряда. Поэтому для зажигания на сетку подается положительный импульс напряжения, обеспечивающий возбуждение разряда сетка—катод. Плазменная область такого разряда является источником электронов, проникающих в область сетка—анод. Возникновение основного разряда происходит при определенном значении сеточного тока.
Для импульсных тиратронов характерно вьщеление заметной мощности на аноде, обусловленной так называемыми стартовыми потерями. При развитии разряда в тиратроне имеется определенный период вре-
мени, когда ток через прибор уже заметно возрос, а напряжение на формирующей длинной линии, т.е. на аноде тиратрона, еще не упало. Эта мощность в основном выделяется на аноде, который бомбардаруется ускоренными электронами. Очевидно, стартовые потери тиратрона пропорциональны частоте повторения импульсов.
Контрольные вопросы w задания
Чем обеспечивается высокое про血вное напряжение газотронов и тиратронов?
Почему недопустима работа при токе анода, превышающем ток термо эмиссии катода?
Почему приборы с ртутным наполнением более высоковольтные, чем с газовым?
С чем связана "разбежка” тиратрона?
Какие требования предъявляются к импульсному водородному тиратрону, работающему в модуляторе радиолокационной станции?
Глава двадцать девятая
ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДУГОВОГО
САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
ОБЩИЕ СВОЙСТВА РТУТНЫХ ВЕНТИЛЕЙ
Рассмотренные в предьщущей главе приборы дугового несамостоятельного разряда могут пропускать токи около десятков ампер из-за ограниченной способности катода змиттировать термоэлектроны. В ртутных вентилях благодаря применению ртутного катода с практически неограниченной эмиссионной способностью это ограничение отсутствует, и они способны управлять килоамперными токами.
Конструкция ртутного вентиля схематически показана на рис. 29.1. Электродная структура прибора состоит из анода 3, окруженного анодным экраном 2, и катода 5. Электроды обычно заключаются в металлический корпус 1.
Основной особенностью дуги 4 в ртутном вентиле является катодное пятно. Эмиссия из катодного пятна происходит под действием сильного электрического поля, возникающего в катодной области разряда.
Разрядные области между катодом и анодом в ртутном вентиле в принципе такие же, как в газотроне или тиратроне. Отличие заключается в том, что протяженность катодной области здесь значительно меньше. Газовое наполнение ртутного вентиля представляет собой ртутный пар под давлением около 1 Па. Вследствие сравнительно большой длины свободного пробега при таком низком давлении и малой толщины катодного падения электроны там не испытывают соударений. Начи-
Ек = Д^к/^к>Ек = Д^к/^к>Рис. 29.1. Схематическая конструкция ртутного вентиля
Ек = Д^к/^к>
Ек = Д^к/^к>
ная с границы катодной области они набирают энергию, достаточную для ионизации. На границе и в самой катодной области существует объемный заряд положительных ионов, обусловливающий сильное электрическое поле у поверхности катода. Напряженность такого поля можно определить по формуле
(29・1)
где dK 一 толцщна катодного падения; △厶 一 его значение. Подставляя экспериментально определенное △《^ 10 В и JK = 10"7 м, получаем Ек 二 I。® В/м. Как известно, электрическое поле такой высокой напряженности способно вызывать электростатическую эмиссию, которая и обусловливает появление электронов из катода. После формирования объемного заряда ионов у катода и создания ими сильного электрического поля на катоде дуговой разряд поддерживается как самостоятельный.
В области катодного пятна в результате прохождения электрического тока с довольно большой плотностью (до 109 А/м2) происходит интенсивное испарение ртути. Под действием ударов испаряющихся частиц ионная оболочка сдувается, а катодное пятно непрерывно перемещается. Попадая на другие электроды, в частности на анод, ртуть конденсируется- При приложении обратного напряжения ртутный конденсат может стать источником катодаых пятен и вызвать обратные зажигания ртутного вентиля. Целесообразно фиксировать катодное пятно, поскольку тогда облегчается защита других электродов ртутного вентиля от попадания на них ртути.
Дия того чтобы не допустить перемещений катодного пятна по поверхности катода, используется фиксатор. Обычно он представляет собой погруженный в ртуть хорошо охлаждаемый кусочек металла (например, 1 металлическую полоску) с небольшим выступающим краем; фиксатор должен смачиваться ртутью. В этом случае возникает групповое катодное пятно, имеющее форму линии, идущей по границе металла и ртути, и состоящее из ряда элементарных катодных пятен. Фиксация здесь обусловлена понижением температуры ртути за счет усиленного теплоотвода и ослаблением испарения ртути в соответствующей области.
Дия того чтобы обеспечить большой срок службы, фиксатор не должен растворяться в ртути и испаряться. Поэтому его вьтолняют из тугоплавкого. металла, подобного молибдену.
Фиксированное катодное пятно может существовать только в определенном диапазоне токов. При токах меньше 5—8 А дуга гаснет и ка- 358
a - конструкция; 6 - диаграммы токов и напряжений
тодаое пятно исчезает, так как плотность объемного заряда положительных ионов у катода оказывается недостаточной для создания электрического поля, необходимого для электростатической эмиссии. Вместе с тем существует максимальная линейная плотность тока, при превышении которой пятно отрывается от фиксатора (около 2 кА/м при температуре фиксатора 20 °C).
При работе ртутного вентиля в схемах преобразования энергии ток через него периодически падает до нуля. Для нового зажигания самостоятельного дугового разряда необходимо приложить к прибору достаточно высокое напряжение, что отрицательно влияет на качество выпрямления. Поэтому для создания катодного пятна используется либо непрерывно поддерживаемая вспомогательная дуга (приборы типа экзитронов), либо кратковременно возбуждаемая вспомогательная дуга (приборы типа игнитронов).
Таким образом, ртутные вентили делятся на игнитроны и экзитро- ны. В обеих системах можно использовать зажигатель из полупроводящего материала, погруженный в ртутный катод. Протекание тока через зажигатель приводит к возникновению дуги зажигания.
Конструкции игнитрона и экзитрона схематически показаны на рис. 29.2, а и 29.3, а, а временные диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу приборов, — на рис. 29.2, б и 29.3, 6 соответственно. В игнитроне импульсом U3 каждый положительный полупериод переменного напряжения с определенной по отношению к его началу задержкой кратковременно создается дуга зажигания на за- жигателе 3. В экзитроне дуга зажигания на зажигатель 3 возбуждается однократно, после чего она подхватывается анодом возбуждения АВ и горит на нем постоянно (ток га(в). В любом случае при наличии
Рис. 29.3. Зкзитрон:
а - конструкция; 6 - диаграммы токов и напряжений
дуги зажигания или дуги возбуждения после поступления на основной анод Л положительного потенциала на нем почти мгновенно возникает основная дуга с катода К (ток ^d) и начинается проводящая часть периода работы вентиля.
Аналогично приборам несамостоятельного дугового разряда падение напряжения для проводящей части периода определяется формулой
А&= А& + 勺 + А%, (29.2)
где ^UK — катодное падение потенциала;与一продольная напряженность поля; I 一 протяженность положительного столба; △% — значение положительного или отрицательного падения потенциала.
В реальных конструкциях вентилей величина Е〔 непостоянна по длине трубки из-за наличия ряда сужений на пути дуги, обусловленных сеткой, отражательным экраном, деионизационными фильтрами. Таким образом, точнее, (29.2) имеет вид:
А&= А& + 砲，+ А% + Е △&• (29.2а)
Здесь S А& — сумма переходных падений напряжения в сужениях, а /； /' относятся к однородной части столба.
Знак и значение анодного падения А% зависят от условий, существующих в анодной области и во внешней цепи. Когда число электронов. испускаемых плазмой, равно току, задаваемому внешней цепью, △I / = 0 Если это число избыточно, анод приобретает отрицательный потенциал по отношению к плазме (А% < 0), чтобы затормозить избыточные электроны. Напротив, при недостаточном числе электронов плазмы возникает дополнительное электрическое поле (△% > 0), создаю- 360
Рис. 29.4. Каскадное горение дугиРис. 29.4. Каскадное горение дугизамыкается по металлузамыкается по металлущее добавочную ионизацию у анода. Вольт-амперная характеристика дуги в ртутном вентиле носит растущий характер.
Рис. 29.4. Каскадное горение дуги
Рис. 29.4. Каскадное горение дуги
замыкается по металлу
замыкается по металлу
Падение напряжения на дуге с повышением тока может привести к двум видам аномальностей. Во-первых, может возникнуть каскадное горение дуги, иллюстрируемое рис. 29.4. Это явление возникает, когда суммарное падение в дугах % н Д? оказывается меньше падения при прямом горении дуги между анодом и катодом сквозь сужения сетки С. При этом дуга разбивается на две: одна между ртутным катодом и корпусом 4 и другая - между корпусом и анодом Д2, а часть пути для линий тока
корпуса. Режим является аварийным, в частности, из-за катодного пятна дуги &，которое возникает на корпусе, что приводит к ухудшению
вакуума из-за газоотделения или даже к прогоранию корпуса.
Во-вторых, возможны обрывы дуги, связаннь^е с тем, что в местах сужений - возникает недостаточно молекул газа для ионизации. Дефицит молекул может быть связан с малой упругостью ртутного пара при низких давлениях или с выдуванием молекул из сужений под действием ионной бомбардировки.
В обратную часть периода работы вентиля часть зарядов, возникших в проводящий период, рекомбинирует между собой, а часть — уходит к электродам, образуя обратный ток. Наиболее важное значение для работы прибора имеет обратный ионный ток, идущий на отрицательно заряженный в этот полупериод анод.
Ионная бомбардировка анода вызывает эмиссию электронов и в ко
нечном счете делает вероятным переход к самостоятельному дуговому разряду с эмиссионным катодным пятном на аноде. Для предотвращения обратных зажиганий надо исключить:
большие амплитуды обратного тока, ускоряющие образование катодного пятна;
быстрый начальный скачок обратного напряжения. При этом обратный ток не успевает уменьшиться и пробой оказывается весьма вероятным;
высокое давление ртутного пара в анодной области. Ртутные вентили работают в левой ветви кривой Пашена, поэтому повышение давления способствует понижению потенциала возникновения разряда;
образование на аноде пленок, которые могут стать центрами эмиссии.
В настоящее время ртутные вентили имеют только ограниченное применение в ранее выпущенных силовых преобразовательных установках. Однако большие мощности, коммутируемые этими приборами, делают их перспективными для коммутации килоамперных токов при напря-
жениях в десятки киловольт. Наибольшее распространение здесь получили игнитроны, на которых мы и остановимся подробнее в следующем параграфе.
ИГНИТРОНЫ
Особое значение для работы игнитрона имеет зажигатель. В качестве зажигателя используется погруженный своей нижней частью в ртуть конусный стержень из карбида бора (рис. 29.5). Поскольку зажигатель не смачивается ртутью, то на границе раздела возникает вьшук- лый мениск. При пропускании через зажигатель импульса тока между полупроводником и ртутью возникает поперечное электрическое поле, которое сильнее всего в месте отрыва мениска от стержня. Так как зазор здесь очень мал, то уже при небольших напряжениях возникает напряженность электрического поля, достаточная для электростатической эмиссии, и появляется вспомогательная дуга.
Для предотвращения перегрева зажигателя и его преждевременного износа необходимо ограничить время существования дуги зажигания. Это достигается путем включения зажигателя параллельно с основным анодом вентиля. В этом случае после зажигания дуга перебрасывается на основной анод, а напряжение на зажигателе падает и становится недостаточным для поддержания дуги зажигания. Чтобы через зажигатель не проходил обратный ток, что приводит к его выходу из строя, в цепь электропитания зажигателя включается полупроводниковый диод.
Для управления моментом зажигания в структуру дополнительно вводят управляющую сетку. Как и в тиратроне с накаленным катодом, на эту сетку подается отрицательное напряжение смещения, на которое в нужный момент времени накладывается положительный импульс отпирания. Регулировка момента подачи этого импульса позволяет менять среднее значение вьшрямленного вентилем напряжения.
Для регулирования момента зажигания в игнитроне в принципе можно использовать и систему зажигания. Однако в этом случае не обеспечивается стабильность зажигания и тем самым ухудшается точность регулировки момента включения игнитрона.
Конструкция сварочного (импульсного) игнитрона показана на рис. 29.6. Игнитрон состоит из герметичного металлического корпуса 4 с рубашкой охлаждения 5. В корпусе расположен графитовый анод 3, присоединенный к анодному стержню 2, изолированному от корпуса посредством стеклянной втулки 1. Катодный узел состоит из катодного ввода 10, ртутного катода 8, зажигателя 6 со вводом 9, молибденового ограничителя 7. Прибор не имеет изоляции между корпусом и катодом.
Молибденовое кольцо 7, края которого выступают из ртути, выполняет функции механического барьера, ограничивающего перемещение катодного пятна и фиксатора. Неполная фиксация катодного 362
Рис. 29.5. ЗажигательРис. 29.5. ЗажигательРис. 29.6. Конструкция сварочного игнитрона в разрезеРис. 29.6. Конструкция сварочного игнитрона в разрезеBbixod водь/Bbixod водь/
Рис. 29.5. Зажигатель
Рис. 29.5. Зажигатель
Рис. 29.6. Конструкция сварочного игнитрона в разрезе
Рис. 29.6. Конструкция сварочного игнитрона в разрезе
Bbixod водь/
Bbixod водь/
пятна кольцом обусловлена тем, что фиксатор не имеет принудительного охлаждения.
Данный тип игнитрона не имеет отражателя ртутных паров и капель и управляющей сетки. Это, с одной стороны, приводит к понижению допустимого значе
ния обратного напряжения, но, с другой
стороны, обеспечивает достаточно малое значение прямого падения напряжения в дуге. Выделяемая в игнитроне в виде тепла мощность
(29.3)(29.3)^= Wcp，
(29.3)
(29.3)
где Zcp — средний за период ток; А& — падение напряжения в игнитроне. Тепло отводится водой, протекающей по рубашке охлаждения.
Игнитроны для преобразовательных установок отличаются от сварочных наличием управляющей сетки и более высокими электрическими параметрами. Они дополнительно содержат отражатель ртутного пара и. стабилизатор давления (обеспечивающий быстрый подъем давления ртутного пара в начальный период включения и исключающий разрывы дуги в это время).
Контрольные вопросы и задания
Что такое катодное пятно, каковы особенности эмиссии из него?
Какова роль фиксатора пятна? (
Какие системы зажигания дуги используются в ртутных вентилях?
Из-за чего возникает каскадное горение дуги?
Из-за чего возникают обрывы дуги?」
Глава тридцатая
РАЗРЯДНИКИ
ЗОЛ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ
Основное назначение газов ых разрядников — это либо защита линий связи и элементов радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений, либо коммутация электрических цепей. С этой точки зрения можно различать защитные разрядники, работающие в режиме одиночных включений (включение реже 1 раза в секунду), и периодически включающиеся коммутахщонные разрядники, работающие при частоте больше 1 раза в секунду.
Конструктивно разрядники представляют собой два или большее число металлических электродов, заключенных в диэлектрическую оболочку, заполненную газом. В зависимости от числа и назначения электродов различают неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные) разрядники.
Рис. ЗОЛ. Схема включения двух электродного разрядникаРис. ЗОЛ. Схема включения двух электродного разрядника
Рис. ЗОЛ. Схема включения двух электродного разрядника
Рис. ЗОЛ. Схема включения двух электродного разрядника
Основные схемы включения разрядников показаны на рис. 30.1, 30.2. В первой из этих схем неуправляемый двухэлектродный защитный разрядник F включен параллельно импульсному тиратрону V. При ава- ,рийных режимах между анодом и катодом тиратрона может возникнуть опасное перенапряжение. Поскольку параллельно этим электродам включен защитный разрядник, последний при напряжении, которое, с одной стороны, больше рабочего в схеме, а с другой- меньше опасного перенапряжения, пробивается. В момент пробоя сопротивление
Рис. 30.2. Схема включения трехэлектродного разрядника
разрядного промежутка снижается до десятых-сотых долей ома, что приводит к шунтированию тиратрона и его защите.
Управляемые разрядники часто используют для коммутации последовательно включенных с ними импульсных источников света. На рис. 30.2 изображена схема такого рода, используемая в стробоскопической технике. Последовательное с импульсной лампой включение разрядника F позволяет повысить частоту вспышек до 3 кГц, что почти на два порядка выше рабочей частоты самой импульсной лампы.
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Анализ описанных схем позволяет выделить следующие основные параметры разрядников: статическое и динамическое напряжения пробоя, диапазон рабочих напряжений, время запаздывания возникновения разряда, время восстановления электрической прочности.
Напряжение пробоя междуэлектродного промежутка, соответствующее кривой Пашена (обычно ее правой ветви), называется статическим напряжением пробоя Unp ст. Разрядник пробивается при статическом напряжении пробоя только, когда напряжение на нем повышается очень медленно. Фактически пробой происходит при конечной скорости нарастания напряжения, в связи с чем вводится такой параметр, как динамическое напряжение пробоя, определяемое как
^4ip, дин = 4р,ст+ Тз (du/dt) ,(30.1)
где du/dt — скорость нарастания напряжения на аноде; т3 — время запаздывания возникновения разряда. Очевидно, что динамическое напряжение пробоя зависит от схемы включения через du/dt и от конструкции разрядника и условий эксплуатации через т3.
Как указывалось в гл. 25, время запаздывания возникновения разряда складывается из двух составляющих - времени статистического запаздывания возникновения разряда гст и времени формирования разряда Тф. В разрядниках, где используются сравнительно высокие давления наполняющего газа (не ниже 13 кПа), время формирования разряда Тф & 1СГ7 с и иногда даже тф = 1СГ8 ； 1СГ9 с. Поэтому на практике приходится учитывать только время статистического запаздывания тСТ} которое лежит в микросекундном диапазоне.
Для уменьшения статистического времени запаздывания в разрядниках используется облучение. междуэлектродного промежутка светом от источника ультрафиолетового излучения или от близко расположенной поджигающей искры. В другом способе в газоразрядный промежуток вводится радиоактивный изотоп, например Ni63, являющийся источником ^-излучения (быстрых электронов).
Статистическое запаздывание возникновения разряда зависит от перенапряжения, приложенного к промежутку, т. е. Д^р =—
- %р, ст. Эту зависимость можно выразить эмпирической формулой
%т=То/(А4р/4р,ст)з,(30.2)
где л» — константа, зависящая от конструкции и внешних условий.
Легко видеть, что при перенапряжении, равном нулю, тст стремится к бесконечности, 2 при росте перенапряжения быстро снижается. Диапазон рабочих напряжений задается верхней и нижней границами. Под верхней границей понимается максимальное рабочее напряжение между анодом и катодом, при котором не возникают самопроизвольные разряды без подачи поджигающего импульса. Под нижней границей понимается минимальное напряжение, при котором каждый поджигающий импульс вызывает пробой основного разрядного промежутка. Этот параметр относится только к управляемым разрядникам, которые таким образом работают при напряжениях, лежащих внутри диапазона рабочих напряжений.
Частотные свойства разрядников определяются временем восстановления электрической прочности междуэлектродного промежутка. После прекращения тока газовый промежуток заполнен сильно ионизированным газом и является проводящим. В результате спада концентрации заряженных частиц у катода образуется ионный слой. Электрическая прочность промежутка всецело определяется этим слоем. С увеличением времени, прошедшего после прекращения тока, толщина слоя и электрическая прочность промежутка возрастают. Когда слой перекрывает промежуток, достигается почти полная первоначальная электрическая прочность.
Основные процессы, влияющие на срок службы искровых разрядников, —это связанные между собой распыление электродов и поглощение наполняющего газа. Распыление электродов обусловлено бомбардировкой катода ионами. Скорость распыления обратно пропорциональна давлению. С ростом давления скорость понижается, поскольку. большее число частиц, вылетевших из катода, возвращается назад в результате отражения от частиц газа. Указанная зависимость хорошо выполняется в диапазоне давлений 10—100 кПа.
Одновременно с распылением катода в работающем разряднике > происходит интенсивное поглощение газа. Это явление связано с абсорбцией молекул или атомов газа материалом, вылетевшим из катода. Прежде всего поглощаются химически активные газы (кислород, водород), при мощных разрядах происходит интенсивное поглощение и инертных газов. Уменьшение давления газа приводит не только к снижению пробивных напряжений разрядника, но и к увеличению скорости катодного распыления. В результате процесс поглощения нарастает лавинообразно.
.30.3. ТИПЫ РАЗРЯДНИКОВ
Рассмотрим конкретные типы разрядников. В линиях связи как защитные применяются двухэлектродные разрядники с бариевым катодом. Последний получается путем нанесения на никелевые электроды окиси бария, которая в разряде или при нагреве разлагается на Ва и О. Пленка окиси бария на катоде снижает работу выхода и стабилизирует условия возникновения разряда. Подобные защитные разрядники заполняются смесью неона с аргоном или чистым аргоном. Конструкция трехзлектродного разрядника изображена на рис. 30.3. В нем использованы биспиральные вольфрамовые электроды 3, покрытые двойным карбонатом бария и стронция. Использование биспирали увеличивает запас активного вещества в катоде и повышает срок службы.
На рис. 30.4 показан разрядник, применяемый для коммутации в системах зажигания газотурбинных двигателей внутреннего сгорания. Использование двух газовых зазоров позволяет получить высокие пробивные напряжения при сохранении малых междуэлектродных расстояний. Этим обеспечивается ускорение восстановления электрической прочности прибора. В качестве материала электродов 5 использован листовой вольфрам. При нагреве на воздухе он образует стойкий оксид, предотвращающий распыление материала катода.
Электроды крепятся на массивных медных выводах 2, обеспечивающих хороший теплоотвод. Эти выводы через коваровые чашечки / соединяются со стеклянным цилиндром 3. Через отверстие 4 в одном из выводов производится откачка прибора и заполнение его трехкомпонентной смесью газов (10% О2 + 40% СО2 + 50% N2) под давлением, близким к атмосферному.
Рис. 30.4. Конструкция коммутационного разрядника с двумя газовыми зазорами
Рис. 30.5. Конструкция двухэлектродного коммутационного разрядника с чашеобразными электродами
На рис. 30.5 изображен двухэлектродный коммутационный разрядник с чашеобразными электродами 4. Благодаря припайке к массивным медным выводам 2 и 5 обеспечивается хороший отвод тепла от электродов и низкая их температура, что важно для создания независимости пробивных напряжений от температуры окружающей среды. Действительно, при температуре электродов, значительно превышающей температуру остальных деталей лампы, плотность газа в приэлектрод- ной области падает, что приводит к снижению пробивной прочности. Этого удается избежать, выравняв температуру в объеме прибора.
Чашеобразная форма электродов предотвращает возникновение разряда на медные выводы. К поверхности одного из электродов приварен Ni63 (на рисунке не показан). Оболочка разрядника состоит из стеклянного цилиндра 3 и коваровых чашечек /, к которым привариваются выводы электродов. Стальной штангель 6, пережимаемый при отпайке, позволяет герметизировать прибор, даже если давление газа внутри него выше атмосферного.
Контрольные вопросы и задания
Какая форма разряда используется в разрядниках?
Какие функции выполняют разрядники в схемах?
Как влияет время запаздывания возникновения разряда на напряжение динамического пробоя разрядника?
Каковы конструктивные отличия управляемых и неуправляемых разрядников?
Часть шестая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ЭЛЕКГРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Глава тридцать первая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСГРУИРОВАВДИ
ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП '
Конструирование электронных ламп предусматривает вьшолнение расчета геометрии электродов, электрических параметров, конструкции как отдельных деталей и узлов, так и лампы в целом в соответствии с заданием.
В гл. 5—10 были рассмотрены общие сведения об электронных лампах, их устройство, принцип действия, характеристики и параметры, связь параметров с конструкцией приборов. Задачей настоящей главы является рассмотрение вопросов расчета геометрических размеров и выбора конструкции лампы для конкретных применении в радиотех- цических устройствах.
В зависимости от применения лампы в качестве исходных данных указьшаются:-
основные статические параметры и соответствующий им статический режим работы;
рабочие параметры и соответствующий им статический режим работы;
рабочие параметры и соответствующие данные рабочего режима.
Например, для кенотрона могут быть заданы, вьшрямпенный ток и выпрямленное напряжение, для усилительных триодов — анодный ток и крутизна в статическом режиме (или одна иэ этих величин и коэффициент усиления), для триодов для выходных ступеней усиления — выходная мощность, амплитуда переменного напряжения на сетке и т. п.
Расчет и конструирование следует начинать с а!1ализа задания и ознакомления по справочной литературе [7] с лампами, близкими по своему назначению, основным параметрам и внешнему оформлению к заданной для проектирования лампы. На основании образцов ламп или по справочнику устанавливаются основные конструктивные особенности и приближенные максимальные размеры системы электродов.
Важным этапом проектирования ламп является выбор системы электродов. При выборе возможной конструкции системы электродов ламп с подогревным катодом следует максимально использовать поверхность катода при заданном значении мощности накала.
13-6353
шанная
На рис. 31.1 приведены варианты электродов, наиболее часто применяющиеся в современных лампах. Вариант (рис. 31.1, г) следует рассчитывать по формуле для цилиндрической системы с учетом коэффициента охвата (см. § 31.3). Овальную систему' (рис. 31.1, б) можно рассматривать как плоскую и рассчитывать по формулам для плоской системы электродов. ПослЬ выбора системы электродов рассчитывают недостающие статические параметры и данные статического режима.
Следующим этапом проектирования электронных ламп является расчет и конструирование катодного узла (см. § 31.2). В конце этого расчета необходимо вьшолнить проверку катода на механическую прочность (жесткость) и теплоотвод, подогреватель — на свободную укладку в керне катода. Расчет междуэлектродных расстояний следует вести по формулам, приведенным в § 31.3.
Геометрические размеры сетки определяются с учетом расстояния сетка—катод и конструкпда катода. Шаг сетки выбирается из условия
%с,к〃》15,(31.1)
где t — шаг сетки; 飞,к ~ расстояние сетка—катод.
При соблюдении неравенства (31.1) островковый эффект не^ проявляется. Диаметром проволоки навивки сетки и траверс, а также материалом, из которого они изготовляются, задаются.
' Длина навитой части сетки /иав для ламп с оксидным катодом определяется соотношением
^окс < ?нав <
где %кс - длина оксидного покрытия; /из - расстояние между опорными изоляторами.
Различные варианты управляющих сеток и способы крепления витков с траверсами были представлены на рте. 5.2.
[Тепловой расчет анода рассмотрен в § 31.4. Примеры конструкций анодов показаны на рис. 5.3.,
370
Материал анода выбирают в зависимости от вида охлаждения и мощности, выделяемой на аноде (§ 9.4). Допустимые значения температур и удельных мощностей рассеяния материалов, используемых для анодов, охлаждаемых излучением, приведены далее в табл. 31.6.
Расчет электронных ламп заканчивается проверкой тепловой нагрузки баллона. Удельная мощность, рассеиваемая баллоном, равная отношению полной мощности, вьщеляемой в лампе, к рабочей поверхности баллона, приведена в табл. П.1. На основе проведенного расчета геометрических размеров основных электродов ламп производатся общее конструктивное оформление. Выбор формы оболочки, конструкции ножек и материала, из которого они изготовлены, определяется в основном условиями применения проектируемой лампы, т. е. диапазоном рабочих частот, параметрами заданной выходной мощности и габаритными размерами.
Основные виды баллонов и стеклянных ножек ламп приведены на рис. 5.5,5.6.
Для крепления электродов в большинстве маломощных ламп используют пластинки различной конфигурации из слюды (см. рис. 5.4) • В этих пластинках с помощью штампа выбиваются отверстия, форма и_ размеры которых определяются конструкцией электродов лампы и видом их крепления.
Для крепления электродов в более Мощных высокочастотных лампах целесообразно использовать изоляторы из специальной керамики.
Помимо рассмотренных основных элементов в любой лампе применяют вспомогательные детали — упоминавшиеся вышё изоляторы, а также крепе^ые детали (держатели, пистоны, втулки и т. п.), экраны, газопоглотители. Последние обеспечивают высокий и стабильный вакуум в течение всего срока службы лампы. На рис. 5.7 были приведены основные конструкции распыляемых газопоглотителей. Наиболее распространенные типы газопоглотителей приведены в табл. П.2. При конструировании следует по возможности использовать стандартные элементы и крепежные детали лампы.
В заключение следует рассчитать и построить статические характеристики ламп. Для расчета используют формулы закона степени 3/2 для триода [см. (7.3) - (7,5)]. Из характеристик определяют основные параметры лампы в номинальном режиме и сравнивают с заданными.
РАСЧЕТ КАТОДОВ
В гл. 3 были подробно рассмотрены типы катодов и их конструктивное вьшолнение. В настоящем параграфе рассматриваются вопросы расчета и конструирования наиболее распространенных катодов в электровакуумных приборах.
Расчет прямонакального вольфрамового катода состоит из двух этапов: расчета идеального катода, т. е. такого катода, температура по всей длине которого имеет одно и то же значение, и расчета реального катода с учетом поправок на охлаждение в тех местах катода, где он крепится держателями.
Для упрощения расчета введем понятие идеального единичного вольфрамового катода, под которым будем понимать цилиндр, имеющий - длину % м диаметр dK = 1 см.
Сопротивление катода в «агретом состоянии определяется выражением
Кк = Р・4?к/“ 服.(31.2)
Обозначим сопротивление единичного катода
S = 4р/я,”
где р - удельное сопротивление материала катоДа, Ом • см.
Тогда
Кк = к)к〃』.(31.3)
При протекании по катоду тока накала ZH в нем будет вьщеляться мощность, равная
Рн = 7?^к/к,(31.4)
где 7? - удельная мощность излучения вольфрама, Вт/см2.
Мощность идеального единичного катода
尸1 = 0斤 и
Рп = Р i^k^k-(31.5)
Учитывая, что Рн = 44 из (31.3) и (31.5), находим
4 = /便口/2；(31.6)
Таблица 31.L Параметры единичного катода
Т，К ，］,А・см *25，В・см~"2 Pi , Вт • см2 Л1, Ом • см • 106
°000000000°0000000009 2 6 2 112 2 3 43 4 5 6 7IX 1* 1* 1* <19 2 6 2 112 2 3 43 4 5 6 7IX 1* 1* 1* <10,1124148,285,220,1275181,289,650,143621%394,130,1611263,098,660,1797312,7103,220,1124148,285,220,1275181,289,650,143621%394,130,1611263,098,660,1797312,7103,22
°000000000
°000000000
9 2 6 2 1
12 2 3 4
3 4 5 6 7
IX 1* 1* 1* <1
9 2 6 2 1
12 2 3 4
3 4 5 6 7
IX 1* 1* 1* <1
0,1124
148,2
85,22
0,1275
181,2
89,65
0,1436
21%3
94,13
0,1611
263,0
98,66
0,1797
312,7
103,22
0,1124
148,2
85,22
0,1275
181,2
89,65
0,1436
21%3
94,13
0,1611
263,0
98,66
0,1797
312,7
103,22
UnrUMd^2),(31.7)
где /] и Ut — ток и напряжение накала единичного катода, являющиеся только функцией температуры катода.
Ток эмиссии идеального катода определяется выражением
厶=J3irdKlK = I3idKlK,(31.8)
где 厶-плотность тока эмиссии, А/см2; /э1 = я/э 亠 ток эмиссии единичного катода.
Долговечность катода определяется формулой
тк= 2,64я-Ю-4(^к/Л/1),(31.9)
где % = т雷—скорость испарения вольфрама с поверхности единичного катода, г/с.
Параметры единичного катода A, Ult Plt Rlt /э1, Мг и необходимая для расчета катода эффективность Hv приведены в табл. 31.1.
Реальный катод имеет неравномерное распределение температуры по длине. Участки катода, расположенные у держателей, имеют температуру меньшую, чем средняя часть катода, из-за отвода тепла держателями (рис. 31.2). Рабочая температура катода соответствует Ттах>
При расчете реального катода из-за наличия охлаждения концов вводят поправки на уменьшение эмиссии катода и напряжения накала. С учетом поправок напряжение накала и ток эмиссии определяют из выражении:
4=仇(4/屐/2-必 4);(31.10)
Д — ^э1^к^к/э)(31.1 1)
где и — число охлажденных концов; △% — поправка для напряжения накала (приведена ниже); /э — коэффициент, определяющий поправку за счет охлажденных концов,
/э = (^ + 必% -必4声)/(4 + 必4)。(31.12)
В (31.12) А%# — поправка на эмиссию, значения которой приведены ниже:
△%,з，В 0,855 0,890 0,930 0,970 1,010 1,050
”578990 /,222324252628
°'0'0'0'0'”
ю ю о о о о о о о о о о 3 4 5 6 7 8 2 2 2 2 2 2
0,86
0,041
7,9 • ]()Т1
2,0
0,116
4,3-10-10
4,3
0,298
2,03 • 10-9
8,55
0,716
8,4 • 10~9
16,4
1,631
3,2 • 10'8
Я, мА/Вт /ЭЬ А/см2 Mi，г/ (см2-с)
Рис. 31.2. Распределение температуры по длине катода
Число охлажденных концов определяется исходя из конструкции катода. Например, для петлевого катода V-образной формы величина принимается равной трем (рис. 31.3).
Гарантийная наработка вольфрамового катода при постоянном напряжении накала может бьпь определена приближенно по формуле
7% 1,2 • 10'3 (dK/Mi).
Расчет прямонакалыюго карбидированиого катода приближенно может быть произведен с учетом рабочей температуры Г = 2000 К и 30%-ного карбидирования.
Эффективность карбидированного катода при выбранной температуре может быть принята равной 0,040—0,070 A/Вт. Для упрощения расчета будем считать катод идеальным. Тогда можно получить следующие расчетные формулы: для мощности накала Рн = /Э/Я; для тока накала 7H 二尸“
Диаметр катода при заданном токе накала 7H определяется из (31.6). В (31.6) ток накала единичного катода при Г = 2000 К равен 1022 А/см3^2. Поэтому диаметр катода, см,
з
厶=，&/1022)L(31.13)
Сопротивление катода
& 二 &厶/娱，(31.14)
где & — сопротивление единичного карбидированного катода при Т = =2000 К, & = 88 • 10-6 Ом . см
Из (31.14) определяют длину катода, полагая RK = Un/In,
4= (4/4s)曝・(31.15)
При расчете реального катода вводят поправку на напряжение накала AU. Для температуры 2000 К поправка на каждый охлажденный конец равна 0,21 В. Длина реального катода, см, с учетом поправки
а + 0,2 In ”
，=ю4(31.16)
Рис. 31.3. Закрепление петлевого ка-Рис. 31.3. Закрепление петлевого ка-
Рис. 31.3. Закрепление петлевого ка-
Рис. 31.3. Закрепление петлевого ка-
Рис. 31.4. Карбидированный катод решетчатой конструкции
При вычислении 7К в (31.16) следует > подставить 4 — в вольтах, ток накала — в амперах, диаметр катода — в сантиметрах.
Расчет и конструирование геометрии карбидированного катода решетчатой конструкции (рис. 31.4) по заданным току эмиссии /э, температуре 4, 30%-ному карбидированию, напряжению накала UH сводится к определению тока, мощности накала и рабочей поверхности одной нити катода, количества нитей, угла их наклона, диаметра и высоты.
Последовательность расчета. По заданной температуре Тк, удельной эмиссии и, используя данные табл. 31.2, определяют мощность нака- ла, Вт,
РнЦН(31.17)
и площадь рабочей поверхности катода, см2,
Пк = /Э/7Э.(31.18)
Задают диаметр проволоки катода и угол наклона нити:厶=0,01 三 05 мм и q = 30 + 60°.
Ток накала и мощность накала на одну нить вычисляют по формулам:
% =32,3娱/2;(31.19)
尸；=/；&・(31-20)
Длина нити накала 7К, рабочая площадь поверхности одной нити ГЦ и количество нитей катода определяют соответственно из выражений:
4= 1,076(尸；/%)，口上=开人4，№nК/n^
Количество нитей, образующих ткань катода, должно быть не менее 20—60. В местах перекрещивания эти нити сваривают точечной свар* 375
Таблица 31.2. Зависимость Уэ и Я от температуры
Т, к
А/см
Н、мА/Вт
Т, к
丿 А/см
Н、мА/Вт
1300
4,14 • 104
0,161
1900
1,59
85,4
1400
3,12 • 1(Г3
0,814
2000
2,89
120
1500
0,0179
3,24
2100
3,43
112,4
1600
0,0817
10,55
2200
1,24
32,5
1700
0,287
27,0
2300
0,114
2,42
1800
0,772
54,4
2400
0,168
2,91
кой. Верхние и нижние их концы приваривают к сплошным дискам - электродам (см. рис. 9.6).
Определив ток накала на одну нить и выбрав число нитей катода, определяют необходимую мощность накала
(31.21)(31.21)尸 н,рас = /；/%4
(31.21)
(31.21)
и сравнивают ее с рассчитанной по (31.17).
Если окажется, что 尸н,рас не соответствует требуемой Рн, то необходимо подобрать диаметр проволоки dK и число нитей N катода.
Диаметр катода Лк, высота катода Як и расстояние между пайками на ободе а , мм (рис. 31.4), определяют соответственно по формулам:
Лк = (27ксоза/я),
где а — угол наклона нити катода,
"к =，曝一 64/2)2; 。= (2叫)/М
Расчет оксидных катодов косвенного накала по заданной постоянной составляющей анодного тока 厶0 или тока в импульсе /а)и (для импульсных ламп) сводится, по существу, к определению геометрических размеров катода и данных питания подогревателя.
Допустимые плотность тока в непрерывном и импульсном режимах в зависимости от типа лампы и рабочей температуры приведены в табл. 31.3.
Таблица 31.3. Некоторые параметры оксидного катода косвенного накала
Тип лампы
Tq к
2
Jо» мА/см
Усилительная
950-1000
5-10
Малогабаритная
950-1000
10-20
Выходная
1050-1150
20-80
Выпрямителжая
1050-1150
50-90
Генераторная
1100-1150
70-250
Импульсная модуляторная
1100-1150
5 00-3 000
Рис. 31.5. Конструкция керна оксидного катода
По выбранным значениям Jo (7И) определяют площадь рабочей поверхности Покс, покрытую оксидом:
^окс =『а。/，。加 М ^окс = /а,н/'о“
Зная величину Покс, конструируют катод. Длину оксидного покрытия вычисляют по формуле
?окс 二 ^окс/Р，
где р — рабочий периметр катода. Суммарная длина концов катода 厶 и /2, не прокрытых оксидом (рис. 31.5), составляет около 7 мм, а зазор между оксидным покрытием и изоляторами — не менее 0；8— 1,2 мм.
При конструировании катода необходимо учесть отвод тепла изоляторами и соединителем катода, а также оценить механическую прочность (жесткость) по формуле
^иэ/^к = 8：20,(31.22)
где /иэ - расстояние между изоляторами; dK 一 диаметр керна катода.
Меньшее значение (31.22) соответствует толщине стенки керна катода 0,05 мм, а верхнее — 0,1 мм.
Зависимость удельной мощности накала % от расстояния между изоляторами (рис. 31.6) является исходным для определения полной мощности и тока накала:
尸н = Рн Пк，『н 二尸н/ Uh*
Приближенный расчет подогревателей. Исходными данными для расчета являются: ток и напряжение накала, удельное сопротивление материала и удельная мощность, рассеиваемая проволокой подогревателя.
Температуру подогревателя определяют по приближенной формуле
Тц* Тк+ (350 2 500) К,
где Тк и Тп — значения температуры катода и подогревателя.
В табл. 31.4 приведены удельные сопротивления рп и удельные мощности р„ нити подогревателя для различных материалов в зависимости от температуры.
6?/”6?/”夕 481216 2Q 2428 3236 4夕"月夕 481216 2Q 2428 3236 4夕"月
6?/”
6?/”
夕 481216 2Q 2428 3236 4夕"月
夕 481216 2Q 2428 3236 4夕"月
刀
Рис. 31.6. Зависимость удельной мощности накала оксидного катода от расстояния между изоляторами:
а - Ь- 0,05 мм; 6-3 = 0」мм
Пользуясь указанными данными, определяют диаметр и длину про- волоки
%ГТ"师Nh%ГТ"师Nh
%ГТ"
师Nh
%ГТ"
师Nh
Таблица 31.4
Материал подогревателя
1300 К
1400 К
1500К
Рп，1 戸
Ом • см
Вт/см2
Рп，106
Ом • см
Pm 2 Вт/см
Рп，106
Ом • см
Вт/см
Вольфрам
34,1
207
37,2
3,83
40,3
5,5
Сплав МВ-50 35,7
3,8
38,7
5,2
41,0
6,8
Сплав ВР-20
56,3
—
59,1
3Q6
61,8
—
Длина свободных концов, не покрытых изолирующим веществом — алундом, выбирается обычно в пределах 3—4 мм.
При изготовлении подогревателя в форме спирали число его витков определяется выражением
«2)2 - J и =
где % и 壮口 一 диаметр и длина проволоки подогревателя;丄一длина спирали; D — диаметр керна, на который навивается спираль; а — коэффициент, равный 1 для обычной спирали и 2 - для бифилярной.
Расчет оксидных катодов прямого иакала. Исходными данными при расчете являются: напряжение накала %, постоянная составляющая анодного тока /@0，удельная мощность, излучаемая поверхностью оксидного слоя р：кс，рабочая температура Тк.
Необходимые для расчета катода значения температуры и эффективности для различных типов приборов приведены ниже:
Максимальная
Средняя рабо-
Вид прибора
Стеклянные усилится ы<ые
рабочая температура керна Т, К
чая эффективность Яр, мА/Вт
лампы
Пальчиковые н миниатюр-
950-1050
20-40
ные усилительные лампы
1000-1250
30-70
Выпрямительные лампы Генер аторные л ампы и лампы для усиления мощ-
1050-1150
10-30
но ста
1050-1200
30-80
Для катодов большого
диаметра при толщине оксидного слоя 50—
70 мкм перепадом температуры между керном и активным слоем можно пренебречь. При этом условии приближенный расчет ведут по формулам:
^Я^ PGKC^K^Kf(31.23)
Pt^^di}(31.24)
379
%W WOO 12007,к
9 8
6 5 4 3 2 * о/ав сли
900 WOO
1100 7200 丁,К
Рис. 31.7. Зависимость мощности излучения оксидного катода от температуры
Рис. 31.8. Зависимость функции 长丁 от максимальной температуры для вольфрама и никеля
(31.25)(31.25)для керна круглого сечения;
(31.25)
(31.25)
尸н 二 Рокс * 22K (〃 + b)； Rh = & (?к/〃b)
для ленточного кахода шириной а и толщиной 6, см, при условии, что вся длина покрыта оксидом.
Удельная мощность излучения р/с，Вт/см2 может быть определена по формуле, предложенной Б. П. Козыревым,
pJkc = 1,7 • 10ТЗ*，4
или графическим путем (рис. 31.7). Удельное сопротивление различных материалов, применяемых для изготовления прямонакальных катодов, приведено в табл. 31.5.
Положив 尸н =『н& м % = UK% н решив, например, систему уравнений (31.23) и (31.24), получим выражение для диаметра катода и
Таблица 315 Зависимость удельного сопротивлении материала кериа от температуры
Материал керна
р, 10^ Ом • см, при температуре, К
900
1000
1100
1200
Чистый никель
42,6
45,7
48,8
51,9
Кремнистый никель
45,3
48,6
51,9
55,2
Вольфрам ВА
21,9
24,9
27,9
31,0
Вольфрам ВР-20
45
47,5
50
52,5
его длины
, 4рЗ
⑶ 26)
где 3 二 doKc/dic 2 + 3.
Реальная длина катода с учетом поправки за счет охлажденных участков
?к = 7к,нд + кА?, где и — число охлажденных участков катода;
仅=*"К/ " 4二，
здесь кг — коэффициент, зависящий от температуры (рис. 31.8).
Расчет катодов 2 * 10 + 30 мкм из-за большого перепада температуры внешней поверхности катода и керна, а также различных значений их удельной мощности затруднителен. В этом случае используют экспериментальные методы определения необходимых данных для расчета..
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ
Расстояние между катодом и анодом для диода определяют из выражения для крутизны характеристики:
для плоских электродов
5=3,5・10- *%1/2,(31.27)
где ха — расстояние катод-анод; Па — площадь действующей поверхности анода.
Для данной системы электродов Па равна удвоенной площади проекции катода на анод (рис. 31.9). При этом ширина проекции катода равна удвоенному расстоянию ха. На рис. 31.9 h — высота анода; а — раствор петли (ширина между нитями катода).
При ха<а площадь проекции одной петли
Па= 2/?ха(1 - xja).(31.28)
Когда катод имеет ^ петель, то уравнение для крутизны характеристики имеет вид:
к8тхаЛ (1 一 Хя/а)…
^ = 3,5 • 10^ ―~— U”(31.29)
Рис. 31.9. Проекция катода на анод
Рис. 31.10. Цилиндрическая конструкция с подогревным катодом круглой формы
для цилиндрических электродов
(31.30)
где % - радиус анода;俨=”力〜)приведена в табл. ПЗ. При отношении rjrK < 2 можно считать /З2 = (1 - гк/га)2, что часто имеет место на практике; Па — площадь действующей поверхности анода,
па = 2打》•
Уравнения (31.29) и (31.30) решаются относительно ха и га.
Расстояние сетка—катод для триодов, приведенных к эквивалейтно- му диоду, определяют из следующих выражений.
Для цилиндрической системы электродов с подогревным катодом (рис. 31.10)
(3131)(3131)s = з,5 • юг 窑 q】/2. гс Р
(3131)
(3131)
Уравнение (3131) справедливо при отрицательном напряжении на сетке 〃 V 0. Здесь Пс — площадь действующей поверхности сетки, равная 2"^；伊=〃々/入)，или 俨=(1 - rK/rc)2； - действующий потенциал. Полагая rjrc < 5,4, находим га.
Для цилиндрической системы электродов с прямонакальным катодом (рис. 31.11):
S=3,5T0'-^-屮/2； Пс=2ягсй；伊=L (31.32).
Рис. 31.12. Плоская конструкция с подогревным катодомРис. 31.12. Плоская конструкция с подогревным катодомРис. 31.11. Цилиндрическая конструкция с прямонакальным катодомРис. 31.11. Цилиндрическая конструкция с прямонакальным катодом
Рис. 31.12. Плоская конструкция с подогревным катодом
Рис. 31.12. Плоская конструкция с подогревным катодом
Рис. 31.11. Цилиндрическая конструкция с прямонакальным катодом
Рис. 31.11. Цилиндрическая конструкция с прямонакальным катодом
Аналогично предыдущему случаю находят га из соотношения rjrc < < 5,4.
Для плоской конструкции электродов с прямонакальным катодом (рис. 31.9) эффективная (действующая) поверхность для анода, расположенная на месте сетки триода, рассчитьшается аналогично диоду:
Па = Пс = 8mXgh (1 - xja)(31.33)
и
S = 3,5 - IO-6^д1/2-(31.34)
Для плоской системы электродов с подогревным катодам, (рис.31.12)
Пс = 2lKh и
S = 3,5 '10-^2—屮/ •(3135)
Для плоских электродов 俨=1. Решив уравнения (31.34) и (31.35), определим расстояние сетка—катод хс для плоских электродов
xjxc < 3,8.
При цилиндрическом подогревном катоде и овальной сетке (смешанная система электродов) величину г© (см. рис. 31.1, г) определяют по формуле
S= 3,5 TOY 7 :黯 и册,(31.36)
где у - коэффициент охвата катода, равный 0,4—0,8.
Для определения наименьшего расстояния сетка-анод (а < 0,4) может быть использована формула Олендорфа:
衅衅"а, с"а, с△△ГТГТ
衅
衅
"а, с
"а, с
△
△
ГТ
ГТ
где Г и △ - функции коэффициента заполнения сетки а (см. табл. П4). Коэффициент а определяется соотношением а = d/t, где d — диаметр проволоки, витков сетки.
РАСЧЕТ АНОДОВ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Основные виды конструкций анодов с естественным охлаждением, применяемых в различных типах ламп, приведены на рис. 5.3. Исходными данными для расчета анодов является режим работы электронной лампы (% /а，4，н，&，/с). Расчет анода начинают с выбора материала. Допустимые температура и удельная мощность рассеяния определяются данными материала (табл. 31.6).
Площадь поверхности, обеспечивающая выбранную температуру, может быть найдена из выражения
见=尸а/Рув
где ?а — полная мощность, рассеиваемая анодом, определяемая уравнением
% = 〃厶 + 4кЛ< + 4』с，
где Рн - мощность накала катода; Рс — мощность, излучаемая сеткой; 4к и Qc - коэффициенты, определяющие долю мощности накала и сетки, поглощаемой внутренней поверхностью анода. Эти коэффициенты зависят от геометрических размеров лампы и всегда меньше 1. Для маломощных ламп множителем q/c можно пренебречь. Для плоской и смешанной конструкции электродов qk = 1. Для цилиндрической системы электродов qk можно определить по приближенной формуле:
"к* / +(F~ J2/—，
где I — активная длина системы электродов, равная длине анода и катода.
В открытых конструкциях анодов, в частности, когда Za = da, коэффициент 4к《L
Если при расчете окажется, что Па < Па0, где Па0 — площадь поверхности анода, воспринимающая ток, то, очевидно, температура анода не превышает допустимую. В противном случае, т. е. когда Па > > Па0, следует применять охлаждающие ребра.
Таблица 31.6. Допустимые значения температур н удельных мощностей рассеяния материалов, веполъзуемых для анодов, охлаждаемых излучением
Материал анода
Допустимая темпе- О
ратура, С
Допустимая удельная МОЩНОСТЬ Руд, Вт/см2
Белый никель
700-850
1,0-1,5
Белый никель в лампах с оксидным
400-450
0,2-0,3
катодом
Черненый никель
700-850
2,8-4,2
Черненый никель в лампах с оксид-
400-450
0,8—1,2
ным катодом
Молибден белый
1100-1150
4,0-6,0
Молибден цирконированный
900-950
8,0-10,0
Тантал
1250-1300
8,0—8,5
Графит
1400-1500
45,0-50,0
Площадь поверхности охлаждающих ребер анода
Пр = Па — Па0.
При определении геометрии ребер следует учитьшать, что каждое ребро охлаждается с двух сторон.
Ширина ребра выбирается равной
Гр = 0,1 +0,7 см.
Площадь поверхности одного ребра
пр Н 2g%，
где % — периметр адода.
Число ребер
N = Пр/П；
и расстояние между ребрами
/р = 2кг JN.
При этом должно вьшолняться неравенство Zp〉fp, при котором взаимная экранировка отсутствует.
Глава тридцать вторая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При конструировании нового ЭЛП необходимо, прежде всего, разработать ЭОС, обеспечивающую заданные траектории электронов. Известны два основных метода решения этой проблемы.
При первом - прямом методе решения этой задачи заданными являются траектории электронов и по ним необходимо определить конфигурацию и потенциалы электродов или форму катушек и токи, обтекающие их.
При втором методе решается обратная задача. В этом случае задают форму и потендаалы электродов, данные катушек и определяют поля, создаваемые этими системами. После этого находят траектории электронов. Если траектории электронов не соответствуют заданным, то методом последовательных приближений путем изменения конст^кции электродов или катушек задача решается до тех пор, пока не будет получен положительный результат.
Следует отметить, что реализация обоих методов строго аналитическим путем в большинстве практических случаев представляется очень сложной и трудоемкой задачей, а иногда просто невозможной. Поэтому для определения полей и расчета траекторий электронов в них созданы приближенные расчетные и экспериментальные методы, позволяющие достаточно быстро и с приемлемой точностью решать эти задачи.
При наличии базовой конструкции ЭОС часто пользуются эмпирическими методами разработки ЭЛП. В этом случае геометрические размеры и питающие напряжения базовой конструкции ЭОС корректируются до получения требуемых параметров.
МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Для определения электрических полей широко используют метод моделирования полей на электролитической ванне. Благодаря простоте, приемлемой точности он получил распросгранение в лабораторной практике. Метод основан на аналогии между электростатическим потенциальным полем в вакууме и полем токов в однородной проводящей среде.
Для определения поля этим методом металлические электроды, являющиеся моделыо исследуемой ЭОС, погружают в электролит. В качестве электролита мож^т быть использована слабо подкисленная или обычная водопроводная вода. При задании электродам модели потенциалов, пропорциональных потенциалам электродов исследуемой ЭОС, распределение потенциалов в электролите будет совпадать с распределением 386
Рис. 32.1. Схема установки с электролншчеошй ванной
потенциала в вакууме. Схема установки с электролитической ванной приведена на рис. 32.1. Модель исследуемой ЭОС, разрезанной по плоскости симметрии, погружают в ванну так, чтобы поверхность электролита совпадала с плоскостью разреза. Электроды модели изготовляют из проводящего материала (железа или технической стали). Питание электродов осуществляют переменным напряжением частотой 50 Гц. Использование постоянного напряжения для этой цели нежелательно из-за электролиза. В качестве нуль-индикатора в цепи зонда может быть использован осциллограф или электронный вольтметр, практически не потребляющий тока. Определение электрического поля, т.е. нахождение положения соответствующих эквипотенциальных поверхностей, производится следующим образом. С помощью зонда измеряют распределение потенциала в поле модели. Для этого зонд с заданным потенциалом опускают в любую точку электролита. Из-за различия потенциалов в выбранной точке электролита и зовда в цепи последнего будет протекать ток. Меняя положение зонда, можно найти такие точки, где ток через зонд, фиксируемый индикатором, станет равным нулю. Совокупность найденных точек образует эквипотенциальную линию. Изменяя напряжение на зонде и добиваясь, чтобы ток в его цепи был равен нулю, находят другие эквипотенциальные линии. Построение
Рис. 322 Поле двух соосных цилиндров
эквипотенциальных линий на бумаге можно автоматизировать. На рис. 32.2 приведено измеренное на электролитической ванне распределение потенциала в поле двух цилиндров.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ТРАЕКТОРИЙ
Задача расчета ЭОС, электрическое поле которой известно, сводится к нахождению траекторий электронов. Для определения траекторий электронов в электронных линзах используют приближенные графоаналитические методы. Наибольшее распространение получили метод ломаной, основанный на законе преломления, и метод радиуса кривизны.
Первый метод целесообразно применять тогда, когда эквипотенциальные линии имеют малую кривизну, а второй - когда кривизна значительна.
Метод ломаной. Допустим, нам известно электрическое поле исследуемой системы, представленное в виде совокупности эквипотенциа- лей (рис. 32.3). Рассмотрим две соседние эквипотенциали, имеющие потенциалы 4 H 5, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. Эквипотенциальные поверхности на небольшом участке можно считать плоскими. При таком условии изменением напряженности поля можно пренебречь и считать поле однородным. Потенциал между двумя эквипотенциалями определяется как средаее арифметическое значений ^потенциала, соответствующих этим эквипотенциалям, т.е.
U= (S + &)/2・
Пусть электрон подходит к эквипотенциали 弘 под углом а относительно ее нормали NN. Угол 0 можно определить по закону преломления из соотношения
sina/sin/3 = VZ^ + ^/V^ + ^i , которое определяет траекторию электрона на отрезке между следующими двумя потенциалями. Повторяя процесс построения последовательно для каждой поверхности раздела, можно построить всю траекто- 388
Рис. 32.3. Графическое построение траекторий электронов методом ломаной
Рис. 32.4. Графические построение траекторий методом радиусов кривизны
рию электрона. Данный метод позволяет строить траекторию с погрешностью 3—5%.
Метод радиусов кривизны заключается в уподоблении траектории электронов между двумя соседними эквипотенциалями дуге окружности (рис. 32.4). Радиус окружности (кривизна траектории) определяется из условия равенства центростремительной и центробежной сил, действующих на электрон,
恤=mgR,(32.1)
где Е" - нормальная к траектории составляющая напряженности электрического поля. Скорость электрона в (32.1) выразим через разность •потенциалов те^/2 =eU9 получим радиус кривизны траектории R =
=20Е". Величину R и положение центра дуги траектории движения электрона можно определить графически.
Пусть электрон пересекает первую эквипотенциаль U* в точке А. Проведем из этой точки нормаль к эквипотенциали до пересечения в точке В со следующей эквипотенциалью &. Полученный отрезок АВ совпадает по направлению с вектором напряженности поля Е.
Затем проведем нормаль к траектории электрона в точке / — прямую т. Очевидно, что нормальная к траектории электрона составляющая Ед направлена вдоль прямой т.
Из точки В проведем касательную к эквипотенциали U2 до пересечения ее с прямой т в точке С Напряженность поля между эквипотенциалями % н 〃 равна (弘-U J [АВ.
Из рис. 32.4 следует, что
|耳| =|Ecosa[ = [(^ - U^/ABjcosa.
Потенциал в области между двумя эквипотенциалями & и 玄，как
389
ив предыдущем методе,равен U=(U\ + ^)/2. Тогда
及—一 "п~птт『=一 "77F~《С(32.2)
Ем % 一 Ui cos a 弘 一 5
На прямой m откладываем отрезок /О, равный R-~ 歹二万-AC. После этого с помощью циркуля проводим дугу из точки О через точку А до пересечения с эквипотенциалью U2. Затем описанное выше построение повторяется. Таким образом траектория приближенно представляется рядом сопряженных дуг. Относительная ошибка построения траекторий этим методом составляет 2—3%.
Оба рассмотренных метода построения траектории электронов являются трудоемкими. Для увеличения точности определения траекторий созданы автоматические устройства — траектографы.
В последние годы достигнуты успехи в области машинного проектирования ЭОС. Машинное проектирование базируется на изложенных выше методах расчета траекторий и построения полей в аналоговом виде и используется при обработке результатов ЭВМ.
32・4. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОТКЛОНЯЮЩИХ СИСТЕМ
Электростатические системы, отклоняющие электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, помещаются внутри прибора и располагаются по ходу луча последовательно одна за другой. В § 17.1 был рассмотрен наиболее простой случай отклонения электронного луча электрическим полем плоскопараллельцьхх пластин и приведены формулы для расчета чувствительности этих пластин. Подобные системы ограничивают предельный угол отклонения и в настоящее время ис・ пользуются редко. Существенный выигрыш в угле отклонения можно получить, применяя косо поставленные, согнутые под углом или изогнутые по некоторой кривой, отклоняющие пластины. Рассмотрим отклонение электронного луча полем этих пластин.
Чувствительность к отклонению косо поставленных пластин (см. рис. 17.12,а) вычисляется по формуле
$откл= 2%32-di)由石$откл= 2%32-di)由石(32.3)(32.3)
$откл= 2%32-di)由石
$откл= 2%32-di)由石
(32.3)
(32.3)
где 〃 一 ускоряющее напряжение; L — расстояние от экрана до центра отклоняющих пластин.
При одинаковых габаритных размерах плоскопараллельных и косо поставленных пластин чувствительность последних в 15 раза выше плоскопараллельной системы.
Идеальной является система, форма отклоняющих пластин которой совпадает с траекторией электронного луча (см. рис. 17.2, в). Линия
изгиба таких пластин описывается экспоненциальной функцией
厶=dxe^Ax^,
где А = V2矶/U\ х = tgamax.
Длину пластин можно определить из приближенного уравнения
心心—(4x)2 1 +—(4x)2 1 +(Ax')2(Ax')2(А^(4x)6,“х)8+10+ —42 — + 516 一 +…(А^(4x)6,“х)8+10+ —42 — + 516 一 +…
心
心
—(4x)2 1 +
—(4x)2 1 +
(Ax')2
(Ax')2
(А^(4x)6,“х)8
+10+ —42 — + 516 一 +…
(А^(4x)6,“х)8
+10+ —42 — + 516 一 +…
(32.4)
Вычислив значение /х и задавшись расстоянием на входе 心,можно определить чувствительность, которую обеспечивают пластины оптимальной формы при определенной длине пластин. Чувствительность Зотку данной системы, при прочих равных условиях, в 2 раза выше чувствительности системы, образованной плоскопараллельными пластинами. Идеальная отклоняющая система нетехнологична при изготовлении и сборке. По этой причине, несмотря на достаточно высокую чувствительность, она не получила широкого распространения.
Чаще всего в осциллографических ЭЛТ применяются одндкратно изломанные пластины (см. рис. 17.2, б). Чувствительность к отклонению таких пластин рассчитьшается по формуле
(32.5)(32.5)с 2 / “1 厶
(32.5)
(32.5)
откл"
Чувствительность этой системы при равных габаритных размерах (длине пластин, угле отклонения) и прочих равных условиях занимает промежуточное положение между оптимальными и плоскопараллель-L^ ными пластинами.
При расчете отклоняющих пластин обычно задают их длину и максимальный угол отклонения. Длина пластин ограничивается габаритными размерами трубки, а угол отклонения, при больших его значениях, —дефокусировкой луча, а при малых — увеличением длины прибора. Как правило, значение угла отклонения выбирается в пределах 10—18°.
В современных осциллографических трубках с электростатическим отклонением чувствительность обычно не превышает 3 мм/В.
Махтапные системы, отклоняющие электронный луч в ^заданном направлении, как указывалось в § 17.3, состоят из катушек, обтекаемых током и расположенных с внешней стороны йрибора — на горловине баллона трубки. При этом возможна ориентация катушек (рис. 32.5). В первом случае магнитные поля складываются параллельно (рис. 32.5, а). Второй случай включения является более экономичным, так как позволяет использовать для отклонения большую часть м^нит- кого потока.
tewtewРис. 32.5. Включение отклоняющих катушек: а - параллельное; б - последовательноеРис. 32.5. Включение отклоняющих катушек: а - параллельное; б - последовательное
tew
tew
Рис. 32.5. Включение отклоняющих катушек: а - параллельное; б - последовательное
Рис. 32.5. Включение отклоняющих катушек: а - параллельное; б - последовательное
Для концентрации магнитного поля в области прохождения электронного луча часто применяют сердечники (магнитопровод), изготовляемые из материала, имеющего высокую магнитную проницаемость.
По конструктивному оформлению современные отклоняющие системы делят на следующие типы: без магнитопровода, с наружным магнитопроводом (рис. 32.6), с внутренним магнитопроводом (рис. 32.7), комбинированные отклоняющие системы.
Системы без магнитопровода собирают из катушек седлообразной формы. Последние устанавливают на каркасе 五3 изоляционного материала. Для фиксации катушек в каркасе предусматривают спехдааль- ные выступы или пазы. Из-за низкой эффективности подобные системы имеют ограниченное применение в аппгфатуре.
В системах с внешним магнитопроводом (рис. 32.6) катушки размещаются непосредственно на горловине трубки и заключаются в цилиндр, изготовляемый из высокочастотных магнитных материалов. Конструкции подобного типа применяются на практике.
В койструкции отклоняющей системы с внутренним магнитопроводом (рис. 32.7, а) замкнутый прямоугольный сердечник выполнен из набора тощсих стальных пластин подобно сердечнику трансформатора： На сердечнике расположены четыре катушки, обеспечивающие требуемый угол отклонения электронного луча. Такая конструкция обладает серьезными недостатками: сложность получения нужной формы отклоняющего поля, громоздкость, значительная масса, трудоемкость при сборке.
Для уменьшения внешних размеров отклоняющей системы сердечнику может быть придана цилиндрическая форма (рис. 32.7, б). Общим недостатком конструкций (рис. 32.7, а и б) является малая эффективность из-за значительных потоков рассеяния, не участвующих в отклонешга электронного луча.
-Комбинированные отклоняющие системы нашли широкое применение в современных кинескопах' с большими углами отклонения, а также в системах портативных видеоустройств. В таких системах 392
Рис. 32.6. Отклоняющая система с наружным магнитопров одом (вид системы со стороны экрана):
/ - катушка горизонтального отклонения; 2 — катушка вертикального отклонения;
3 - магнитопровод
внутренний сердечник одной пары катушек является наружным магнитопроводом второй пары катушек. Сердечник обычно изготовляют из оксифера (фер
ромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью) цилиндрической или колоколообразной формы.
В отклоняющих системах используют также сердечники статорного типа, которые собираются аналогично статору электромотора из пластин пермаллоя или изготовляются сплошными из оксифера. В таких системах катушки вьшолняют в виде отдельных секций и укладывают в специальные пазы сердечника. Системы статорного типа высокоэффективны, но в них трудно получить требуемое распределение магнитного поля в пространстве. Помимо того, они сложны в изготовлении и дороги. По этой причине системы статорного типа нашли огра
ниченное применение.
Конструкция отклоняющей системы для цветного кинескопа существенно сложнее, чем для черно-белого. Объясняется это, во-первых, тем, что анодное напряжение и диаметр горловины больше, чем у чернобелого кинескопа, а это, как известно, вызывает существенное увеличение энергии отклонения в поле отклоняющих катушек. Во-вторых, от точности изготовления отклоняющей системы и ее установки на горловине кинескопа в значительной степени зависят чистота цвета и геомет
рические искажения.
Для цветных кинескопов целесообразно использовать отклоняющие системы с наружным магнитопроводом, расположенным поверх отклоняющих катушек, и отклоняющие системы комбинированного типа.
В современных цветных кинескопах с щелевой маской и компланарной ЭОС применяются комбинированные отклоняющие системы типа седло—тор, седлообразная 一 для строчной развертки, тороидальная —для кадровой. Совершенствование отклоняющих систем ведется в направлении уменьшения их размеров, требуемой мощности отклонения и уменьшения геометрических искажений электронного растра.
Конструирование магнитных отклоняющих систем (ОС). При конструировании систем основными исходными данными являются габаритные размеры ЭЛП, угол отклонения пучка, значение ускоряющего напряжения, закон отклонения, предполагаемая схема генераторов раз-
Рис. 32.7. Отклоняющие системы с внутренним магнитопроводом:
д — с внутренним магнито проводом из Г-образных пластин; 6 — обший вид цилиндрической системы; в — вид спереди с разрезом; 1 — магнито провод; 2, 3 — катушки горизонтального и вертикального отклонения; 4 - внутренняя и внешние гильзы
верток, значение разрешающей способности и допустимые геометрические искажения. При этом следует учитывать как общие требования, предъявляемые к отклоняющим системам (см. § 17.1), так и специальные. Электрические параметры ОС (ивдуктивность катушек, омическое сопротивление и распределенная емкость) выбирают с учетом работы с конкретным генератором развертки, конструкция отклоняющей системы должна быть технологичной.
Расчет системы начинают с выбора внутреннего диаметра ОС. Последний определяется максимальным диаметром горловины ЭЛП. Для ЭЛП, имеющих высокую разрешающую способность и незначительные геометрические искажения, предусматривают возможность юстировки ОС. Для этой цели внутренний диаметр каркаса следует увеличить на 3—4 мм по сравнению с максимальным диаметром горловины прибора.
Для расчета МДС катушек задают приблизительную толщину намотки из условия
Кн/Кв а 1,3 7,4,(32.6)
где &н и &в - соответственно наружный и внутренний радиусы намотки. Они определяются диаметром горловины прибора и толщиной каркаса.
Длину магнитопровода ОС L ориентировочно определяют по формуле
入==.
У У-го\
Величины Lr, го, у и 入 приведены на рис. 32.8.
394
(32.8)(32.8)Рис. 32.8. К расчету длины отклоняющей системы.
(32.8)
(32.8)
Магнитодвижущую силу отклоняющих седлообразных и тороидальных катушек с магнитопроводом при £ » »入 определяют по формуле
_ 0,52tga\/7^R
М (0 1入一b1入‘)cosw'
где 入,=入一5R; R — радиус системы; % — ускоряющее напряжение; а — угол отклонения пучка;入—половина длины ОС; cos 屮一косинус угла, определяющего расположение витка намотки относительно плоскости симметрии. Значения коэффициентов 。八儿 приведены в табл. П.5.
В качестве магнитопровода можно использовать оксиферовые кольца, листовую высокочастотную сталь или пермаллой. Угол среднего витка намотки 屮 приближенно выбирают 27—30°.
После расчета или измерений аберраций и выбора закона намотки уточняют расчет МДС по формуле (32.8). Затем выбирается способ соединения отклоняющих катушек.
Следующим этапом проектирования является электрический ра* счет ОС. Индуктивность, мГн, отклоняющих катушек для случая рис. 32.5, б может быть рассчитана по формулам, предложенным Л. И. Лубоятниковым и И. А. Хвылей:
для седлообразных катушек с отогнутыми витками
£ = 247rxM -10~6;(32.9)
для тороидальных катушек без медного экрана
£ =24Т,8入* . 10-6;(32.10)
для тороидальных катушек с медным экраном
2= 24叭 М • 10"6,(32.11)
где w — число витков.
Величина % в (32.9) — (32.11) определяется так:
入 1 = 2入 1 + 0,224т，
где 2入一длина магнитопровода; 4 T — внутренний диаметр магнитопровода.
Сопротивление катушек определяется из соотношения
r=2,23仆w• lOT/d%(32.12)
где ?ср — длина среднего витка намотки, см; диаметр провода без изоляции, мм..
Плотность тока J для выбранного материала вычисляют по формуле
J = (4%)/词2.(32.13)
Значение плотности тока в отклоняющих катушках не должно превышать 2—3 А/ мм2 •
В (32.13) допустимое сечение
d = /25н±У&, ,(32.14)
V 打w
где 5нам - толщина ц^мо*и; /м - коэффициент заполнения.
Для наиболее употребительных значений диаметров провода 0,08— 0,7 мм коэффициент заполнения /м * 0,6 2 0,8.
Завершающим этапом проектирования является уточнение размеров магнитопровода или сердечника. При этом, если окажется, что размеры магнитопровода значительно отличаются от тех, которые были приняты при предварительной оценке, следует уточнить расчет мдс.
325 ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ЭЛТ
Пример 1. Расчет фокусирующей и отклоняющей систем осциллографической ЭЛТ.
Исходными данными для расчета являются: ускоряющее напряжение не более 800 В; диаметр экрана не более 5 см; чувствительность к отклонению не менее 0,3 мм/В; диаметр пятна на экране 0,3 мм; 4 = 6,3 В.
Для расчета электронного прожектора воспользуемся рис. 32.9. Первая линза прожектора является иммерсионным объективом, вторая (фокусирующая или главная проекционная) — одиночная с нулевым током первого анода.
Расчет иммерсионного объектива. Для упрощения расчета зададим следующие условия: электроны покидают катод с начальной скоростью v0 (или с энергией mv0/4kT9 где к — постоянная Больжана, Т ~ температура катода). Для катода с температурой 写 аб = 1^^ К, % * * 0,17 В.
Предполагаем, что линза является идеальной, т. е. не имеет аберраций; кулоновское отталкивание электронов в области формирования скрещивания отсутствует; поле, создаваемое системой, состоящей из
ИзображениеПлоскость катодаИзображениеПлоскость катодаРис. 32.9. К расчету иммерсионного объектива:а - формирование скрещения электронных траекторий; 6 - расхождение пучка за плоскостью скрещения; К - катод; М - модулятор; Л - анод; гк и ги - радиусы катода и изображ^ия;體〔н & - показатшщ преломления со стороны катода и изображения;夕i н 銓-апертурные углы;内 一 расстояние от поверхности катода до плоскоста скрещения; Ь\ — расстояние от плоскости скрещения до изображения катода; а - угол расхождения пучка за плоскостью скрещенияРис. 32.9. К расчету иммерсионного объектива:а - формирование скрещения электронных траекторий; 6 - расхождение пучка за плоскостью скрещения; К - катод; М - модулятор; Л - анод; гк и ги - радиусы катода и изображ^ия;體〔н & - показатшщ преломления со стороны катода и изображения;夕i н 銓-апертурные углы;内 一 расстояние от поверхности катода до плоскоста скрещения; Ь\ — расстояние от плоскости скрещения до изображения катода; а - угол расхождения пучка за плоскостью скрещениякатода, модулятора и анода, с достаточной степенью точности можно рассматривать, как поле одиночной диафрагмы модулятора с радиусом ^м，расположенной на расстоянии dKjM и dM>a от катода и анода (см. рис. 16.6). Выберем начало отсчета потенциала на поверхности модулятора 4,к = ° (катодная модуляция).
Изображение
Плоскость катода
Изображение
Плоскость катода
Рис. 32.9. К расчету иммерсионного объектива:
а - формирование скрещения электронных траекторий; 6 - расхождение пучка за плоскостью скрещения; К - катод; М - модулятор; Л - анод; гк и ги - радиусы катода и изображ^ия;體〔н & - показатшщ преломления со стороны катода и изображения;夕i н 銓-апертурные углы;内 一 расстояние от поверхности катода до плоскоста скрещения; Ь\ — расстояние от плоскости скрещения до изображения катода; а - угол расхождения пучка за плоскостью скрещения
Рис. 32.9. К расчету иммерсионного объектива:
а - формирование скрещения электронных траекторий; 6 - расхождение пучка за плоскостью скрещения; К - катод; М - модулятор; Л - анод; гк и ги - радиусы катода и изображ^ия;體〔н & - показатшщ преломления со стороны катода и изображения;夕i н 銓-апертурные углы;内 一 расстояние от поверхности катода до плоскоста скрещения; Ь\ — расстояние от плоскости скрещения до изображения катода; а - угол расхождения пучка за плоскостью скрещения
Используя в качестве аналога ЭЛТ типа 5ЛО38И, зададимся следующими данными: %м 二 0J5 мм; dMj3 = 2,5 мм; 5М = 0,1 мм; & = =0,35 мм.
В расчете использованы приближенные выражения^ полученные во время теоретических и экспериментальных исследований Ю. И. Койф- манЬм, В. В. Цыганенко, В. П. Мартьшовой и П. А. Тарасовым, позволяющие достаточно просто рассчитать характеристики прожектора.
Запирающее напряжение катода определяется выражением
4。F F；卜八F —力又， (32.15)
где /- функция аргумента 0к,м+@м)/&м (рис. 32.10): / 管丁 6м )=/(0)71) =0,74;
4о = я/4(0 3 5/2,5)(1 - 0,74) • 800 = 23 В.
，к в &м，к в &мформулеформуле- f I V2 J + i (1^7) _- f I V2 J + i (1^7) _Радиус рабочей поверхности катода определяется по (16.8)
，к в &м
，к в &м
формуле
формуле
- f I V2 J + i (1^7) _
- f I V2 J + i (1^7) _
Управляющее напряжение t согласно (16.9) лежит в интервале 0 < < г < 1.
Для определения коэффициента а воспользуемся формулой (16.10) и графиком функции /(^к,м/^м) (рис. 32.10):
f (%м/Км) = /(0,15/0,35) = /(0,43)亍 0,52;
a =a =0,75(1 + 0,2dKjM//?M)]_ 0,75 (1 + 0,2 • 0,43) 一 ° 57
a =
a =
После подстановки a и ^м в формулу для гк получаем значение радиуса рабочей поверхности катода: 0 < гк《0,35 мм, гк < 0,35.
Максимальную плотность тока, А/мм2, в центре катода (при г =0) определяем по (16.11)
Полагая t - 1, соответствующее максимальному току с катода, получаем:
J ⑼=2,33 • 10'6• 0,52)• 23З/2 2 3,089 • 10-3 А/мм2.
Расчет модуляционной характеристики. Уравнение модуляционной характеристики имеет вид:
，к = Летах Г”？ (Гк/^м)' ~~»(32.16)
где
7(6)=—1 一 “ I ；(32.17)
8伊 1 [0(1 - б)"?]3
здесь
0 =加；b = al(a + 1).
Функция 7 характеризует неравномерность распределения плотности тока по поверхности катода (рис. 32.11).
Максимальное значение тока катода при UK = UMtK = 0 определяется выражением
L ик,м ' Лм /」
=2,44• 0,52〕• 233/2 -1,26 = 0,5 • 10-3 А = 500 мкА.
(32.18)
Рис. 32.10. Гра4мк функции /(dKj м/^м)
Рис. 32.11. График функции ?(份Рис. 32.11. График функции ?(份При 0 < 0,2 (малый ток) функцию *у(0) можно считать равной 1,2 (рис. 32.11).
Рис. 32.11. График функции ?(份
Рис. 32.11. График функции ?(份
Согласно выражению (16.8), связывающему гк и ^м с учетом того, 4To 7(0)/7(方)1, выражение (32.16) можно переписать в виде
戸/2
/к = IKmax 1 +： (if = 500r3/2/口 + 0,57(1-0].(32.19)
Для построения модуляционной характеристики перейдем от катодной модуляции к сеточной. Для этого в (16.9) взамен UK подставим 厶 к，а вместо Uk0 выражение
(32.20)(32.20)"—ко
(32.20)
(32.20)
ко = - ] _ %,к疯
где 几,ко ~ запирающее напряжение модулятора. Таким образом, получаем:
(32.21)(32.21)KL ~ = 1-4,к/〃+ Um,k/Um,kO・
(32.21)
(32.21)
4，ко= ико1иа Л4，ко= ико1иа Л23»=т = -23-7В-23»=т = -23-7В-Определим 4,ко из (32.20):
4，ко= ико1иа Л
4，ко= ико1иа Л
23
»=т = -23-7В-
23
»=т = -23-7В-
Тогда f = 1 + 0,04厶,к•
Меняя 厶,к (с шагом h ), получаем различные значения ? и 7К. Пример расчета представлен в табл. 32.1.
Таблица 32.1
4,к, в
0
-5
-10
-15
-20
-23,7
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
/к, мкА
500
257
114
37,7
6,1
0
Подобные расчеты можно проводить на программируемых микрокалькуляторах.
Программа расчета 厶,ко, £ и 7K на микрокалькуляторе МК56 имеет вид:
口今х 0 tП->х 1 -г t1 — П-*х 0 6 + х-*П 4 С/ПП-*х 3
f П-х bх 1 + х^П5 С/П 3 个 2；Г1бх5 F ху1
П->х 5 —П->х а х 1+ -г П->х 6х х-*ПС С/П П->х
3 f П-х2 + х-П 3*х 8 - Fх<0 ОО С/П
Ввод: ик0 =П0; q =П1; h =П2; I^max =П6; а =Па; 0,04 =Пв； -25 = П8.
Вьшод:厶,ко = П4; t =П5; 7К = ПС.
Модуляционная характеристика, построенная по данным таблицы, приведена на рис. 32.12.
На характеристике указана рабочая точка РТ, соответствугощая 7K = = 250 мкА (7Л = 50 мкА) и ^м,к --5,0 В.
Угол расхождения за плоскостью скрещения можно определить по приближенной формуле Мосса (см. рис. 32.9, б):
tg а а 〃 а 0,6tg а а 〃 а 0,6d3№ м,аd3№ м,а4,к ~ %,к0 _%,к04,к ~ %,к0 _%,к0
tg а а 〃 а 0,6
tg а а 〃 а 0,6
d3№ м,а
d3№ м,а
4,к ~ %,к0 _%,к0
4,к ~ %,к0 _%,к0
=(0,6 • 0,35/2,53/4)[(5 + 23,7)/23,7] =0/28 рад ^ 7° 20’・
Радиус скрещения гс (рис. 32.9, 〃)для пучка электронов с начальными энергиями eU0 находим по формуле:
々二 а^Щ/и^
где 〃1 — расстояние от поверхности катода до плоскости скрещения, «1 =人/tgU; Uo =0,17 В; % =800 В н 県 二 Км 匕尸；“ _ j = =°^[т^ш] = 0^мм-
1 Т П->х 1 - Т П->х 2x1+ П->х 1
б・ П->х 0 х Х->П 3 *х 4 Т F t9
口今х 3 5 + х-*П а 口今х 5 t П ->х 6
+ F л/ТГ-^х а х х-*П в С/П
Ввод: ^м = ПО; t =П1; « =П2; гк =ПЗ; 0 =П4; Uo =П5; U = LI6; а 1 = Па.
Вьшод: гс =Пв.
Расчет главной проекционной линзы. Как было указано (см. § 16.2), главная проекционная линза отображает скрещение, создаваемое иммерсионным объективом в виде пятна на экране ЭЛТ.
Задавшись радиусом отверстия диафрагмы второго анода ^а2, ускоряющего электрода ^у >э, равным 0,45 мм, и расстояниями между электродами а =30 мм, b = 130 мм, Jo =4 мм (рис. 32.13), вычисляем апер- турньш угол со стороны скрещения 力
tg7i = &2/(。一d。)= 0,45/(30 — 4) =0,173,力 & 1°.
Плоскость скрещения выбираем на равном расстоянии между модулятором и ускоряющим электродом.
Радиус отверстия диафрагмы первого анода определим из условия Rai > atg%; atg7i = 30 -0,0173=0,52.
Выбираем Ла1 = 2,0 мм, Что практически исключает перехват электронов первым анодом.
Для определения радиуса пятна на экране ЭЛТ воспользуемся теоремой Лагранжа—Гельмгольца (см. § 16.2):
Гс>/Ц tg 71 = Гц tg 72,(32.22)
Рис. 32.13. К расчету главной проекционной линзы:
УЭ - ускоряющий электрод; А1 - анод первый; /2 - анод второй; 3 - э>фан; о - расстояние от плоскости скрещения до диа()фагмы первого анода; Ь - расстояние от диафрагмы первого анода до экрана; d()- расстояния между электродами линзы (уско
ряющим электродом, первым и вторым анодом); &у, з，&а1，
-Каз - соответственно радиусы отверстий диафрагм ускоряющего электрода,
первого и второго анодов; 71 и 71 - апертурные углы соответственно со стороны объекта и изображения
где гс — радиус скрещения (объекта); Uc — потенциал в плоскости скрещения; 力 —апертурный угол со стороны объекта; гп — радиус пятна (изображения); Un — потенциал в плоскости пятна (изображения) ;71 一 апертурный угол со стороны пятна (изображения).
Для малых апертурных углов (32.22) имеет вид:
(32.23)(32.23)小口71 二 Гп，^72, откуда
(32.23)
(32.23)
Подставив в (32.33) найденное выше значение радиуса скрещения, получим:
ги= (0,028 力/2)\/%矶.
Отношение 力/七 равно Ь/а = 130/30=4,33, откуда радиус пятна гп = =0,028 • 4,33 二 0,12 мм.
Полученное значение для радиуса пятна удовлетворяет заданному.
Следует иметь в виду, что полученный расчетным путем радиус пятна гп практически всегда будет отличаться от реальных значений, так как при проведении расчета были сделаны упрощения и не учитывались другие факторы, например сферические аберрации ЭОС.
Фокусное расстояние главной проекционной линзы определим из следующих условий: считаем, что линза симметричная, образована тремя диафрагмами, главные плоскости совпадают (линза тонкая), фокусные расстояния = /2.
По формуле (4.22) определим ~ : ~ = ~ + ~ , где 1(~а =
=30 мм; 厶 二少=130 мм, откуда
402
1// =1// ==24,4 мм.=24,4 мм.h +h _ 130 + 30
1// =
1// =
=24,4 мм.
=24,4 мм.
也 130 • 30
Напряжение на первом аноде найдем по приближенной формуле:
1 〜3 厶%2-%1、2
7"而1 ~^F 丿，
где d — расстояние между диафрагмами (d = Jo =4 мм) ； / = 24,4 мм, значительно больше J, т. е. удовлетворяет условию тонкой линзы; Uar 一 напряжение на первом аноде; 4? = S 一 ускоряющее напряжение, откуда напряжение на первом аноде
小=〃(，W —，Ж)/，W =
二 800(х/3/3 2- ]М^)“з732 二 270 В.
Программа расчета фокусного расстояния линзы / и напряжения на первом аноде Uai ：
П->х 2 t П->х 0 + П->х 0 t П->х 2 ^ х->П 5 С/П
II — x5Fl/xF，1 什・х-ПСЗТ8?Г1-х4 =
F \/~ х->П 7 П—х С — П—х 7 土 П ~*х 3 х х—Л 8 С/П
Ввод: /1 = ПО; /2 - П2; 〃2 = ПЗ; d = П4.
Вывод： 1// = П5; А = П8.
Расчет электростатической отклоняющей системы. Из существующих конструкций отклоняющих пластин (см. рис. 17.2) выбираем однократно изломанные. Такие пластины просты в изготовлении и широко применяются в осциллографических ЭЛТ.
Для обеспечения симметричного включения пластин (см. § 17.3) и регулирования среднего потенциала между пластинами относительно второго анода в данной конструкции ЭЛТ все четыре пластины отклоняющей системы имеют независимые выводы в цоколь.
На рис. 32.14 изображена упрощенная схема ЭОС осциллографической ЭЛТ. Там же указаны междуэлектродные расстояния, размеры отклоняющих пластин и расстояния их до экрана.
Диаметр электронного пучка между отклоняющими пластинами вычисляем по формуле
4= 2tg七上’，
где L‘ — расстояние от отклоняющей системы до экрана, равное 100 мм.
Значение угла 72 определяем из полученного отношения 71/72 ： 72 = = 力/4,33, где угол ?i равен 1°.
Таким образом, получаем: Dn = 2tg 72 • 100=0,8 мм.
Рис. 32.14. Упрощенная схема ЭОС осциллографической ЭЛТ:
К - катод; М - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; Aj - анод первый; <2 - анод второй; НОП - нижние отклоняющие пластины; ВОП— верхние отклоняющие пластаны; 3 — экран
Для исключения возможности осаждения электронов на пластинах выбираем: £ = 2 мм; d? =6 мм; а】=4 мм； а2 二 16 мм (рис. 32.15), а Д2 (см. рис. 32.14) равным 3 мм.
Угол излома Р получаем равным: tg/3=0,125, откуда 0=7,1°.
Полный угол отклонения электронного луча по диаметру экрана
А/2с
0= arctg —р- = arctg(25/100) = 1,4 ,
где О? - диаметр экрана осциллографической ЭЛТ; I1 一 расстояние от ОС до экрана.
Чувствительность по отклонению системы определим по формуле (32.3):
Полагая, что центр отклонения луча совпадает с центром системы, находим чувствительность для нижних и верхних пластин. Для нижних отклоняющих пластан L = 113 мм, для верхних L =90 мм (рис. 32.14), откуда'
5откл,н,о,п 二 2 -1800~ (今 + *Т 1пЗ)113 = 0,45 мм/В;
*^откл,в,о,п = 2 . 800 ("^- + ~7^历3)90 = 0,36 мм/В.
Полученные значения для чувствительности отклонения данной ЭЛТ удовлетворяют заданным требованиям.
Программа расчета чувствительности 50ТКЛ:
П—х 4 Т П—х 2 彳 F 1п П—х 3 х 口今х 4 t
П—х2 — =П—х 1 t П — х 2 ++П—х 5 х П - х
0 t 2 х + х'П 6 С/П
Рис. 32.15. Конструкция однократно изломанных отклоняющих пластин
Ввод: ил2 =П0; а】 =П1;心=П2; 〃2=口3;
d? =П4; L =П5.
ВЫВОД： 50ткл 二口6.
Пример 2. Расчет главной магнитной линзы для проекционного кинескопа. Исходными данными для расчета являются: размер экрана 8 X 10 см; 4 =30 кВ; яркость экрана 5000 кд/м2, разрешающая способность 1000 строк.
'Задачей магнитной линзы, так же как и электростатической, является создание в плоскости экрана изображения предмета (скрещения).
Для расчета фокусного расстояния линзы выбираем ее положение относительно плоскости предмета и изображения (рис. 32.16). Оптимальное расположение линзы зависит от многих факторов: апертуры луча, габаритных размеров трубки, качества фокусирующей линзы и отклоняющей системы. Поэтому точное положение линзы устанавливается в процессе эксплуатации трубки.
Фокусное расстояние определяет по формуле (4.22):
i/f = 1//Л i//2,
где /i =8 см; /2 =10 см, откуда
/= l\l/Q\ + /2) = 8 • 10/18 = 4,44см = 44,4 мм.
Необходимая МДС определяется соотношением (4.27)
尸м= ^^RcpUjf,
где к =0,5; &ср =25 мм; U® =30 кВ, далее получаем
尸М = 10 • 0,5 / 25 至=650 A; FM = 650 А.
mV 44,4
Задаем число витков: w =2000 витков, получаем: /вит =尸м/w 工 650/2000 = 03 25 А.
Программа расчета МДС и тока I:
口今 х 0 t П—х 1 х х—П 6 П—х 3 t П—х 2 x
TI—x 4 = F \Г П->x 6 x x->П 7 С/П П->x 7 t П-х 5 4- Х-П 8 С/П
Ввод: к =П0; 10=П1; Ua=H2* Rcp =ПЗ; /=П4; w= П5. Вывод:尸м = П7; I = 口&
Рис. 32.16. Получение изображения с помощью магнитной линзыРис. 32.16. Получение изображения с помощью магнитной линзы
Рис. 32.16. Получение изображения с помощью магнитной линзы
Рис. 32.16. Получение изображения с помощью магнитной линзы
Для определения диаметра провода задаемся допустимым значением плотности тока из условия, что катушка работает без перегрева: /доп = =3 А/мм2.
Тогда d = V45пр/7г, где сечение провода
Sup = /вит/^доп = 0,325 А/3 А/мм2 — 0,11 мм2 и
d = V (4 ■ 0,11)/3,14 = 0,4 мм.
Для расчета площади окна каркаса следует учитывать тип намотки и коэффициент заполнения. Для круглого сечения провода коэффициент заполнения намотки вычисляется по формуле
м 4力(Z)2 —О。'
где d — диаметр провода; w— число витков намотки; Л — ширина каркаса; Di и Д — внутренний и наружный диаметр намотки (см. рис. 4.13).
Для шахматной намотки /м = 0,8 4-0,82.
Выбираем /м = 0,8, а Л = 20 мм.
■ Высоту намотки, Н, равную А ~А, определяем из выражения
Н = D? — D* =Н = D? — D* =tt/wtt/w依依3,14 (0,4) 2 -20004-0,8-20 ~3,14 (0,4) 2 -20004-0,8-20 ~=16 ММ,=16 ММ,
Н = D? — D* =
Н = D? — D* =
tt/w
tt/w
依
依
3,14 (0,4) 2 -20004-0,8-20 ~
3,14 (0,4) 2 -20004-0,8-20 ~
=16 ММ,
=16 ММ,
откуда Н = 8 мм.
Каркас катушки выполняют из изоляционного материала, например, текстолита, гетинакса или пресс-поро шков, магнитопровод — из магнитомягкого материала (сталь армко).
Программа расчета диаметра d и высоты намотки провода Н:
П—х 1 t 4 х ГТ—х 2 2 F \/~ x ~*П 3 С/П П ->х 3
F х2 П—х 2 х Г1—х 4 х х—Г! 8 ГТ—х 9 t 4
х П^х 7 х П^х 8 6 十 х-П а С/П
Ввод: Sy = П1; я 二 П2; w = П4; Л = П7; /м = П9.
Вывод: d 不13; Н = Па.
Глава тридцать третья
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
К классу приборов тлеющего разряда относятся разнообразные приборы: стабилитроны, релейные и индикаторные тиратроны, сигнальные и цифровые индикаторы, матричные индикаторы постоянного тока с внешней адресацией и с самосканированием, матричные индикаторы переменного тока. Характерной чертой большинства этих приборов является то, что они содержат диодные газоразрядные промежутки, которые в большей или меньшей степени взаимосвязаны. Проектирование приборов включает выбор конфигурации и расчет на заданные параметры такой геометрии промежутков, при которой реализуются заданные взаимосвязи между ними. Ограничимся расчетом геометрии и выбором конфигурации промежутков.
Рассмотрим конструирование стабилитрона тлеющего разряда, который и представляет собой изолированный даодный промежуток.
Решение данной задачи целесообразно разбить на следующие этапы: уточнение требований к электрическим параметрам стабилитрона на основании анализа типовой схемы включения;
выбор прототипной конструкции стабилитрона;
расчет основных конструктивных параметров стабилитрона, а именно конфигурации и основных геометрических размеров, рода и давления наполняющего газа;
уточнение технологических особенностей процесса изготовления прибора и их влияния на конструкцию и параметры.
Поставим задачу следующим образом: разработать прибор, который стабилизирует напряжение «Ых на нагрузке с сопротивлением, меняющимся от RHmin Д° ^нтах при изменении входного напряжения от “хм切 до “хмох для схемы параметрической стабилизации, изображенной на рис. 26.1.
На первом этапе уточнения требований к электрическим параметрам стабилитрона найдем ток 1сттах и напряжение возникновения разряда “мох, на которые должен рассчитываться прибор. Примем для простоты = Umnin =
Рис. 33.1. Зависимость максимальнш'о тока стабилизации от напряжения вознитаовения разряда
Тогда из (26.4) вытекает
Г(%хт〃Х - 4)/
^ст max > —
(%* min - UGR^min
一 ^ •(33。1)
кптах
Из (33.1) видно, что найти /CTmaxможно, только определив предва-
рительно иъ. При этом желательно обеспечить минимальное значение “,так как с увеличением иъ растет 1сттах^ что приводит к увеличе
нию габаритных размеров стабилитрона и рассеиваемой на нем мощности, т. е. к ухудшению КПД схемы. Для иллюстрации на рис. 33.1 приведена расчетная зависимость I^max =f (“)，построенная для иъхтах = = 250 В, UBxmin = 200 В, /Тд = 150 В, RHmjn =20 кОм, RHmax = 200 кОм.
Из этой кривой можно видеть, что катод стабилитрона для схемы параметрической стабилизации должен пропускать в режиме нормального разряда токи в десятки—сотни миллиампер. Указанное соображение позволяет перейти ко второму этапу поставленной задачи — выбору прототипной конструкции стабилитрона. Очевидно, что для увеличения рабочей поверхности катода при сохранении минимального общего объема целесообразно использовать коаксиально расположенные электроды, причем внешним электродом должен быть катод.
Следующий этап задачи - определение основных геометрических размеров, рода и давления наполняющего газа проводят, исходя из
конкретно заданных исходных данных.
Пусть необходимо стабилизировать напряжение около 150 В на нагрузке с сопротивлением Rumin = 20 кОм и Rnmax = 250 кОм при U^min =270 В и иъхтах = 350 В.
(33.2)(33.2)Прежде всего необходимо остановиться на том или ином газовом наполнении прибора. Желательно обеспечить минимальное значение напряжения возникновения разряда %. Согласно кривым рис. 25.8 это имеет место для так называемой пеннинговой смеси 99,5% Ne + 0,5% Аг. Для заданной смеси выберем наиболее подходящий материал катода, обеспечивающий значение напряжения поддержания разряда, наиболее близкое к заданному 4T. Используя (25.46) и данные табл. 253, найдем
(33.2)
(33.2)
1п(1 + 1/7)=(4- 0')明6
или, подставив численные значения,
1п(1 + 1/7)二(150 - 16,6) • 0,037 = 4,9.
Согласно табл. 25.4 наиболее близкое значение 1п(1 + 1/7) дает нераспыленный никель, на котором мы и остановимся в качестве материала катода. Для него можно по формулам (25.45) и (25.46) и табл. 25.3 и 25.4 найти
&= U，+ln(l+l/7)MWtfX = 16,6+ 4,5/0,029 = 172 В;
4= U" + 1п(1 + 1/7)Мэф = 16,6 + 4,5/0,037 = 138 В.
Таким образом, разность заданного 〃ых и реального Un здесь составит 12 В,т. е. около 8%.
Рассмотрим теперь возможность подбора UCT более точно путем выбора другого газового наполнения. Если в качестве такового взять чистый неон, то из (33.2) получим
1п(1 + 1/7)= (150 - 16,6) • 0,022 = 2,93,
что близко к 3,05 для нераспыленного никеля, Тогда по (25.45) и (25.46) и табл. 25.3, 25.4 получим
4 二 21,5 + 3,05/0,015 = 224 В; 4=16,6 + 3,05/0,022= 15 5 В.
В этом случае разность заданного &ых и реального Un составляет всего 5 В, т. е. 3%.
Найдем значения /сттдХ для этих двух случаев. При газовом наполнении 99,5% Ne + 0,5% Аг: (350) 一 (138)172/(270 - 172) • 20 • 103- —138/250 ■ 103 = 18 мА. При газовом наполнении Ne: (350 — 155) X X 224/(270 一 224) • 20 • 103 - 155/250 • 103 = 47,8 мА. Отсюда вытекает, что использование чистого неона вместо неоно-аргоновой смеси позволяет получить более точное значение “巾 однако при этом катод должен выдерживать заметно большие токи. Потери мощности в стабилитроне для неоно-аргоновой смеси составляют 138 В • 18 мА = 2,5 Вт, а для чистого неона — 155 В • 47,8 мА =7,4 Вт, т. е. в 3 раза больше.
После выбора рода газа можно перейти к определению его давления, размеров катода и расстояния между катодом и анодом. При этом целесообразно исходить из стандартных размеров баллонов. Если исходить из вьшолнения стабилитрона в миниатюрном исполнении, т. е. в баллоне диаметром 20 мм, то диаметр катода /)к можно взять равным 15 мм, а его высоту Як =40 мм. Соответственно площадь катода
Sk = я/)кЯк = 3,14 0,015 -0,04 = 1,88 • 10-3 м2(33.3)
и для наших конкретных данных
5К= 3,14-0,015 0,04м2 = 1,88-10'3m2.
Отсюда можно рассчитать требуемую плотность тока как
，к,н = /ctmox/Sk，(33.4)
что дает для неоно-аргоновой смеси
」к,н = 18 • IO- а/1,88 . 10-3 м2 = 9,5 А/м2
и для чистого неона
」к,н = 47 • 10-3 А/1,88 • 10'3 м2 = 25 А/м2.
Воспользовавшись (2542), найдем
Ро —"」к,н/，к,нО = V ^сттах/^^к^к/к^нОг(33.5)
Тогда согласно данным табл. 25.3 получим для неоно-аргоновой смеси
Ро = “9,5/0,56 Т产=4,1 кПа
и для чистого неона
Ро = V 25/1,13 ■ 10-6 = 4,7 кПа.
Таким образом, давления наполняющего газа в обоих случаях оказываются близкими. Диаметр анода может быть выбран исходя из того, что расстояние между электродами должно соответствовать минимуму кривой Пашена. Воспользовавшись (26.6), получим
^а,к = ^nminl (^/Ростах Ра •(33.6)
Тогда для смеси неона с аргоном по данным табл. 25.3
А,к = 172/18,7 ■ 4100 = 2,24 • Ю-3 м = 2,24 мм
и для чистого неона
%к = 224/75 • 4700 = 0,63 • 10~3 м = 0,63 мм.
Однако на практике использовать столь малые зазоры и соответственно большие диаметры катода неудобно. Почти то же напряжение ■ возникновения разряда « достигается, если приварить к цилиндрическому аноду малого диаметра отрезок проволоки, направленный по радиусу к катоду таким образом, чтобы был обеспечен рассчитанный выше зазор. Начальное возникновение разряда происходит в этой области, затем заряженные частицы диффундируют во все стороны, обеспечивая понижение напряжения возникновения разряда и распространение разряда на остальные участки катода.
Типичная конструкция такого стабилитрона показана на рис. 33.2. Цилиндрический никелевый катод К укрепляется между слюдяными пластинами & и С2. Внутри катода виден анод А с приваренным проволочным поджигателем П. На ножку прибора надет керамический 410
Рис. 33.2. Конструкция стабилитрона тлеющего разряда
диск КД, который предотвращает распространение разряда с рабочей части поверхности катода на выводы ножки. Важным элементом конструкции является газопоглотитель Г. Капсула с порошком газопоглотителя после проведения всех основных операций обезгаживания и откачки нагревается индукционно токами ВЧ. Частицы распыленного газопоглотителя оседают на стекло, образуя поверхность,
активно связывающую неинертные примеси в составе газового наполнения. Роль газопоглотителя особенно важна в рассмотренном нами примере, где в качестве катода использован нераспыленный никель. Если катодом является распыляемый молибден, то образованный на стенках налет эффективно выполняет функции газопоглотителя, кроме того, происходит очистка неинертных примесей во время пролета частиц молибдена к стенкам. В таких приборах часто отказы
ваются от специального газопоглотителя.
Двойная слюда С2 в верхней части прибора надежно защищает внутреннюю поверхность катода от попадания бария; последнее нежелательно, так как работа выхода таких участков катода, а также напря
жение поддержания разряда на них снижается.
Расстояние /)а)к выбирается таким образом, чтобы не возникало анодное падение напряжения в разряде, так как в противном случае
От выбранного материала катода существенно зависит стабильность прибора. Наилучшим с этой точки зрения является молибден, однако он требует тщательного подбора режима тренировки и, кроме того, его труднее обрабатывать, чем никель.
Программа расчета t^, Unt /ст на микрокалькуляторе МК56: П->х1ТП->х 0+ Т П->х3 + х->П 9 П—х 1 Т
П ->х2-гt П ->х4 + х->Па П ->х 6 Т П ->х а — Т
Ц->х9хх ->П 6П ->х 5 ТП ->х 9 — t ГТ—х 7 х
F 1/х Т П—х в х х—П с 11今х а Т П—х 8 + Т П—х с - /-/ х^-П d С/П
Ввод: %〃无=П0; 1п(1 + 1/7)=П1; пэф =П2; U1 =ПЗ; U” =П4;
UBKmin =П5; иъктах =П6； Rnmin 二口7; RHmax =口&
,Вывод: Уъ = П9; %=Г1а; /ст - Пд.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица /77. Данные удельной тепловой нагрузки на баллон и максималыюй его температуры для различных вариантов стеклянных ламп
Параметр лампы
Тип лампы
Малогаба* ритная
Миниатюрная
Сверхминиатюрная
Диаметр баллона, мм
28,5
19
10
Поверхность баллона, см2
67,7
26,5
11
Максимальная мощность, выделяемая в лампе, Вт
18,7
16,8
7,8
Максимальная удельная мощность нагрева баллона, Вт/см2
0,28
0,63
0,70
Максимальная температура баллона, С
160
255
280
Тип поглотителя
Форма применения
Вид обработки в лампе
Температура, °C
при обезга- живании
при распылении
рабочая
Барий
Трубки Куба, №бн, Феба
Распыление
600-700
900—1300
200
Сплавы
Таблетки
力
600-700
900-1300
200
Баталум
Паста нз карбог натов н на танталовой ленте илн проволочной спирали, про калив ае* мой током
Обезгажи- вание н распыление
800-1000
1200-1300
200
Бериллат* ньШ
Паста нз бериллата бария на танталовой ленте (лодочке) ,прокаливаемой
Током
То же
900-1000
1300
200
Бати
Таблетки илн паста
W W
800-900
980-1100
200 J
Бато
Таблетки в никелевых капсулах
Распыление
800-900
200
Таблица П2. Наиболее распространенные типы гаэопоглотителей
412
七俨(Х)疗3
Х= —02(х)Х02(х)
Таблица ПЗ. Функция 0 и функции, связанные с ней
11111111111222222222233
1
0
3,4
0,5851
0,00842
0,0026
3,6
0,6148
0,0175
0,0201
3,8
0,6420
0,02875
0,0345
4,0
0,6671
0,0559
0,0727
4,2
0,6902
0,0867
0,1214
4,4
0,7115
0,1193
0,1790
4,6
0,7313
0,1525
0,2440
4,8
0,7496
0,1854
0,3152
5,0
0,7666
0,2177
0,3919
5,2
0,7825
0,2491
0,4733
5,4
0,7973
0,2793
05586
5,6
0,8Ш
0,3083
0,6474
5,8
0,8241
0,3361
0,7394
6,0
0,8362
0,3626
0,8340
6$
0,8635
0,3879
0,9310
7,0
0,8870
0,4121
1,030
7,5
0,9074
0,4351
1,131
8,0
0,9253
0,4571
1,234
85
0,9410
0,4780
1,338
9,0
0,9548
0,4980
1,444
95
0,9672
05170
1,551
10,0
0,9782
0,5526
1,7683
Таблица П4. Функции △ и Т
9364860100428280545240
9398804839529729528382
813693693604711U009988 О^ДДА^О^ЛЗ-Л-0^^3-Л-7МП^6249517 т^т^т^т^т^о^о^з о^ ^ 4^- 4 ^£^c^^^^h^0^^a^
△Та△Г
0,001
0,9172
0,050
0,00196
0,2956
0,002
0,8069
0,060
0,00282
0,2670
0,03
0,7424
0,070
0,00383
0,2430
0,004
0,00001
0,6966
0,080
0,00500
0,2223
0,005
0,00002
0,6611
0,090
0,00632
0,2042
0,006
о,одооз
0,6321
0,10
0,00779
0,18817
0,008
0,00005
05863
0,11
0,00941
0,17381
0,010
0,00008
0,5508
0,12
0,01118
0,16084
0,015
0,00018
0,4863
0；13
0,01309
0,14905
0,020
0,00031
0,4406
0,14
0,01515
0,13828
0,025
0,00049
0,4052
0,15
0,01735
0,12839
0,030
0,00071
0,3762
0,16
0,01969
0,11929
0,035
0,00096
0,3518
0,17
0,02217
0,11087
0,040
0,00126
0,3307
0,18
0,02479
0,10307
0,045
0,00159
0,3123
0,19
0,02751
0,09582
413
Продолжение табл. П4
а
厶
Т
а
厶
Т
0,20
0,08908
0,49
0,1575
0,007062
0,21
0,08280
0,50
0,1629
0,006293
0,22
0,07694
0,51
0,1683
0,005591
0,23
0,07147
0,52
0,1738
0,00495 2
0,24
0,06636
053
0,1793
0,004371
0,25
0,06156
0,54
0,1848
0,003845
0,26
0,05711
0,55
0,1903
0,003369
0,27
0,05292
056
0,1959
0,002941
0,28
0,04900
0,57
0,2015
0,0025 57
0,29
0,04534
0,58
0,2071
0,002214
0,30
0,04190
0,59
0,2127
0,0019073
0,31
0,03869
0,60
0,2183
0,0016354
0,32
0,03568
0,61
0,2239
0,0013951
0,33
0,07850
0,03287
0,62
0,2296
0,0011837
0,34
0,03025
0,63
0,2352
0,0009985
0,35
0,02780
0,64
0,2409
0,0008371
0,36
0,02551
0,65
0,2466
0,00069 72
0,37
0,02337
0,66
0,2622
0,0005 767
0,38
0,02158
0,67
0,2579
0,0004735
0,39
0,019528
0,68
0,2636
0,0003856
0,40
0,017806
0,69
0,2692
0,0003114
0,41
0,016206
0,70
0,2749
0,0002490
0,42
0,014722
0,71
0,2806
0,00019702
0,43
0,013346
0,72
0,2862
0,00015 392
0,44
0,012074
0,73
0,2919
0,00011845
0,45
0,010899
0,74
0,2975
0,00008942
0,46
0,009816
0,75
0,3031
0,000065 73
0,47
0,008818
0,76
0,3087
0,00004643
0,48
0,007902
Продолжение табл. П5
。1
九
5 = 0,1
5 = 0,2
5 = 0,1
5 工0,2
1,6
1,420
0,849
1,8
1,414
0,860
2,0
—
1,418
-
0,969
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
L Бомштедт Б. Э., Маркович М. Г. Фокусировка и отклонение пучков в электронно-лучевых приборах. М.: Сов. радио, 1967.
Жигарев А. А., Шамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1982.
Каганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.'
Кацман Ю. А. Электронные лампы. М.: Высшая школа, 1979.
Кациельсов Б. В., Калугин А. М., Ларионов А. С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы / Под общ. ред. А. С. Ларионова. М.: Радио и связь, 1985.
Кациельсои Б. В., Ларионов А» С. Отечественные приемно-усилительные лампы и их зарубежные аналога. М.: Энергоиздат, 1981.'
Соболева Н. А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1974.
Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. М.: Энергия, 1967.
Яблонский Ф. М. Газоразрядные приборы для отображения мнформащш. М.: Энергия, 1979.
Лисогурская Г. В. Методическая разработка по курсовому проектированию по курсу 'Электровакуумные приборы и основы их проектирования”， 2-е изд., перераб. и доп. Л.： Ленинградсюй радиополитехникум, 1980.
Таблица П5. Коэффициенты для расчета поля тороидальных катушек
°1
6 = 0,1
5 二 0,2
5 = 0,1
5=0,2
0,2
2,185
1,175
—
0,3
2,160
—
1,180
—
0,4
2,017
—
1,222
—
0,6
2,003
—
1,304
—
0,8
2,021
1,397
1,370
0,776
1,0
2,053
1,404
1,433
0,806
1,2
1,405
—
0,823
1,4
-
1,407
—
0,837
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Аберрация 63, 64,199
Автоэлектронная эмиссия 31
Аквадаг 210,217,227
Активирование катода 38
Ампера формула 63
Анод 5, 66, 115, 370, 371, 384, 385
Астигматизм 64
Б
Бандаж 217
Барьер потенциальный 21,23
В
Вакуумная интегральная схема (ВИС) 132,133
Вапотрон 117
Вариант вакуумной интегральной схемы планарный 132
Ввод 68
Вентиль ртутный 357
Видикон 185, 247, 254, 25 7
Выход квантовый 27
Газопоптоштель 68, 69, 348, 371
Газотрон 7, 347, 348
Гексод 107
Геля закон 293
Генератор шума эквивалентный 126
Гептод 107
Гетеродин 107
Графекон 185
Д
Декатрон 302, 328-3 30
Динод 164, 170, 171
Диод 7, 72, 73
-шумовой 125
Дискриминатор амплитудный 180
Диссектор 185, 247, 249, 25 0
Дисторсия 64
Диффузия двуполярная 287
Долговечность катода 34
' электронной лампы 130
416
Е
Емкость междуэлектродная 94, 95
3
Закон преломления 49, 50
-степени трех вторых 85-87? 100-102
Зона проводимости 16,17
Игнитрон 359, 362
Индикатор газоразрядный 320
-дискретный 328
-знаковый 321, 323, 325
-знакомодеЛируюший 321, 322
-матричный 407
-сигнальный 320
-цифровой 407
-шкальный 326, 327, 330
Инерционность передающей трубки 248
Инжектрон 122
Интегральный спектр амплитуд 179
Интервал запрещенный 16
Источник излучения типа А 140
К
Катод 5, 23
-вольМамовый 35
-гексаборидный 43:
-генераторной лампы 115
-идеальный 372
-металпогубчатый 39
-металле капиллярный 41
-металле керамический 43
-металлопортстый 42, 45
-оксидно-тори^ый 40, 42
-оксидный 37,39,46,187
-плазменный 310,318
-пленочный 36, 37
-подогревный 44
-пропитанный 42
-прямонакальный 44, 45, 129，
-синтерированный 39, 121
Катодная камера 165
Катодное пято 2 74, 358, 361
Катодолюминесценция 202
Квантовое число главное 13,14 Квантовый выход 145,146,148 Квантоскоп 228, 229
Кенотрон 81
Керк 37,44,47
Кинескоп 6,184,190, 192, 216
-катодолюминеадентный 227
-лазерный 223
-проекционный 205
—с повышенной разрешающей способностью 225
-с теневой маской и точечным экраном 218
с самосведетием 224
с щелевой маской и планарной ЭОС 222,223
Кольцо охранное 156, 161
Контрастность 209
Коэффициент вторичной эмиссии 29, 30, 236
двойного управления 107
депрессии 125
диффузии 287
-заполнения сетки 91,384
-ионизации 290, 293, 295, 297, 301
-использования анодного напряжения 109,112
потока излучения 141
-качества катода 191
-обобщенный 7 282-284
-объемной ионизации 279, 282
-полезного дейстаия электронной лампы 109-111
Коэффициент преобразования потока излучения 263
--ЭОП 265
-сохранения контраста 263, 264
-токораспределения 89, 90, 91, 127
-усиления 112,113
-широкополосносте 105
Кремни кон 258
Крутизна анодной характеристики 79, 80
-анодно-сеточной характеристики 127, 129
характеристики пентода 104
Л
Лагр анжа-Гельмгольца теорема 186
Лампа многоэлектродная 97, 102,106
с удлиненной характеристикой 105
-стержневая 131,132
усилительная широ кополосная 105
-электрометрическая 128
-электронная 65
Линза-диафрагма 55
Линза иммфоионная 5 7, 18 7,189, 265
-магнитная 58, 60
-одиночная 56
-электростатическая 55,132
Линия критического режима 113
Люмен 138
Люминофор 202, 204-208
М
Мас ка цв етоделительная 218
-щеп亜ндная теневая 223
Метод ломаной 388
-радиуса кривизны 388,389
Механо трон 133,134
Микро канальная пластина (МКП) 172, 173,214, 269
Мишень 184, 237, 214, 255, 259
Модулятор 187
-импульсный 119,120, 355
Модуляция катодная 191
Н
Нагрузка катода 193
Нагрузочная прямая 81, 96
Надежность лампы 130
Нахфяжение анода 70
—возникноветия самостоятельного разряда 273
-действующее анода 85, 86
-запирания 83, 88
-запирающее 190,191
-модуляции 190
-пробоя разрядника 365
一 сетки 70
Неоновая лампа 320
Ножка 68
Нувистор 130, 131
Объектив иммерсионный 57, 187
Олевдорфа формула 384
Оптическая сил а линзы 61
Отклоняющая система 184,194, 214, 219,392-394
П
Паули принцип 14
Пашена закон 290,
-iqmBHe 288, 290, 291
Пеннинга ионизация 281
-эффект 295
Пеннинговая смесь 306, 311
Пентод 72, 100,131
Первеанс лампы 77
Плавни 205
Планка постоянная 12
Пластана отклоняющая 391
Плюмбикон 257, 258
Подвижность ионов 287
-электронов 285, 287
Подогреватель 46,47
Поккельса эффект 230
Порог фотоэффекта длинноволновый 26
чувствительности фотоэлектронного прибора 144
Потенциал критический 234
экрана предельный 204
Потенциалоноситель 232
Потетциалоскоп 185, 231, 241—24 3
Потенциальный рельеф 237, 241, 245
Поток излучения монохромагический 136,137,141 一 пороговый 144
- ФЭУ 177, 179
фотоэлемента 161,163
-ЭОП 264
световой 138
Предел разреш^ия 263, 265, 266
Прибор валильный 347
импульсный 275
несамостоятельного дугового разряда 275
самостоятельного дугового разряда 275
-тлеющего разряда 275, 282, 319
электровакуумный 5, 6
электронноеуч^ой 6, 184
Применение триодов 97
Проводимость 18,19
Прожектор электронный 184-187, 255
Проницаемость сетки 86
Пуассона уравнение 76, 294
Р
Работа выхода ^ 1, 22, 28,145
Разрешающая способность 209, 248, 264
Разряд дуговой 274, 275, 297, 298
-коронный 306
-несамостоятельный 274, 288
-рамочный 335, 336
-самостоятельный 273, 288, 289, 293
-сеточный подготовительный 336
-сканирующий 339, 340
-таунсендовский 273, 274
-тлеющий 273, 292
Разрядник 364
Расстояние фокусное 56,58
Растр 230
Расчет главной проекционной линзы 401
иммерсионного объектива 396
-катода 371, 374, 376
модуляционной х^актеристики 398
подохр^ателей 377
электростатической отклоняющей системы 403
Режим быстрых электронов 234, 235
-возврата электронов 98, 103, 112
днода рабочий 80
критический 113
линейного усиления ПО
-медленных электронов 234, 235
насыщения диода 74
объемного заряда 75
一 прямого перехвата 90, 91, 103, 112
-работы генератора 112,113
с регенерацией изображения 335
электронной лампы 70
Рекомбинация 18, 281
Ричардсона-Дэшмана прямая 25
уравнение 24
С
Самосканирование 331
Сетка 65, 82, 85,3 70
генераторной лампы 117
защитная 100
катодная 129
экранирующая 98
Система "бегущий луч” 251
магнитная 391
электродов электронных ламп 370
Скиатрон 207, 216, 230
Скорость записи 210
счета импульсов 183
фотозаписи 210
Скотофор 216
Скрещение 186
Собственное амплитудное разрешение
179, 180；
Соударение неупругое 276
-упругое 276, 278
Среднекв адрашческое значение шумового напряжения 124,162,
тока 124г
Стабилитрон 407,408
-коронного разряда 307, 308
一 тлеющего разряда 3 02, 303, 305, 407,411
Ст^ение фотокатода 147
фотоэлемента 160
Стефана—Больцмана закон 71
постоянная 34, 71
Уравнение 34
Столетова закон 26
Стример 300
Суперкремникон 259
Суперортикон 185, 24 7, 25 2—254
Т
Телепроектор 228, 229
Температура катода рабочая 34
Термокатод 32, 284
Тетрод 72, 98, 99
Тиратрон 7, 351,35 2, 354
Ток анодный 70
импульсный максимальный 119
катодный 70
-сетки 127,128
темновой 143
——фотоэлектронного умножителя 175
—— фотоэлемента 160
триода 89
-управляющей сетки обратный 114
-эмиссии катода 114
Траверза 65,117
Тренировка катода 39,312
Треугольник характеристический 94
Триада 218,220,223
Триод 7, 65, 72, 82
Трубка запоминающая с видимым изображением 243
индикаторная 184, 215
оодиллохрафическая 184, 210, 211, 213,215
-приемная 184, 215
проекционная 226
с послеускорением электронов 211
с радиальным отклонением 212
-телевизионная 247,248,251
У
Угол отклонения 199
отсечки ПО, Ш
Удар второго рода 281
первого рода 281
Умножитель вторично-эпектронный 165
фотоэлектронный 6
У множительная система 165
——на дискретных динодах 169
расфеделейных динодах 171, 172
Уравнение триода внутреннее 94
Уровень возбуждшный 16
-метастабипьный 280
-свободный 18
-энергетический 14, 15
Усиление газовое 272
каскадное 266
Устройство светоклапанное 229,230
Утомледие фотокатода 147
фо то элемита 160
Фаулера-Нордгейма формула 31
Ферми-Дирака условие 24
уровень (энергия) 19, 20
Фликкер-эффект 125, 126
Флуктуация 124
Фотокатод 145-154
Фотон 14
Фото приемник 138
Фотоэлектронный умножитель 164,173
Фотоэлем«1т 6,155
Фотоэффект 311
-внешний 26
X
Х^)актеристака анодная 75, 78, 81
-вольт-амперная диодная газонапол
ненного гфомежутка 272, 273
——коронного разряда 307, 308
положительной короны 301
——фото элемита 157
электрического разряда в газе
274
-зонная 174
катода накальная 35
——эмиссионная 34, 35
многоэлектродной лампы анодная
103
-модуляционная 190
-перез叩ядная 343—345
-световая 143
-спектральная 139
-тетрода анодная 98, 103
-триода анодная 27,113
——анодно-сеточная 87,88,95,96
статическая 87, 89
Характеристика трубки световая 248
спектральная 248
-фотоэлемента частотная 153
-ФЭУ анодная 175
ч
Частота пороговая 26
Чувствительность световая 142
-трубки к отклонению 197, 199
-фотокатода 146, 149
—фотоприемника инт^ральная 139, 140
- фотоэлектронного умножителя анодная 174, 175
一 фотоэмиттера 26
Ш
Шоттки эффект 25, 79, 15 7, 299, 350
Штриховая мира 263
Шум 124, 125, 144
Э
Экзитрон 359,360
Экономичность лампы 130
Экран 45,184, 202, 203, 207, 371
Электрод пленочный 132
-послеускорения 211
-ускоряюищй 57,189
Электрон 9
Электронно-оптический преобразователь 6,185,260
Электропроводность 17
Эмиссия термоэлектронная 23, 28, 30
Эмиттер 23
Энергетаческое разрешение 179
Эиштейна закон 27, 28
Эффект динатронный 99
-дробовой 125
-мерцания 125
-островковый 83, 89
Эффективность каскада усиления 166
-катода 34
Я
Яркость свечшия экрана 202
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие •3
Введение 5
ВЛ. Обпще сведения об электровакуумных приборах 5
В.2. Краткие сведения по истории развития электровакуумных приборов. . . .7
Часть первая. Основы электронной теории 9
Глава первая. Обпше сведения об электронах 9
Электроны в атоме 9
Электроны в электрическом поле ц
Основные понятия квантовой теории 12
Диаграмма энергетических уровней атома 15
Энергетические состояния электронов в твердом теле. Электропроводность полупроводников .. 16
Работа выхода электронов 19
Глава вторая. Электронная эмиссия
Виды электронной эмиссии
Термоэлектронная эмиссия
Влияние внешнего электрического поля на термоэлектронную эмис-
Фотоэлектронная эмиссия
Вторичная электронная эмиссия 28
Электростатическая эмиссия 31
Глава третья. Термоэлектрош<ые катоды электровакуумных приборов 32
Классификация термоэлектронных катодов' 32
Параметры и характеристики термокатодов 33
Вольфрамовые катоды 35
Пленочные катоды 36
Оксидные катоды 37
Специальные тапы эффективных катодов 41
Конструкции катодов .44
Глава четвертая. Элемапы электронной оптики 48
Основные понятия электронной оптики • 48
Движение электрона в однородном электрическом поле 51
Движение электрона в однородном магнитном поле 53
4.4. Электронные линзы 55
Часть вторая. Электронные лампы 65
Глава пятая. Общие сведишя об электронных лампах .. . . 65
Назначение электронных ламп 65
Устройство электронных ламп 65
Электрические цепи н режимы работы электронных ламп 69
Тепловой режим анодов 70
Классификация электронных ламп 71
7373758082828795979710210510810810973737580828287959797102105108108109112115118124124127112115118124124127129133129133
73
73
75
80
82
82
87
95
97
97
102
105
108
108
109
73
73
75
80
82
82
87
95
97
97
102
105
108
108
109
112
115
118
124
124
127
112
115
118
124
124
127
129
133
129
133
Глава шестая. Двухэлектродные лампы
Физические процессы в диоде
Статические характеристики и параметры диода
Работа диода с нагрузкой
Глава седьмая. Трехэлектродные лампы
Физические процессы в триоде
Статические характеристики и параметры триода
Рабочий режим триода
Глава восьмая. Многоэлектродные лампы
Физические процессы в тетродах и пентодах
Статические характеристики и параметры много электродных ламп
Особенности многоэлектродных ламп различного назначения......
Глава девятая. Генераторные и модуляторные лампы
Особенности работы генераторных ламп
Режимы использования генераторных ламп
Характеристики и дополнительные параметры генераторных и модуляторных ламп
Конструктивные особенности генераторных и модуляторных ламп
Мощные импульсные лампы
Глава десятая. Специальные лампы
Лампы с низким уровнем шума и шумовые диоды
Электрометрические лампы
Электронные лампы повышенной надежности, долговечности и экономичности
Механотроны
Часть третья. Электровакуумные фотоэлектронные приборы136
Глава одиннадцатая. Обцдае сведения об электровакуумных фотоэлектронных приборах136
Оптический диапазон спектра электромагнитного излучения. Основные энергетические и световые величины136
Назначение приемников излучения и их классификация138
Понятие о параметрах и характерыстиках электровакуумных фотоэлектронных приборов139
Глава двенадцатая. Фото катоды145
Основные параметры и характеристики фотокатодов145
Типы фо то катодов147
Современные фотокатоды=149
Глава тринадцатая. Фотоэлементы155
Назначение и устройство фотоэлементов155
Характеристики и параметры фотоэлементов157
'Глава четырнадцатая. Фотоэлектронные умножители .. 164
Устройство и принцип работы фотоэлектронного умножителя . ; . . . 164
Эффективные эмиттеры вторичныхэлектронов166
Конструкция катодных камер и умножительных систем168
Характеристики и параметры ФЭУ174
Импульсные параметры ФЭУ179
Часть четвертая. Электронно-лучевые приборы184
Глава пятнадцатая. Общая характеристика электронно-лучевых приборов 184
Сведения об устройстве электронно-лучевых приборов184
Классификация ЭЛП 184
Глава шестнадцатая. Электронные прожекторы185
Обидае требования к электронным прожекторам185
Формирование пучка в электронном прожекторе185
Типы электронных прожекторов
Параметры и характеристики электронных прожекторов
Нагрузка катода
Глава семнадцатая. Отклоняющее системы
Электростатическое отклонение луча
Магнитное отклонение луча
Искажения при отклонении
Глцва восемнадцатая. Экраны электронно-лучевых трубок
Параметры и характеристики люминофоров
Люминофоры и их типы
Основные типы люминесцентных экранов
Глава девятнадцатая. Приемные электронно-лучевые трубки
Обшие сведения о приемных ЭЛТ
Осциллографические ЭЛТ
Индикаторные ЭЛТ
Кинескопы черно-белого телевидения
Кинескопы цветного телевидения
Глава двадцатая. Проекционные ЭЛТ и системы
Глава двадцать первая. Запоминающие электронно-лучевые трубки
Назначение и основные циклы работы
Поведение диэлектрической поверхности при воздействии на нее пучка электронов
Способы записи и считывания потенциального рельефа
Потенциалоскоп с барьерной сеткой
Запоминающая трубка с видимым изображением
Глава двадцать вторая. Передающие телевизионные трубки
Обидае сведения о передаюпХих трубках
Передающее трубки мгновенного действия
Передающие телевизионные трубки с накоплением заряда.
Глава двадцать третья. Электронноюптические преобразователи
Назначение, тфинцип работы и основные параметры электронно- оптических прео бразователей
Однокамерные ЭОП
Методы усиления яркости изображения
НИИННГ22^2^^22222 2 2НИИННГ22^2^^22222 2 2232324242424242526^^^232324242424242526^^^2713 7 78102713 7 7810Часть пятая. Ионные приборы272
НИИННГ22^2^^22222 2 2
НИИННГ22^2^^22222 2 2
232324242424242526^^^
232324242424242526^^^
2713 7 7810
2713 7 7810
Глава двадцать четвертая. Обшие сведения об ионных приборах272
Вольт-амперная характеристика электрического разряда и особенности включения ионных приборов:272
Классификация ионных приборов274
Глава двадцать пятая. Основные физические процессы в ионных приборах 276
Элементарные процессы взаимодй1ствия между частицами в разряде 276
Основные виды эмисота в условиях газового разряда282
Закономерности движения заряженных частиц в газе284
Возникновение самостоятельного разряда. Кривые Пашена288
Основные свойствам характеристики тлеющего разряда291
Дуговой разряд297
Искровой и коронный разряды . . ：299
Глава двадцать шестая. Приборы тлеющего разряда для стабилизации напря- жший и обработки электрических сигналов302
Классификация приборов тлеющего разряда302
262 Стабилитроны тлеющего и коронного разряда303
Релейные и индикаторные тиратроны тлеющего разряда 308
9 9 0 1 6 1112 2 2 33 3 3 3 3 39 9 0 1 6 1112 2 2 33 3 3 3 3 3Глава двадцать седьмая. Индикаторные приборы тлеющего разряда
9 9 0 1 6 1
112 2 2 3
3 3 3 3 3 3
9 9 0 1 6 1
112 2 2 3
3 3 3 3 3 3
Обшие свойствам классификация
Сигнальные индикаторы
Знаковые индикаторы
Шкальные индикаторы •
Газоразрядные матричные индикаторы^
7 7 7 14 4 4 53 3 3 37 7 7 14 4 4 53 3 3 3Глава двадцать восьмая. Вентильные и импульсные приборы несамостоятельного дугового разряда
7 7 7 1
4 4 4 5
3 3 3 3
7 7 7 1
4 4 4 5
3 3 3 3
Классификация
Газотроны
Тиратроны
77 24457 955 66666 633 33333 377 24457 955 66666 633 33333 3Глава двадцать девятая. Вентильные приборы дугового самостоятельного разряда
77 24457 9
55 66666 6
33 33333 3
77 24457 9
55 66666 6
33 33333 3
Обцще свойства ртутных вентилей
Игнитроны
Глава тридцатая. Разрядники:
Обвде сведения, классификация
Параметры и характеристики
Типы разрядников
Часть шестая. Основы конструирования электровакуумных приборов
9 9 1146 6 7 8 83 3 3 3 39 9 1146 6 7 8 83 3 3 3 3Глава тридцать первая. Основы конструирования электронных ламп
9 9 114
6 6 7 8 8
3 3 3 3 3
9 9 114
6 6 7 8 8
3 3 3 3 3
Обвде сведения о конструировании электронных ламп
Расчет катодов
Определение расстояний между электродами
Расчет анодов с естественным охлаждением
6 68 83 36 68 83 3Глава тридцать вторая. Основы конструирования элементов электроннолучевых приборов
6 6
8 8
3 3
6 6
8 8
3 3
Обвде сведения
6 8 0 68 8 9 93 3 3 36 8 0 68 8 9 93 3 3 3Методы моделирования электрических nondt электронноюшиче- ских систем.丿
6 8 0 6
8 8 9 9
3 3 3 3
6 8 0 6
8 8 9 9
3 3 3 3
Методы расчета и построения электронных траекторий
Конструкции и расчет отклоняющих систем . .
Примеры расчета отдельных узлов ЭЛТ
°7121516°7121516Глава тридцать третья. Основы конструирования приборов тлеющего разряда
°7121516
°7121516
Приложение Список литературы Предметный указатель
ББК 32.851 Г 95
УДК 621.385(075.32)
Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук О. И. Бужинский, М. И. Барычева
Гуртовник А. Г. и др.
F 95 Электровакуумные приборы и основы их конструирования: Учебник для техникумов / А. Г. Гуртовник, Е. Г. Точинский, Ф. М. Яблонский. 一 М.: Энергоатомиздат, 1988. 一 424 с.: ил.
ISBN 5-283-00518-6
Излагаются физические основы, устройство, принцип действия, основные характеристики и параметры, а также основы конструирования электровакуумных приборов. Указаны области применения и функциональные возможности приборов, особое внимание уделено наиболее перспективным электровакуумным приборам.
Для учащихся техникумов по курсу ^Электровакуумные приборы и основы их конструирования”. Может быть полезна для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и применением электровакуумных приборов.
2403000000-084051(01)-88~2403000000-084051(01)-88~Свод. пл. сред. спец. учеб, заведении 134-88Свод. пл. сред. спец. учеб, заведении 134-88ББК32Л51ББК32Л51
2403000000-084
051(01)-88~
2403000000-084
051(01)-88~
Свод. пл. сред. спец. учеб, заведении 134-88
Свод. пл. сред. спец. учеб, заведении 134-88
ББК32Л51
ББК32Л51
Учебник
ГУРТОВНИК Александр Григорьевич, ТОЧИНСКИЙ Евг^ий Георгиевич, ЯБЛОНСКИЙ Феликс Максимович
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ И ОСНОВЫ ИХ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Редактор И. Я- Башкатов. Редактор издательстаа Т. Я. Платова.
Художественные редакторы В. А. Гозак^Хозак^ Л И. Панфилова.
Художник переплета А Ф. Громов. Технический редактор Л Я Лядухина, Корректор Я. А. Смирнова
ИБ № 1421
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригинала-макета 20.01.88. Т-04696. Формат 6 0 х 88 1/16. Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Усл. печ.л. 25,97. Усл.кр.-отт. 25,97. Уч.-издл. 27,44. Тираж 9000 экз. Заказ 6353. Цена 1 р. 10 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
ISBN 5-283-00518-6ISBN 5-283-00518-6Отпечатано в ордена Октябрьской Революхщи и ордена Трудового Красного Знамени МПО *'Первая Образцовая типография имени А.А. Жданова^ Союзполиграф- прома при Госкомиздате СССР. 113054, Москва, М-54, Валовая, 28.
ISBN 5-283-00518-6
ISBN 5-283-00518-6
© Энергоатомиздат, 1988