Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

Рис.9                               Рис.10

Если на сетку подаётся положительный потенциал относительно катода (рис.9), то значительная часть электронов пролетает от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис.10), анодный ток убывает. Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода, что и послужило причиной названия сетки управляющей.

Рис. 11. Схема включения триода

Условное графическое обозначение триода показано на рис.11. Промышленность выпускает широкий ассортимент самых разных триодов, а также двойных триодов с общим и раздельными катодами, которые применялись в разной радиоаппаратуре, еще находясь в эксплуатации.

Внутреннее сопротивление  Ri   измеряется в кОм, крутизна характеристики S – в А/В, коэффициент усиления μ – величина безразмерная.

К предельным  эксплуатационным параметрам триодов относится те же параметры, что и к диодам: минимальное и максимальное напряжения накала, наибольшее допустимо обратное напряжение анода, наибольшее напряжение между катодом и подогревателем, наибольший средний анодный ток, предельная мощность, рассеиваемая анодная, а также дополнительные параметры (наибольшее отрицательное напряжение на сетке и наибольшее сопротивление в цепи сетки). Необходимость ограничения сопротивления в цепи сетки связана с тем, что сетка обычно располагается очень близко к катоду и может им нагреваться. При этом возможно появление термоэлектронной эмиссии с сетки, которая приводит к обратному сеточному току. Хотя эта эмиссия и обратный ток очень малы, но при большем сопротивлении в цепи сетки ток создает на нем ощутимое падение напряжения, которое может нарушить нормальный режим лампы.

При использовании триодов в схемах, работающих на высокой частоте, приходится учитывать и собственные междуэлектродные емкости лампы: входную емкость между анодом и катодом, а также проходную емкость между анодом и сеткой. Если входная и выходная емкости оказываются подключенными параллельно нагрузкам предыдущего и данного каскадов, что не очень страшно, то проходная емкость может приводить к очень неприятным последствиям.  В усилительных схемах слабый сигнал обычно подается на сетку лампы, а на аноде образует усиленный сигнал. Проходная емкость создает путь этому сигналу с анода обратно на сетку, что может  привести к самовозбуждению каскада. Это особенно опасно на высокой частоте, когда сравнительно небольшая емкость обладает небольшим емкостным сопротивлением.

Тетрод – четырехэлектродная лампа

         Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис.12). У такой лампы между управляющей сеткой и анодом располагается экранная сетка, которая заземляется по переменному току конденсатором большой емкости. Благодаря этому проходная емкость уменьшается в сотни и тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку подается положительное напряжение, примерно такое же что и на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее поле, которым электроны из электронного облака вынуждаются лететь к аноду, и часть летящих к аноду электронов попадает на нее. Образуется ток экранной сетки, составляющий примерно 10...20% от анодного тока, с чем приходится мириться.

Рис. 12. Четырехэлектродная лампа – тетрод.

         Основной недостаток тетрода – динатронный эффект – состоит в следующем. Электроны на пути от катода к аноду разгоняются до большой скорости. При напряжении на аноде 100 Ват эта скорость достигает 6 000 км/с – в 10 000 раз больше скорости пули при вылете из дула винтовки. Ударяясь о поверхность анода, электроны выбивают из него другие, вторичные электроны. Такое явление называется вторичной электронной эмиссией. Если напряжение на экранной сетке больше сетки на аноде, вторичные электроны с анода направляются на экранную сетку. В результате анодный ток уменьшается, а на анодной характеристике тетрода появляется провал.

 Для борьбы с динатронным эффектом в конструкцию тетродов вводят специальные лучеобразующие пластины, которые концентрируют электронный поток на небольшой части поверхности анода, где создается пространственный заряд, препятствующий обратному потоку вторичных электронов на экранную сетку. Такие тетроды называются лучевыми. Другой способ борьбы с динатронным эффектом состоит в установке еще одной сетки между экранной сеткой и анодом. Она носит название защитной или антидинотродной сетки и соединяется с катодом внутри или снаружи лампы, для чего имеется отельный вывод. Такие пятиэлектродные лампы называются пентодами. Антидинатронная сетка выполняется редкой, на поток быстрых первичных электронов влияния не оказывает, медленные же вторичные электроны отталкиваются ею обратно на анод.

К многоэлектродным лампам относятся лампы, имеющие более трех сеток, например, гептоды, у которых пять сеток. Гептоды предназначены для преобразования частоты сигнала и содержат две раздельные управляющие сетки. Очередность расположения сеток при счете от катода следующая: первая сетка является первой управляющей, вторая сетка – экранная, далее следует вторая управляющая сетка, за ней еще одна экранная и, наконец, антидинатронная сетка.

Экранные сетки обычно соединены внутри ламп между собой и имеют общий вывод. Вольт – амперные характеристики гептодов такие же, как у пентодов, а наличие экранной сетки между управляющими снижает паразитную емкость между ними. Иногда используется устаревшее название гептода – пентагрид, что в переводе обозначает - пять сеток.

Электронно-лучевая трубка

Электроны, испускаемые нагретым катодом, можно с помощью электрических полей разгонять до высоких скоростей. Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.

Электронно-лучевая трубка – прибор с одним или несколькими управляемыми электронными пучками. Если электронный пучок попадает на тела, то они нагреваются, что используется для электронного плавления и сварки материалов в вакууме и обеспечивает их сверхвысокую чистоту.

Некоторые вещества под действием электронных пучков светятся, что используется в телевидении, радиолокации, осциллографах и т.п.

         Рис.13.

 Очень важным элементом телевизора, осциллографа, радиолокатора и других приборов является электронно-лучевая трубка (рис.13). В узкой части вакуумного баллона расположен цилиндрический катод, подогреваемый металлической спиралью 1, по которой по которой пропускают электрический ток. С помощью диафрагмы 2 из электронов, излучаемых катодом, выделяется узкий электронный пучок 5 (электронный луч). В электрическом поле, созданном между катодом и цилиндрическим анодом, электроны ускоряются до скорости порядка 104 км/с. Катод с подогревом, диафрагма и анод образуют электронную пушку.

Электронный луч проходит через два конденсатора 3 и 4, пластины которых расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, и попадает на экран 6, покрытый веществом, которое светится при ударе попадающих на него электронов. На экране можно видеть светящуюся точку в том месте, куда попадает электронный пучок.  

Если к пластинам конденсатора 3 приложить постоянное напряжение, направление электронного пучка изменяется и светящаяся точка смещается в вертикальном направлении. В случае приложения переменного напряжения электронный луч начнет колебаться в вертикальной плоскости, а на экране появится светящаяся вертикальная линия, длина которой зависит от значения приложенного напряжения. По длине этой линии можно  определять значения очень слабых напряжений и сил токов.   

                 Рис.14.

С помощью специальной схемы на пластины конденсатора 4 подается переменное напряжение U пилообразной формы (рис.14). Под действием такого напряжения светящаяся точка равномерно перемещается вдоль горизонтали, например вправо, а затем прыжком возвращается в крайнее левое положение. Этот периодически повторяемый процесс, который называют горизонтальной  разверткой, дает на экране горизонтальную светящуюся линию.

Рис.15.

Если на вертикальные колебания луча, обусловленные исследуемым напряжением, наложить горизонтальную развертку, то луч будет описывать на экране кривую зависимости исследуемого напряжения от времени (рис.15). Если же напряжение изменяется периодически, можно подбором соответствующей частоты горизонтальной развертки получить на экране неподвижный график исследуемого напряжения и сфотографировать его.

Электронно-лучевая трубка является основной частью электронного осциллографа, широко используемого в науке и технике при изучении разнообразных быстропротекающих процессов (как электрических, так и неэлектрических после преобразования их в электрические). Наименьшая длительность процессов, фиксируемых осциллографами, достигает 10-10 с. Кроме трубки в осциллографе имеется генератор пилообразного напряжения (генератор развертки), источник питания электронной пушки, блоки с регуляторами фокусировки и яркости, а также некоторые другие вспомогательные приспособления и детали, улучшающие работу и расширяющие его возможности. В частности, для наблюдения слабых электрических сигналов в осциллографе предусмотрен усилитель, причём соответствующим регулятором можно изменять амплитуду наблюдаемых на экране колебаний до требуемых размеров.

К приемным электронно-лучевым трубкам относится черно-белые и цветные кинескопы. Устройство черно-белого кинескопа ничем практически не отличается от устройства трубки с магнитным отклонением луча. В прожектор лишь добавлен ускоряющий электрод между модулятором и первым анодом. Промышленность выпускает самые разные кинескопы с размером экрана по диагонали от 8 до 67 см. Все современные кинескопы имеют прямоугольный экран с соотношением сторон в приделах 3:4 до 4:5, что примерно соответствует формату телевизионного изображения

Цветные кинескопы содержат три электронных прожектора и экран, покрытый люминофорами трех цветов – красного, синего и зеленого свечения. В настоящее время промышленность выпускает цветные кинескопы двух различных конструкций. У кинескопов с дельтовидным расположением прожекторов они расположены в вершинах треугольника, центр которого находится на оси кинескопа. У кинескопов с планарным расположением прожекторов они расположены в одной плоскости, один находится на оси кинескопа, а два других – по обе стороны от первого.

Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось дальнейшей разработкой и усовершенствованием различных электровакуумных  приборов, радиоламп  и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.

Рентгеновская трубка

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

Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м называются рентгеновскими лучами.

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

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

Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электроны, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов (рис.16) возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения.

.                              

             Рис.16.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используются для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.

Электроннооптический преобразователь (ЭОП)

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

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

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

Электронный проектор

Электронный проектор - это автоэлектронный микроскоп, безлинзовый электроннооптический прибор для получения увеличенного в 105-106 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был изобретен в 1936 нем. физиком Э. Мюллером.                                                                                            

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

Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее

её кристаллическую структуру. Контраст автоэлектронного изображения определяется плотностью эмиссионного тока, которая зависит от локальной работы выхода, изменяющейся в зависимости от кристаллографического строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Электронном проекторе равно отношению R/br, где R - расстояние катод - экран, b - константа, зависящая от геометрии трубки.

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

Электронограф

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

Электронограф включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала катода, высокого напряжения, питания электромагнитных линз и различных устройств камеры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в О. "ЭР-100" 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность составляет тысячные доли и зависит от энергии электронов, сечения электронного пучка и расстояния от образца до экрана, которое в современном электронографе может изменяться в пределах 200- 600 мм. Управление современными электронографами, как правило, автоматизировано.

Список использованной литературы

1. Гончаренко С.У. Физика: пробное учебное пособие для школ III степени, гимназий и классов гуманитарного профиля. 10 класс. Издательство «Освіта». Киев. 1995.

2. Коршак Е.В., Ляшенко А.И., Савченко В.Ф. Физика 10 класс: учебник для общеобразовательных учебных заведений. Издательство ВТФ «Перун». Ирпинь. 2004.

3. Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся – 2-е издание. Издательство «Просвещение». Москва. 1988.

4. Говорякин Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. Издательство «Высшая школа». Москва. 1972.

Страницы: 1, 2