konspekt_vpe

52

потенціалу анодного блока буде існувати інше значення Вкр. Ці співвідношення критичних значень прискорювального потенціалу та магнітного поля визначаються квадратним рівнянням

де rk ra – радіуси катоду і аноду відповідно.

Рішення цього рівняння дають парбалу критичного режиму (рис.15б). Як правило магнетрони працюють при значеннях електричного і магнітного полів близьких до критичних.

Флуктуації катодної електронної хмари, що обертається довкола катоду, викликають в резонаторах НВЧ-

коливання. Під дією наведених коливань електронна хмара модулюється по швидкості та по щільності, утворюючи електронні «спиці», які мають форму, показану на рис.16.

рис.14. В залежності від фази коливання біля зазору резонатора електрони будуть отримувати приріст або зменшення азимутальної швидкості, що і приведе до їх групування по щільності. Коли сформовані «спиці» будуть проходити область зазору в гальмуючу фазу НВЧ коливань – вони будуть віддавати свою кінетичну енергію полю,

що в свою чергу приведе до посилення НВЧ коливань.

Умовою резонансу анодного блоку магнетрона так само, як і звичайного кільцевого резонатора, є ціле число довжин хвилі, що укладаються по колу кільця-структури. Якщо позначити довжину хвилі в уповільнюючій

Види коливань анодного блока визначаються номером або величиною фазового зсуву . Багаторезонаторні магнетрони працюють на коливаннях n=N/2, або - виду ( = 180°), так як при цьому виді коливань забезпечуються найкращі характеристики генератора. Робота на - виді потребує парної кількості резонаторів. У

коливань - виду кількість спиць дорівнює половині кількості резонаторів.

Значенням анодної напруги можна задавати швидкість обертання спиць або виконання умови синхронізму

53

між зміною полярності НВЧ поля в резонаторах і проходженням спицями гальмуючої фази цього поля.

Основні характеристики і параметри магнетронів.

Робочі характеристики магнетрона (рис. 17) побудовані для фіксованих значень індукції магнітного поля В при заданому Kст навантаження. З робочих характеристик видно, що при малій анодній напрузі анодний струм в магнетроні відсутній, тобто майже всі електрони, що вилетіли з катода, повертаються назад на катод. При деякому значенні анодної напруги, коли виконується умова синхронізму ve= vф, в магнетроні збуджуються інтенсивні коливання. У цій області при незначному збільшенні анодної напруги різко зростає анодний струм. При збільшенні напруженості магнітного поля інтенсивні коливання в магнетроні збуджуються при вищій анодній напрузі.

При дуже малих і дуже великих значеннях анодного струму робота магнетрона нестійка. Поблизу обласі малих струмів відбуваються стрибкоподібні зміни (перескоки) частоти робочого виду коливань на частоти інших видів коливань, струми збудження яких менше струмів збудження робочого виду коливань.

|

Рисунок 17. Робочі (а) та навантажень (б) характеристики магнетрона: суцільна лінія — вольт-амперна, штрихова

— постійного ККД, штрих-пунктирна — постійній потужності; 1 — при постійній потужності; 2 — при постійній частоті.

В області великих струмів виникають іскріння всередині магнетронів (пробої), що приводять до руйнування активної поверхні катода, а також можуть спостерігатися зриви (пропуски імпульсів) НВЧколивань.

Коефіцієнт корисної дії збільшується із збільшенням напруженості магнітного поля, що пояснюється поліпшенням

умови взаємодії електронів із НВЧполем.

До характеристик навантажень відносяться постійна потужність і частота. Характеристики навантажень,

приведені на рис.17б, побудовані на плоскості комплексного значення коефіцієнта віддзеркалення (круговій діаграмі) для фіксованих значень анодного струму і напруженості магнітного поля. Заштрихована область

відповідає нестійкому режиму роботи магнетрона.

Магнетрони відрізняються простотою конструкції, високим ККД і великою потужністю, що генерується.

Особливо широке застосування магнетрони знаходять в радіолокації як генератори потужних (до десятків мегават)

прямокутних імпульсів НВЧ, а також в промисловості, медицині і побуті як генератори безперервних сигналів потужністю від десятків ватт до десятків кіловатт. У таблиці 5 приведені значення основних усереднених

параметрів імпульсних магнетронів.

Таблиця 5. Усереднені параметри магнетронів

54

1.8 Генератори дифракційного випромінювання

Генератори дифракційного випромінювання (ГДB) є порівняно новими перспективними джерелами електромагнітного випромінювання міліметрового (ММ) і субміліметрового (субмм) діапазонів довжин хвиль. Їх робота базується на фізичному явищі когерентного дифракційного випромінювання електронного пучка, рухомого поблизу періодичної структури, а як резонансна система використовується високодобротний відкритий резонатор

(ВР). ГДB вигідно відрізняються від інших вакуумних джерел О- типу мм і субмм діапазонів довжин хвиль високою стабільністю частоти, вузьким спектром вихідного сигналу, низьким рівнем шумів, широким діапазоном електромеханічної перебудови і порівняно великим рівнем вихідної потужності. У таких генераторах здійснюється розподілена взаємодія електронних пучків із полями періодичних структур при використанні для енергообміну об'ємних електромагнітних хвиль в просторово-розвинених відкритих електродинамічних системах. Ці системи дозволяють здолати принципову перешкоду, що виникає в класичних генераторах при зменшенні довжини хвилі.

Завдяки унікальним властивостям вихідного сигналу ГДB знаходять широке застосування в наукових дослідженнях, зокрема, для діагностики плазми, в радіоспектроскопії, для накачування квантових парамагнітних підсилювачів хвилі мм діапазону, для забезпечення динамічної поляризації ядерних мішеней, в когерентній радіолокації, в пристроях неруйнівного контролю виробів і в технологічних процесах.

Розгледимо будову ГДB і фізичні принципи, закладені в основу його роботи. Відкрита резонансна система

(ВРС) для типового ГДB (рис. 18) складається з дводзеркального ВР, утвореного сферичним дзеркалом 1 і плоским

(циліндричним) дзеркалом 2. Сферичне дзеркало містить елемент зв'язку з навантаженням, а на плоскому

(циліндровому) дзеркалі в центральній частині розміщена обмежена по ширині періодична структура. (У оротрона періодична структура покриває всю поверхню плоского дзеркала півсферичного ВР, а циліндрові дзеркала не використовуються зовсім.) Електронна гармата формує стрічковий електронний пучок з початковою швидкістю електронів ve, який потім рухається поблизу періодичної структури і утримується від розпадання подовжнім магнітним полем.

55

Умова випромінювання для швидких хвиль, що виникають при дифракції власного поля електронів пучка на періодичній структурі, має вид:

де λ – довжина хвилі випромінювання, l – період структури, m = 1, 2, 3 – номер гармоніки швидких хвиль, с–

швидкість світла, φ – кут дифракційного випромінювання (рис. 18а).

Для малих кутів дифракційного випромінювання (φ ≈ 0 и φ ≈ π), що генеруються пучком з попередньої модуляцією по щільності на частоті ωmod = 2πc/λ, швидкість пучка повинна складати

Так як кутовий спектр плоских хвиль, що утворюють гаусівське розподілення власного коливання відкритого резонатора, сконцентрований поблизу вісі резонатора, то для ефективної живлення резонансного коливання в ГДВ кут дифракційного випромінювання електронного пучка повинен складати φ ≈π/2.

При цьому швидкість електронного пучка повинна задовольняти наступному співвідношенню:

Для збудження коливань в ГДВ необхідне виконання умов так званого «потрійного» резонансу:

а) «часовий» резонанс – частота «випадкової» модуляції щільності електронного пучка (або її гармоніка)

повинна збігатися з частотою власного s- коливання у ВР nωmod = ωs;

б) «просторовий» резонанс – кут дифракційного випромінювання повинен відповідати одному з максимумів в кутовому спектрі плоских хвиль, створених s-коливання у ВР (наприклад, φ ≈π/2);

в) резонанс швидкостей або фазовий синхронізм – швидкість електронного пучка (точніше швидкість повільної хвилі просторового заряду в пучку) повинна дорівнювати фазовій швидкості одній з повільних просторових гармонік електричного поля s- коливання, зосередженого поблизу періодичної структури.

Для встановлення моменту самозбудження ГДВ, що характеризується перевищенням потужності дифракційного випромінювання над потужністю втрат у ВР, зазвичай використовують параметр «стартового» струму електронного пучка Ist.

Слід зазначити, що саме наявність «потрійного» резонансу у фізичному принципі дії ГДВ, а також розміщення вузла зв'язку далеко від електронного пучка, забезпечує високу якість вихідного сигналу – високу короткочасну стабільність частоти, вузьку ширину спектральної лінії і низький рівень шумів.

ЕЛЕКТРОННІ Й ІОННІ ФОТОЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ

Фотоелектронними приладами називаються електронні прилади, керування струмом яких відбувається за рахунок зміни інтенсивності або спектрального складу падаючого на них світлового потоку. Вони розділяються на електровакуумні, іонні і напівпровідникові. Ці прилади знайшли широке застосовуються у військовій техніці, наукових дослідженнях, медицині, в телебаченні, фотолітографії, техніці звукового кіно, для контролю й автоматизації різноманітних виробничих процесів і т.д.

Основні типи фотокатодів

56

В електронних і іонних фотоелементах використовується явище зовнішнього фотоефекта. Не кожний квант здатний викликати фотоемісію. Тому зовнішній фотоефект оцінюють квантовою чутливістю або квантовим виходом Y. Квантова чутливість (вихід) показує, яка кількість фотоелектронів припадає на один квант. З досвіду відомо, що Y значно менший одиниці і залежить від властивостей фотокатода та від енергії кванта. У фотоелементах практично доводиться мати справу із селективним фотоефектом, коли квантова чутливість набуває максимальне значення на певній частоті. На частотах, що лежать нижче порога фотоефекта емісія неможлива. Зі збільшенням частоти зростає імовірність надання електронам емітера енергії, достатньої для виходу, і квантова чутливість збільшується. На ще більш високих частотах чутливість зменшується. Це пояснюється відбиттям квантів від поверхні фотокатода і збудженням електронів на більшій глибині, звідки їх вихід до поверхні є ускладненим.

Залежність кількості фотоелектронів, що виходять із фотокатода, тобто фотоемісійного струму jfe від величини світлового потоку Ф (від кількості квантів) при відповідній частоті v світлового потоку визначається законом Столетова Г.О.

де коефіцієнт пропорційності ( ) називається спектральною віддачею фотокатода.

Очевидно, що ( ) пропорційний квантовому виходу Y і характеризується тією ж частотною залежністю. Якщо світловий потік складається з коливань різних частот, у (1.1) ( ) замінюють на інтегральну віддачу . Величина світлового потоку виміряється в люменах, струм фотоемісії у мікроамперах, коефіцієнти ( ) і мають розмірність мкА/лм , або А/Вт.

На (рис. 1.1) представлена будова основних фотокатодів, які виконуються по типу оксидних катодів. Кисневоцезієвий фотокатод (рис. 1.1а) наноситься на шар срібла, яким звичайно покривається скло балона. Він складається з напівпровідного покриття окислів цезію й срібла, усередині і на поверхні якого розташовуються атоми чистого цезію. Останні виконують роль атомів барію в оксидному катоді.

Киснево-цезієвий фотокатод характеризується низькою роботою виходу (мінімальна величина 0,72 еВ) і малою квантовою чутливістю (порядку 0,005—0,05). Цей катод має досить високу термоемісійну здатність, що приводить до необхідності врахування емісії електронів навіть при кімнатній температурі. Чутливість вакуумних киснево-цезієвих фотоелементів дорівнює 2030 мкА/лм, доходячи в деяких зразках до 50 - 60 мкА/лм, у газонаповнених фотоелементах робочий струм внаслідок іонізації газу збільшується і чутливість дорівнює в середньому 150-200 мкА/лм.

Cs

Cs2O3Ag2O

Ag

скло

а)

Cs

SbCs3

скло

б)

Рисунок 1.1 Будова фотокатодів: а) киснево-цезієвого; б) сурмяно-цезієвого.

На рис.1.2 показана залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого фотокатода від частоти або спектральна характеристика. Як видно, вона має два максимуми. Низькочастотний максимум лежить в інфрачервоній частині спектра, а високочастотний – в ультрафіолетовій (у видимій частині спектра характеристика має провал). Ультрафіолетовий максимум визначається вириванням електронів зі срібної підкладки фотокатода, а довгохвильовий – з напівпровідника.

Киснево-цезієвий фотокатод чутливий до іонного бомбардування, перегріву і легко окисляється. Крім того, його фотоемісійна здатність залежить від часу опромінення. Чим більше часу фотокатод опромінюється, тим менше його фотоемісійний струм (явище стомлюваності). У процесі роботи інтегральна віддача також падає.

Сурм'яно-цезієвий фотокатод (рис.1.1б) складається з напівпровідного шару, що складається із сполуки сурми і цезію (імовірний склад SbСs3). Він наноситься безпосередньо на скло.

58

Іноді у фотоелементах, призначених для роботи в місткових схемах, крім основно го анода, поміщають другий, додатковий анод із протилежної сторони катода (рис.1.4б).

Є також конструкції фотоелементів з однаковими електродами, їх називають двох-катодними. У такому приладі в балон поміщають дві однакові світлочутливі поверхні і живлять їх змінним струмом. Кожна поверхня, при опромінені одним джерелом по черзі стає катодом і анодом, щоб фотоелемент проводив струм в обох напрямках.

Основними характеристиками фотоелемента, необхідними для вибору його робочого режиму є:

1) вольт-амперні характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини анодної напруги при постійному світловому потоці, тобто криві Iа = f(Ua), при різних = const (рис.1.5а);

2)світлові характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини світлового потоку при постійній анодній напрузі, інакше, криві Ia = f( ), при різних Ua = const (рис.1.5б). Іонний фотоелемент має нелінійну характеристику — збільшення емісійного струму супроводжується більш інтенсивною іонізацією і непропорційним збільшенням струму на аноді. При використанні іонних фотоелементів неможливо уникнути нелінійних викривлень;

3)крутість світлової характеристики =dia/d мкА/лм характеризує роботу фотоелемента при змінному світловому потоці.

Uз Ua

в)

Рисунок 1.5 Основні характеристики фотоелемента: а) вольт-амперна характеристика; б) світлова характеристика; в) вольт-амперна характеристика іонного фотоелемента

У газонаповнених фотоелементах вольт-амперна характеристика, на відміну від характеристики вакуумного фотоелемента, не має різко вираженої області насичення (рис.1.5в); при збільшенні струму Iа до величини струму емісії фотокатода крива злегка загинається, але при подальшім збільшенні анодної напруги внаслідок виникаючої іонізації газу струм починає різко збільшуватися. Розряд залишається несамостійним доти, поки напруга на аноді не буде дорівнювати потенціалу запалювання Uз, при якому в фотоелементі виникає самостійний тліючий розряд. Самостійний розряд у фотоелементі приводить до руйнування катода, що неприпустимо.

Відношення струму при робочому режимі (Ua ≈ 220 – 240 В) у газонаповненому фотоелементі до струму насичення, який був би в цьому фотоелементі при відсутності в ньому газу (ця величина визначається легким вигином характеристики), називається коефіцієнтом газового посилення Кг=Iгаз/Iвак. Для збільшення газового посилення необхідно вводити у фотоелемент більше газу; але, у той же час, при великому тиску газу легко виникає самостійний розряд. Тому тиск газу у фотоелементах беруть порядку 10 -2 мм рт. ст, що забезпечує коефіцієнт газового посилення від 5 до 8.

Необхідно також відзначити, що вольт-амперні характеристики електронних фотоелементів із сурм'яноцезієвим катодом при більшому освітлювані не мають насичення, тобто зі збільшенням напруги струм продовжує зростати. Це пояснюється більшим поздовжнім опором шару сурм'яно-цезієвого катода. При значному струмі,

60

Принцип роботи багатокатодного ФЕП можна розглянути за допомогою його загальної схеми (рис.1.7). Фотокатод ФК опромінюється світлом скрізь «вікно» приладу. Фотоелектрони спрямовуються електричним полем на вторинний емітер –динод Д1 і вибивають із нього вторинні електрони. Якщо коефіцієнт вторинної емісії емітера> 1, то відбувається множення електронного потоку. З першого емітера вторинні електрони попадають на другий Д2 і знову множаться і т.д. Останній електрод-анод А є колектором, що збирають вторинні електрони.

+100В +300В

ФК Д2 Д4

+200В

Рисунок 1.7 Загальна схема багатокаскадного ФЕП Як коефіцієнт вторинної емісії, так і анодна чутливість сильно залежать від прикладеного до помножувача

напруги (живлення всіх електродів ФЕП здійснюється від загального джерела напруги, навантаженого на потенціометр; прикладена напруга рівномірно розподіляється між динодами приладу). Так, якщо ФЕП-19 живеться від джерела з напругою 950 В, те анодна чутливість не перевершує 1А/лм, а при 1940 В вона досягає 1000 А/лм. Звідси випливає, що для забезпечення стійкої роботи ФЕП слід живитися від стабілізованих випрямлячів.

Оскільки при переході з одного емітера на інший неминуче розсіювання електронів, те реальні значення анодної чутливості виходять менше розрахункових. Зменшення розсіювання досягається створенням між емітерами фокусуючих електричних або магнітних полів.

Фотоелектронні помножувачі з фокусуючими електродами

Фотоелектронні помножувачі з фокусуючими електродами призначені для фотоелектричних вимірів при слабких світлових потоках. Принцип дії помножувачів цієї групи можна розглянути на прикладі ФЕП-17 (рис.1.8).

фотокатод

диноди

анод

Рисунок 1.8 Конструкція багатокаскадного ФЕП з фокусуючими динодами (а), еквіпотенційні лінії та траєкторії електронів між динодами (б)

Емітери в цих приладах виконуються у вигляді ковшів і розташовуються так, щоб створювані ними електричні поля забезпечували майже повний перехід вторинних електронів, що випускаються даним емітером на наступний під гострими кутами атаки до поверхні . Картина поля і траєкторії електронів у такій системі електродів представлені на рис.1.8б. На кожний наступний емітер електрони попадають в основному в центральній частині його поверхні, так що в процесі переходу від одного електрода до іншого електронний потік виявляється усе більш концентрованим.

Фотоелектронні помножувачі наскрізної дії

Перші конструкції помножувачі наскрізної дії були розроблені С.А. Векшинским. У цих приладах вторинні електрони виходять із емітера з боку, протилежного напрямку первинних електронів. У цьому випадку відсутня необхідність вживати спеціальних заходів для корегування напрямку вторинного електронного потоку від одного