книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

Гл а в а 4

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

§1. Электронная эмиссия

Вметаллах электроны легко отделяются от атомов, которые при этом оказываются заряженными положительно. Если элек­ трон покидает атом, то он становится свободным, а нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион, т. е. про­ изойдет ионизация. Если между двумя точками внутри метал­ ла создать разность потенциалов, то движение электронов ока-,

жется направленным.

При обычных условиях движущиеся внутри металла свобод­ ные электроны не могут выйти за его пределы, так как они при­ тягиваются положительно заряженными ионами металла. Энер­ гия движущихся электронов оказывается недостаточной, чтобы преодолеть силу этого притяжения.

Для того чтобы электроны все же покидали металл (для создания электронной эмиссии), им необходимо сообщить тем или иным способом дополнительную энергию. Наименьшая ра­ бота, совершаемая при сообщении дополнительной энергии электрону для вылета из металла, называется работой выхода.

В зависимости от того, какой вид энергии сообщается метал­ лу для совершения его электронами работы выхода, различают виды эмиссии: термоэлектронную, фотоэлектронную, автоэлектронную и вторичную.

Ток, создаваемый излучаемыми электронами, называется то­ ком эмиссии.

При термоэлектронной эмиссии происходит излучение элект­ ронов с поверхности нагретого металла.

При фотоэлектронной эмиссии электроны получают дополни­ тельную энергию при освещении металла лучами видимого или невидимого спектра.

При автоэлектронной эмиссии происходит излучение электро­ нов из металла благодаря действию высокой напряженности электрического поля у его поверхности.

Вторичная электронная эмиссия возникает при бомбардиров­ ке металла другими электронами, которые отдают свою энер­ гию электронам атомов металла, и последние покидают его.

61

Из перечисленных видов эмиссии на практике в основном применяются термоэлектронная и фотоэлектронная.

Металлический проводник (электрод), предназначенный для эмиссии электронов, называется катодом.

Термоэлектронный катод (будем называть его дальше'просто катодом) характеризуется следующими параметрами: удельной эмиссией, эффективностью, долговечностью и рабочей темпера­ турой.

Удельная эмиссия Ieq — эт0 величина тока электронной

эмиссии с 1 см2 поверхности катода при нормальной рабочей температуре. Удельная эмиссия зависит от температуры, поверх­ ности и свойств материала, из которого изготовлен катод.

обладает хорошей ковкостью и тягучестью. Его рабочая темпе­ ратура 2130—2430° С, эффективность 2н-10 , долговечность

1000 ч.

Недостатком вольфрамового катода является большая рабо­ та выхода. Для ее уменьшения вольфрамовую проволоку по­ крывают активным слоем (обычно бария), получая таким обра­ зом активированный (пленочный) катод. Такой катод имеет па­

62

проходит изолированная вольфрамовая нить; ток накала прохо­ дит по нити, которая, разогреваясь, нагревает цилиндрик, яв­ ляющийся катодом (рис. 55, б).

Рис. 55. Конструкции катодов

Такой катод обладает большой'тепловой инерцией, что поз­ воляет накаливать его переменным током; катод же прямого накала можно питать переменным током лишь в том случае, если он выполнен из толстой проволоки, что бывает лишь в мощ­ ных радиолампах. Основным недостатком подогревного катода является то, что на его прогрев требуется много времени (от

15 до 25 с).

§ 2. Элементы электронной оптики

Если на некотором расстоянии от катода поместить метал­ лическую пластину (анод) и подать на нее положительный по­ тенциал относительно катода (рис. 56), то между пластиной и катодом образуется электрическое поле, силовые линии ко­ торого направлены от анода к катоду.

Напряженность этого поля

63

пряженность поля, т. е. F = eE, стремящаяся переместить элект­ рон навстречу электрическому полю. Так как поле равномерно, то сила, действующая на электрон в любой точке поля, одна и та же. Следовательно, электрон будет двигаться равноускоренно

и приобретать кинетическую энергию — .равную р'аботе, ко­

торую затрачивает поле на его перемещение. Эта работа равна произведению силы на путь:

Рис. 56. Движение электрона а однородном электрическом поле

Таким образом,

(59)

Подставив известные величины заряда и массы электрона, определим скорость электрона через пройденную им разность потенциалов:

Если электрон, имея начальную скорость v0, попадает в продольное равномерное электрическое поле, направление ко­ торого совпадает с направлением движения электрона (рис. 56, о, электрон 2), то это поле тормозит его движение, так как сила F направлена в сторону, противоположную начальной скорости электрона v0. Для электрона 3 (рис. 56,- а) это же поле будет ускоряющим. Поэтому электрон 2 будет двигаться равнозамед­ ленно, теряя свою энергию, а энергия поля при этом возрастает. Электрон 3 движется равноускоренно, кинетическая энергия его возрастает, а энергия поля уменьшается.

64

Поле, направленное перпендикулярно вектору начальной скорости электрона, называют поперечным. Сила F, с которой электрическое поле действует на электрон, направлена перпен­ дикулярно начальной скорости электрона (рис. 56, б, элект­ рон 1). Под действием этой силы электрон приобретает скорость vu направленную навстречу полю. В результате влияния двух взаимно перпендикулярных скоростей — постоянной v0 и непре­ рывно возрастающей щ — электрон будет двигаться по траек­ тории, представляющей собой параболу, приближаясь к аноду.

После выхода из электрического поля он будет двигаться по инерции прямолннейно.

Наконец, в самом общем случае электрон попадает в поле, имея начальную скорость v0, под углом а к силовым линиям по­ ля (рис. 56, б, электрон 2). В этом случае скорость v0 следует разложить на две составляющие, направленные вдоль и попе­ рек поля, и, рассмотрев оба движения самостоятельно, сложить результаты.

Кроме электрического поля на движение электрона оказывав ет влияние магнитное поле. Пусть электрон движется со ско­ ростью v в однородном магнитном поле, т. е. в поле, силовые линии которого прямолинейны, параллельны между собой и имеют одинаковую частоту. Сила F, с которой поле действует на электрон, зависит от напряженности магнитного поля Н, ве­ личины и направления начальной скорости и0.

Направление силы F можно определить по правилу бурав­ чика: если вращать ручку буравчика от Я к t)0 (рис. 57, а), то поступательное движение буравчика совпадает с направлением силы F. Таким образом, сила F перпендикулярна направлению силовой линии магнитного поля и направлению скорости элек­ трона.

Рис. 57. Движение электрона в однородном магнитном поле

Рассмотрим характерные случаи движения электрона в маг­

но направлена вдоль силовых линий поля. И в этом случае си­

ла F равна нулю, т. е. электрон движется вдоль силовых ли­ ний, не меняя ни величины, ни направления скорости.

3. Начальная скорость т 0=£О, но направлена перпендикулярно силовым линиям. В этом случае электрон движется под дейст­ вием силы F по окружности, лежащей в плоскости, перпендику­ лярной силовым линиям (рис. 57, б).

4.Начальная скорость не равна нулю (г'оэ^О), но направлена

ксиловым линиям поля под некоторым углом а. Скорость v0 можно разложить на составляющую v0', направленную вдоль

силовых линий, и составляющую щ ", направленную перпенди­ кулярно силовым линиям поля. Под действием v0' электрон дви­ жется, как и в случае 2, вдоль силовых линий, а под действием Го", как и в случае 3, по окружности. Под действием обеих со­ ставляющих электрон движется по спирали, ось которой направ­ лена параллельно силовым линиям поля (рис. 57, в).

Зная законы движения электронов в электрическом и маг­ нитном полях, можно управлять электронным потоком: уско­ рять или замедлять его, отклонять в ту или другую сторону, фокусировать его.

§ 3. Двухэлектродные лампы (диоды)

Диод является простейшей электронной лампой. Он состоит из стеклянного или металлического баллона, в котором нахо­ дятся два электрода: катод и анод. В баллоне создается вы­ сокий вакуум, для подключения лампы к схеме через основание пли стенки баллона делают металлические выводы от электро­ дов. Устройство катода уже рассмотрено; анод же представ­ ляет собой металлический цилиндр, окружающий катод, или имеет плоскую форму. На рис. 58 изображены схемы включе­ ния в электрическую цепь диода с катодом прямого и косвенно­ го накала.

Для работы диода к нему необходимо подвести напряжение накала и„ и напряжение анода иа.

При накале катода до рабочей температуры он испускает электроны, которые при положительном напряжении на аноде перемещаются к аноду. Промежуток анод —катод замкнется электронным потоком, и в цепи возникнет ток, называемый анод­ ным. Цепь, по которой проходит анодный ток, называется анод­ ной цепью и включает в себя источник анодного напряжения, участок анод — катод, соединительные провода. Кроме этой цепи в лампе есть еще накальная цепь, образуемая источником пи­ тания накала и нитью накала.

Электроны, вылетающие из катода, при положительном на­ пряжении на аноде попадают в ускоряющее поле участка анод — катод, разгоняются полем, достигая анода, бомбардируют и на­ гревают его. Сильно перегретый анод может расплавиться, по­ этому принимают специальные меры к его охлаждению: чернят

66

тронов к катоду; поэтому на анод попадает только часть выле­ тевших из катода электронов, анодный ток невелик и значитель­ но меньше тока эмиссии катода.

По мере увеличения иа все большее количество электронов попадает на анод, анодный ток быстро растет, а пространствен­ ный заряд, рассасывается. При некотором напряжении на аноде иа ускоряющее поле анода становится настолько большим, что

пространственный заряд полностью рассасывается и все элект­ роны, вылетевшие из катода, попадают на анод. Этот режим ра­ боты диода называется режимом насыщения, а анодный ток, получаемый при этом,— током насыщения, который примерно равен току эмиссии.

Сравнение характеристик, снятых при различных и и а

показывает, что в восходящей части они почти совпадают, но при большем напряжении накала ток насыщения наступает при боль­ шем значении напряжения ,иа и предельное значение тока растет.

К параметрам диода, характеризующим его свойства, отно­ сятся крутизна характеристики 5, внутреннее сопротивление Ri и мощность Ра, рассеиваемая на аноде потоком падающих на него электронов.

Крутизной характеристики диода называется отношение при­ ращения анодного тока Д/а к вызвавшему его приращению анод­ ного напряжения Дыа (рис. 59, б) :

(61)

Внутренним сопротивлением диода называется отношение изменения анодного напряжения Дыа к вызванному им, измене­ нию тока Д/а, т. е.

(62)

Внутреннее сопротивление является величиной, обратной кру­ тизне лампы:

(63)

Внутреннее сопротивление Ri представляет собой сопротив­ ление диода переменному току; оно различно в различных точ­ ках характеристики; определяют его и крутизну обычно в сере­ дине прямолинейного участка анодной характеристики (рис. 59, б, треугольник АВС).

Мощность, рассеиваемая на аноде Яа= / аыа — это максималь­ но допустимая мощность, при которой не происходит заметного изменения параметров лампыза счет нагрева анода. Другими словами, режим работы диода должен выбираться таким, что­

68

бы произведение / аиа не превышало мощности, рассеиваемой на аноде и указанной в паспорте диода.

§4. Трехэлектродные лампы (триоды)

Втриоде кроме катода и анода имеется сетка, которая пред­

ставляет собой спираль из проволоки, расположенную ближе к катоду. Сет.ка позволяет управлять величиной анодного тока, поэтому она получила название уп­

Но количество долетающих до анода электронов зависит от на­ пряжения на сетке. Если напряжение, подводимое к сетке, отри­ цательно, сетка тормозит движение электронов. Можно подать на сетку отрицательное напряжение такой величины, что анод­ ный ток полностью прекратится. Это сеточное напряжение назы­ вается запирающим, а лампа в таком состоянии — запертой. При небольшом отрицательном напряжении на сетке ее тормозящее действие мало и часть электронов пролетает к аноду, т. е. 1ЛЧ=0.

Если ие= 0, триод работает аналогично диоду и величина -

. La определяется величиной анодного напряжения «а.

При положительном напряжении на сетке между сеткой и катодом образуется дополнительное ускоряющее поле, часть электронов перехватывается сеткой. Но поле сетки помогает полю анода притягивать к себе электроны, поэтому большинство

69