книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

1 г л а в а

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Э лектронная лампа представляет собой стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический баллон, в который за­

течение гарантированного срока службы.

Электронные лампы работают в условиях электрических, меха­ нических и климатических внешних воздействий. В соответствии с

и

этим различают электрические, механические и климатические ре­ жимы работы ламп и вообще электронных приборов. Условия режи­ ма определяются его параметрами. Для электрического режима па­ раметрами, например, являются токи электродов и напряжения между ними, а также частота приложенного напряжения; для ме­ ханического режима параметрами могут быть ускорение и интен­ сивность вибраций и ударов; для климатического режима — соот­ ветственно давление, влажность и температура окружающей среды.

Специальными стандартами или техническими условиями уста­ навливаются номинальный и предельный режимы работы электрон­ ных приборов. Номинальный режим характеризует условия рабо­ ты, на которые рассчитана данная лампа. Предельный режим опре­ деляет максимально или минимально допустимые параметры лампы.

К электродам ламп, работающих в радиотехнических устройст­ вах, можно подключать источники как постоянных, так и перемен­ ных напряжений. Условия работы лампы существенным образом зависят от частоты переменного напряжения. В связи с этим раз­ личают три вида электрического режима: статический, динамичес­ кий и квазистатический. Если напряжения на электродах лампы постоянны, режим работы называют статическим. В этомслучае все параметры режима остаются неизменными. Режим, при кото­ ром хотя бы один из параметров меняется во времени, называется динамическим. Если параметры меняются настолько медленно, что режим работы лампы в любой момент времени несущественно от­ личается от статического и для лампы остаются справедливыми с определенной степенью точности законы статического режима, то такой режим называется квазистатическим. В динамическом режи­ ме связи между параметрами, характерные для статического режи­ ма, нарушаются.

Динамический режим не следует отождествлять с режимом на­ грузки или рабочим режимом, когда в цепь одного из электродов лампы включают резисторы, колебательные контуры и другие эле­ менты, которые называют нагрузкой. Существо определения стати­ ческого, квазистатического и динамического режимов не зависит от того, включена нагрузка или нет. Различие в режимах обусловлено физическими законами протекания тока между электродами при изменении частоты приложенного напряжения. В статическом ре­ жиме электрон пролетает рабочее пространство лампы при строго постоянных напряжениях на электродах. В квазистатическом режи­ ме один из параметров, например, напряжение, за время пролета электрона изменяется настолько мало, что этим изменением можно пренебречь. Тогда можно считать, что электрон пролетел рабочее пространство при почти неизменном напряжении, и в этом отноше­ нии квазистатический режим несущественно отличается от стати­ ческого. В динамическом режиме за время пролета электрона на­ пряжение, приложенное к электродам, может измениться сущест­

12

венно. Это повлияет на величину и характер тока между электро­ дами. Динамический режим имеет место в приборах, работающих на сверхвысоких частотах.

1.2. ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Виды электронной эмиссии

Для работы электронной лампы необходимо наличие электронов в междуэлектродном промежутке. Процесс выхода электронов из твердых или жидких тел называется электрон­ ной эмиссией. Причиной эмиссии могут быть нагрев тела, световое излучение, приложение электрического поля, бомбардировка тела заряженными частицами. В соответствии с характером воздействия на тело различают следующие виды электронной эмиссии:

—термоэлектронная эмиссия, обусловленная нагревом тела, испускающего электроны;

—вторичная электронная эмиссия (сокращенно вторичная эмиссия), обусловленная исключительно поглощением энергии па­ дающих иа эмиттирующую поверхность электронов;

—электростатическая (автоэлектронная) эмиссия, обусловлен­

ная наличием у поверхности тела сильного электрического’ поля;

— фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием светово­ го излучения, поглощенного телом.

В электронной лампе электроны, необходимые для ее работы, возникают в результате термоэлектронной эмиссии. Работе лампы также сопутствует вторичная эмиссия. Остальные виды эмиссии ли­ бо отсутствуют вовсе, либо проявляются несущественно.

Термоэлектронная эмиссия

Для получения нужного количества электронов като­ ду сообщают тепловую энергию путем нагрева его до определенной температуры. Эта энергия затрачивается на преодоление сил, пре­ пятствующих выходу электрона из катода, и называется работой выхода.

Согласно выводам, полученным Ферми и Дираком, распределе­ ние электронов по энергетическим уровням внутри металла выра­ жается дифференциальной кривой распределения энергии. Кривая, построенная на основании формулы

показана на рис. 1.2. Здесь dn — число электронов в 1 см3 метал­ ла, имеющих при абсолютной температуре Т энергию в интервале

13

dW; А — постоянный коэффициент; k — постоянная Больцмана; WF — уровень Ферми — максимальное значение энергии электро­ нов в металле при температуре абсолютного нуля.

На рис. 1.2 сплошной кривой показано распределение электро­ нов по энергетическим уровням при температуре абсолютного ну-, ля. При этой температуре внутри металла имеются электроны с

I Вакуум

пределение электронов по энергетическим уровням изменится и в

.соответствии с выражением (1.1) будет графически выражаться пунктирной линией. При этом количество электронов с энергиями, равными и меньшими WF, уменьшится, но появится значительное количество электронов с энергиями, большими WF и Wa. Послед­ ние и образуют эмиссионный ток.

Разность энергий Wo=Wa—WF называется внешней работой выхода или просто работой выхода. Это значение энергии опреде­ ляет необходимую температуру нагрева катода. Электроны, поки­ дая катод, оставляют его заряженным положительно (рис. 1.3) с величиной заряда +q. Положительный заряд ионизированного ато­ ма в соответствии с принципом зеркального отображения распола­ гают по нормали к линии раздела катод—вакуум на таком же рас­ стоянии, как и электрон. Электрон іи положительный заряд движут­ ся в разные стороны. Взаимодействие между ними определяется законом Кулона. Кулонова сила будет постоянной и наибольшей на междуатомном расстоянии, а затем будет ослабляться обратно пропорционально квадрату расстояния. Можно считать, что энер­ гия выхода Wo расходуется на преодоление потенциального барье­ ра q>o=W0/q, а работа WF — на преодоление потенциального барье­ ра фF=WF/q. Потенциальный барьер фр объясняется наличием у ка­ тода облака электронов, образующих поверхностный пространст­ венный заряд.

14

Количественная оценка эмиссионного тока для металлических катодов дана Дэшманом, который рассматривал термоэлектронную эмиссию как процесс испарения электронов с поверхности металла и использовал в своих выводах классические законы термодинами­ ки. Проверка его вывода на основании статистики Ферми дает близкие, подтверждающие результаты.

Формула Дэшмана для плотности эмиссионного тока имеет сле­ дующий вид:

щая от типа металла и его химической чистоты; </ф0 — работа вы­ хода, k — постоянная Больцмана.

На рис. 1.4 изображена теоретическая эмиссионная характерис­

сии в зависимости от температуры катода. При температурах, меньших 2000К, ток эмиссии пренебрежимо мал, а после 2000К он резко возрастает. При Г= 2500'К можно получить удельную эмис­ сию порядка 0,5 А с одного квадратного сантиметра поверхности.

Теоретическая эмиссионная характеристика дает представление о максимальном отборе тока с поверхности катода без учета влия­ ния электрического поля в междуэлектродном пространстве.

Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию ранее в расчет не принималось. Однако такое поле уве­ личивает электронную эмиссию. Увеличение термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля, приложенного к катоду, называется эффектом Шоттки. Сущность этого эффекта поясняется рис. 1.5, на котором кривая 1 изображает потенциаль­ ный барьер высотой фо, где фа — потенциал, соответствующий пол­ ной .работе выхода Wa, а линия 2 — внешнее ускоряющее ііоле, приложенное к катоду. Если алгебраически сложить ординаты кри­ вой 1 и линии 2, то получим результирующую кривую 3. Из. нее

15

видно, что cp' < ф а, следовательно, W'a < W а и W'Q<Wo. Таким об­

разом, приложение внешнего ускоряющего поля уменьшает работу выхода и, значит, при неизменной температуре ток термоэлектрон­ ной эмиссии возрастает.

Вторичная электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия может осуществлять­ ся как с нагретых, так и с холодных катодов. Катод, эмиттирующий ток вторичной электронной эмиссии, принято называтьвторично­ электронным катодом или эмиттером. Поверхность такого катода.

—Ui эти электроны направляются к вторично-электронному катоду и в ускоряющем электрическом поле получают энергию muf /2 =

—q(U2—Ui). Падая на вторично-электронный катод, они выбива­ ют из него п2 вторичных электронов. Ускоряющее поле U3—U2 от-' водит их на анод. Первичные электроны образуют ток U, а вторич­ ные — ток /2 Важнейшим параметром вторично-электронной эмис­ сии является коэффициент вторичной эмиссии

который показывает, сколько вторичных электронов выбивается из поверхности катода одним первичным электроном. Коэффициент вторичной эмиссии равен отношению вторичного тока к первично­ му; он может принимать значения от близких к нулю до 10 и более раз в зависимости от материала эмиттера и ряда других причин, влияющих на эмиссию.

Вторичные электроны возникают благодаря обмену энергией между первичными электронами и электронами кристаллической решетки катода. Первичный электрон может терять свою энергию внутри эмиттера и поглощаться атомами решетки. Вторичные элек­ троны также могут поглощаться атомами решетки до того, как они достигнут поверхности. Часть первичных электронов не входит в катод, а испытывает упругое отражение от его поверхности. Доля

16

таких электронов но экспериментальным данным составляет 10— 40%. Вторичные электроны, вылетевшие из катода, имеют малые значения энергии, т. е. являются медленными. Однако в общем по­ токе вторичного тока наблюдаются и быстрые электроны. Это — отраженные первичные электроны.

Коэффициент вторичной эмиссии зависит от материала эмитте­ ра. Экспериментальные исследования показывают, что максималь­ ный коэффициент вторичной эмиссии технически чистых металлов Омане 0,5-т-1,8. Наибольшее значение о имеют благородные метал­ лы: золото, серебро, платина. Прямой причиной связи коэффициен­ та вторичной эмиссии с величиной работы выхода не установлено. Работа выхода сама по себе играет незначительную роль во вто­ ричной эмиссии; гораздо более важными являются другие свойст­ ва, такие, например, как плотность металла, способность его к окислению. Перечисленные благородные металлы имеют значи­ тельную работу выхода, однако значения а у них высоки из-за от­ сутствия окислов на их поверхности. Кислород окислов является элементом, способным давать электроотрицательные ионы за счет поглощения вторичных электронов. Полупроводниковые вторично­ электронные катоды имеют амакс= 10ч-20. Коэффициент вторичной эмиссии диэлектриков близок к единице.

Причину того, что металлы имеют значения о, близкие к едини­ це, тогда как о полупроводников возрастает и, наконец, а диэлект­ риков падает, можно искать в концентрации электронов в зоне про­ водимости. У металлов концентрация электронов велика, у полу­ проводников при комнатной температуре — значительно ниже, а у диэлектриков — ничтожна. В металлах из-за большой концентра­ ции электронов большая часть энергии, полученной от первичных электронов при многочисленных столкновениях вторичных электронов с электронами проводимости, теряется. В полупровод­ никах вероятность столкновения вто­ ричных электронов с электронами про­ водимости меньше, и поэтому «выход» вторичных электронов облегчен. В ди­ электриках условия для выхода еще более «свободные». Однако в послед­ нем случае из-за ничтожной концент­ рации электронов проводимости пере­ дача энергии первичных электронов к

вторичным — редкое событие. Отсюда малое количество вторичных электронов и, следовательно, небольшой коэффициент вторичной эмиссии.

Коэффициент вторичной эмиссии зависит от скорости первичных электронов. На рис. 1.7 представлен график зависимости о от 11 = = Uz—Uі для никеля. Как видно из графика, кривая имеет макси­ мум Омане при Пмакс- У металлических катодов максимум выражен

17

слабо, а у полупроводі-шковых — резко. Происхождение максиму­ ма объясняется тем, что до значения £/макс с увеличением скоро­ сти первичных электронов возрастает их энергия и глубина диффу­ зии в катод. Вместе с этим увеличивается и число вторичных элек­ тронов, вылетающих с данной глубины. При значениях энергии, соответствующих U > U MaKC, глубина проникновения в катод пер­ вичных электронов превосходит некоторую предельную, характер­ ную для данного вещества, н коэффициент вторичной эмиссии уменьшается. С глубины, большей предельной, выход вторичных электронов затруднен вследствие большего размена энергии при большом количестве столкновении с электронами проводимости. Коэффициент вторичной эмиссии зависит также от угла падения

катода.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что процесс передачи энергии не зависит (или почти не зависит) от температуры вторично-электронного катода.

Вторичная электронная эмиссия широко применяется в фото­ электронных умножителях, специальных лампах, приемных и пере­ дающих телевизионных трубках, осциллографических и индикатор­ ных электронно-лучевых трубках, а также в запоминающих трубках и других приборах. Однако при работе электронных ламп в опре­ деленных условиях вторичная эмиссия является нежелательной.

1.3. ЭЛЕКТРОДЫ, БАЛЛОНЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

Катоды электронных ламп

ПАРАМЕТРЫ КАТОДОВ

Катод является важным элементом электронной лам­ пы. Качество работы катода определяется его параметрами. Основ­ ные из них: максимальная плотность катодного тока, эффектив­ ность и рабочая температура катода, а также его долговечность.

Максимальная плотность катодного тока. Катодным током на­ зывают электронный поток, направленный от катода к другим электродам. В диоде катодный ток равен анодному. С целью уве­ личения долговечности электронной лампы обычно максимальный катодный ток устанавливают значительно меньше полного эмис­ сионного тока катода. Величина максимально допустимого катод­ ного тока, приходящаяся на единицу поверхности катода, эмиттирующего электроны, называется максимальной плотностью катод­ ного тока. Современные катоды допускают максимальную плот­ ность тока от 0,1 д о '1,0 А/см2

18 •

Эффективность катода показывает ток эмиссии катода, выра­ женный в миллиамперах, на один ватт электрической мощности, затраченной на разогрев катода:

где /кмаис — максимальный ток эмиссии катода; /н и t/H — ток и напряжение накала.

Эффективностью катода оценивается его экономичность. Чем выше эффективность катода, тем'больший ток эмиссии можно полу­ чить от него при меньшей затрате мощности в цепи накала. Эффек­ тивность катодов лежит в пределах от 2 до 100 мА/Вт.

Рабочая температура катода. Чем ниже рабочая температура катода, тем меньшую энергию нужно затрачивать на его нагрев и •тем он экономичнее. Температура катода в значительной степени определяет тепловой режим других электродов и баллона лампы. С этих двух точек зрения целесообразно применять катоды с низ­ кой рабочей'температурой. Рабочая температура катода составляет обычно 1000—2500 К.

Долговечность катода характеризуется временем, в течение ко­ торого катод может непрерывно работать, сохраняя свои важней­ шие параметры в пределах установленных норм.

. типы КАТОДОВ

Все многообразие термоэлектронных катодов, насчи­ тывающее до 50 основных типов, по роду эмиттирующей поверхно­ сти можно разбить на следующие четыре группы: металлические, металлопленочные, полупроводниковые, сложные (металлопо­ лупроводниковые и металлокерамические).

Металлические катоды являются неактивированными. Они на­ зываются также однородными. Остальные катоды — активирован­ ные. На их поверхности имеется активный слой, который отличает­ ся по своему составу от основания (керна) катода и подвергается при изготовлении электронной лампы специальной обработке (активировке). У сложных катодов участки металла перемежаются с металлопленочной или с полупроводниковой структурой. Некото­ рые типы катодов изготовляются методами металлокерамики, т. е. путем прессования смеси компонентов при высокой температуре. Поэтому такие катоды называют металлокерамическими или керметкатодами (6].

Металлические катоды. Металлические катоды наименее эконо­ мичны, но они хорошо работают в . сложных температурных усло­ виях и обладают высокой стойкостью при бомбардировке их иона­ ми остаточных газов под воздействием сильных электрических полей. Металлические катоды находят применение в мощных лам­ пах и в тех случаях, когда требуется высокая стабильность пара­ метров катода во времени, например, в электрометрических лам­ пах. Для изготовления металлических катодов применяют металлы

19