книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

’При расчёте и проверке схем с электронными лампами надо убедиться, что напряжения на электродах каждой лампы и ток катода в рабочих условиях не будут превосходить предельно до­ пустимые величины, что мощности, выделяющиеся на электро­ дах ламп в рабочем режиме, не будут приводить к их перегреву и, следовательно, к выделению газов, могущих отравить катод.

При работе электровакуумных приборов в готовых схемах и установках основное эксплуатационное требование для катодов заключается в поддержании напряжения накала равным его но­ минальному значению. Тогда температура катода будет близка к нормальной рабочей. При отступлении от нормального режима накала возникают следующие нежелательные явления:

а) в случае повышения температуры против нормальной (пе­ рекал катода) — сокращение срока службы вследствие увеличе­ ния скорости испарения активирующих катод веществ1) и боль­ шей интенсивности процессов, приводящих к перегоранию нити накала (в катодах прямого накала) или к выходу из строя по­ догревателя (в катодах косвенного накала); в оксидных катодах в этом режиме, кроме того, быстрее формируется запорный слой;

б) в случае уменьшения температуры (недокал катода) — плохое использование и малая экономичность катода, ухудше­ ние рабочих свойств ламп в схеме.

Для некоторых ламп с оксидными катодами наблюдается со­ кращение срока службы и в режиме недокала. Вызвано это тем, что в лампах, недостаточно обезгаженных, при повышенном газоотделении из электродов и сравнительно низкой температуре катода процессы его отравления преобладают над процессами активировки.

В реальных условиях эксплуатации имеющиеся источники питания обычно не обеспечивают строгого постоянства напряже­ ния накала. Поэтому установлены определённые допуски на ра­ бочее напряжение накала. Для большинства электронных ламп отклонение напряжения накала от номинального допускается до ±10% . Заметим, что это напряжение должно измеряться на за­ жимах (штырьках) лампы, но не на зажимах источников пита­ ния, так как всегда существует некоторое падение напряжения в подводящих проводниках (обычно 0,1-ь 0,2 в). При колебаниях напряжения накала в пределах ±10% обеспечивается сохране­ ние необходимых величин рабочих параметров ламп и нормаль­ ная долговечность катода. В схемах же с особо долговечными лампами требования к поддержанию постоянства напряжения

’) Осаждение бария и других активирующих веществ на аноде и сетках приводит, помимо сокращения срока службы катода, к следующим неблаго­ приятным последствиям: изменяется контактная разность потенциалов меж­ ду катодом и другими электродами, вследствие чего происходит изменение (сдвиг) характеристик ламп (см. §§ 7.1 и 9.5); кроме того, из-за уменьше­ ния работы выхода при напылении активирующих веществ возрастает ток термоэлектронной эмиссии управляющей сетки (см. § 9.6).

60

накала более жёсткие: допускается отклонение напряжения на­ кала от номинального не более ± П 2)%.

Контроль накала осуществляется с помощью вольтметра или амперметра.

Для ламп с чисто металлическими катодами контроль по вольтметру обеспечивает значительно больший срок службы. Это можно объяснить так. Вследствие испарения материала катода его диаметр постепенно уменьшается, поэтому для поддержания постоянства рабочей температуры в процессе эксплуатации ка­ тода следовало бы ток накала соответственно уменьшать. Если же, как это приходится делать на практике, поддерживать, поль­ зуясь амперметром, постоянство тока накала, то это будет вы­ зывать постепенно увеличивающийся перекал катода,, достига­ ющий, как показывают подсчёты, в конце срока службы катода 17%, и, следовательно, ведущий к значительному сокращению срока службы катода. Если же поддерживать режим постоянства

катода, увеличивает долговечность катода. Как показывает бо­ лее подробный разбор этого явления и как подтверждает опыт, режим t/„=const обеспечивает продолжительность работы ка­ тода в 2,5 - 3 раза большую, чем режим / K=const. Это обстоя­ тельство имеет некоторое значение и для ламп с активирован­ ными катодами, так как перегорание катода (или выход из строя подогревателя в катодах косвенного накала) является одной из причин отказа в работе и этих ламп.

Поэтому контроль накала ведут обычно по вольтметру на за­ жимах катода и только в случае отсутствия вольтметров необхо­ димой чувствительности (например, при малых напряжениях накала — 2-4-3 в при питании переменным током) используют для контроля накала амперметр.

Включение накала ламп с мощными катодами следует про­ изводить постепенно для уменьшения «пусковых токов» накала. Для этой цели последовательно с катодом включают реостат, сопротивление которого регулируют так, что величина тока в цепи накала не может сделаться слишком большой. Этим же реостатом накала пользуются для того, чтобы погасить в нём излишек напряжения источника тока в тех случаях, когда оно больше напряжения, требуемого на зажимах катода, и для того, чтобы поддерживать постоянство режима накала работающего катода при возможных колебаниях напряжения источника тока. Для автоматической регулировки пускового тока применяются термисторы.

В § 3.1 мы уже отмечали, что при питании катода прямого накала постоянным током происходит неравномерный нагрев катода: анодный ток, проходя по катоду и накладываясь на ток накала, вызывает перегрев отрицательного конца катода,

61

Г Л А В А 4

ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ

§ 4.1. Движение электронов в однородном электрическом поле

Так как на основании закона сохранения энергии прираще­ ние кинетической энергии электрона, двигающегося в электри­ ческом поле, должно равняться работе, затраченной полем на перемещение электрона, то скорость движения электрона в электрическом поле зависит только от разности потенциалов U в начальной и конечной точках пути, пройденного электроном,, и не зависит от формы пройденного пути:

Но во многих случаях технического использования электрон­ ного потока в электровакуумных приборах важно бывает знать и траектории, по которым двигаются электроны в междуэлектродном пространстве. Поэтому следует рассмотреть основныезакономерности движения электронов в электрических, а так­ же в магнитных полях.

63.

но-ускоренно или равномерно-замедленно в зависимости от

значение в первое уравнение, получим уравнение траектории электрона

которое показывает, что электрон двигается по параболе, от­ клоняясь под действием поля от своего начального прямоли­ нейного пути в сторону положительных потенциалов поля.

В ряде случаев для определения электронных траекторий более простыми и удобными являются методы, даваемые гео­ метрической электронной оптикой. Пусть электрон, двигающий­ ся в однородном электрическом поле, подходит к эквипотен­

полная скорость электрона, который, как это показано на рис. 4.2, будет теперь иметь скорость v2, составляющую угол а2 с нор­ малью к эквипотенциальной линии U2. Из условия, что состав-

64

ляющая скорости, параллельная эквипотенциальным линиям, не изменяется по своей величине, следует

определить новое направление траектории электрона. При не­ большой разности потенциалов {/2 — £/х угол а2 немного отли­ чается от угла ах, и траекторию электрона можно представить как прямолинейную, меняющую своё направление (преломляю­ щуюся) на угол Да = а2 —ах в середине участка между соседни­ ми эквипотенциальными линиями.

Траектория электрона преломляется подобно тому, как преломляется луч света, переходя из одной среды в другую, и ф-ла (4.3), выражающая закон преломления электронной

шением скоростей электрона.

Из полученных соотношений видно, что при.движении элек­ трона в ускоряющем поле (U2> Ux) угол преломления а2 меньше угла падения ах, т. е. траектория электрона прибли­ жается к нормали. В тормозящем электрическом поле (U2< t/x) угол а2 больше угла ах, и траектория электрона сильнее откло­ няется от нормали.

Для того чтобы, пользуясь описанным законом преломления, найти траекторию электрона, следует при помощи эквипотен­ циальных линий представить электрическое поле, в котором перемещается электрон, в виде тонких двойных слоёв, в каж­ дом из которых потенциал изменяется скачком, а в пространст­ ве между слоями остаётся постоянным. Определяя последова­ тельно изменение направления скорости электрона в этих слоях, нетрудно построить всю траекторию электрона. Очевидно, что чем больше взято слоёв, т. е. чем меньше разность потенциалов между соседними слоями, тем точнее определяется искомая траектория.

Если электрон перемещается в однородном отклоняющем электрическом поле и нужно определить только отклонение его траектории при выходе из поля от начального направления пу-

ти, то этот угол отклонения можно найти, не определяя всей траектории. Действительно, для каждого из слоёв, на которые мы разделяем поле, имеем

тенциалов точек, в которых электрон входит в отклоняющее поле и выходит из него.

§ 4.2. Траектории электронов в неоднородных электрических полях

В электровакуумных приборах очень часто приходится иметь дело с неоднородными полями, в которых напряжённость поля изменяется и по величине и по направлению при переходе от одной точки поля к другой. В таких полях электроны дви­ гаются по сложным, весьма разнообразным траекториям, фор­ ма которых зависит от конфигурации поля.. От того, по каким траекториям двигаются электроны, зависит распределение элек­ тронов и величина тока в цепях различных электродов лампы, а следовательно, и свойства лампы в целом. Усовершенствова­ ние существующих типов ламп или разработка новых конструк­ ций также требует знания характера движения электронов, что­ бы путём создания соответствующих электронных траекторий добиться наиболее рационального решения поставленных задач.

Изучение траекторий электронов в неоднородных полях яв­ ляется, вообще говоря, нелёгкой задачей. Аналитическое опре­ деление этих траекторий очень часто бывает невозможным, таккак для огромного большинства применяемых в наших нриборах полей весьма сложной формы трудно найти аналитическое выражение потенциальной функции u= f (х, у, z). Только в от­ дельных случаях при допущении ряда упрощений можно ана­ литически рассчитать траекторию электрона или отдельные эле­ менты её. В большинстве же случаев для определения траекто­ рий электронов в готовых или проектируемых приборах обра­ щаются к числовым расчётам или моделированию.

Очень наглядным является изучение траекторий электронов

66

размещённой в горизонтальной плоскости (резиновая мембра­ на). Если при помощи специальных подпорок, имеющих.форму сечений электродов исследуемого прибора, сместить в верти­ кальной плоскости отдельные участки мембраны на. величину, соответствующую потенциалам электродов (причём,. положи­ тельным потенциалам соответствует смещение вниз, а отрица­ тельным — вверх), то, как показывает математический ана­

так как позволяет удобно и быстро определять характер дви­ жения электронов в сложных полях и подбирать необходимую конфигурацию электродов.

Весьма распространённым является графр-аналитпчесют метод построения электронных траекторий.

Для построения траекторий но этому методу необходимоиметь картину электрического поля, в котором перемещаются электроны. Получить картину поля между электродами иссле­ дуемого прибора при заданных на них потенциалах можно или расчётным путём, или экспериментально. Расчётные методы требуют, как правило, большой вычислительной работы й мо­

дающими конечные результаты являются экспериментальные методы определения распределения потенциала в междуэлектродном пространстве сложных систем, применяемых в совре­ менных электровакуумных приборах. Из различных предло­ женных для этой цели Способов наибольшее применение полу­ чил метод электролитической ванны ').

Исследуя в электролитической ванне поле увеличенной мо­ дели заряженных электродов, мы получаем ряд эквипотенци­ альных линий, определяющих характер поля в интересующем ■нас сечении исследуемой системы электродов. На рис. 4.4 при-

ведена полученная этим методом картина электрического поля в'- диаметральном сечении триода с цилиндрическим анодом и спиральной сеткой. Сплошными кривыми показаны эксперимен­ тально снятые эквипотенциальные линии, потенциалы которых указаны в.вольтах; пунктиром проведены силовые линии поля.

Для построения траектории электрона, находящегося в ка­ кой-либо точке поля, надо знать величину и направление ско­ рости электрона и величины потенциалов эквипотенциальных линий поля, пересекаемых электроном при его движении.

На тех участках поля, где соседние эквипотенциальные ли­ нии идут параллельно друг другу или их можно приближённо считать параллельными (например, участок АА' на поле рис. 4.4), траектория электрона строится по правилам, изложенным в предыдущем параграфе для случая движения электрона в однородном электрическом поле. Если эквипотенциальные ли­ нии далеки от параллельности, то траектория электрона силь­ но искривлена (участок ВВ' на рис. 4.4) и вышеописан-

■) В. С. Л у кош к о в. «Моделирование источников поля в электролити­ ческой ванне при решении задач математической физики». «Электроника» №№ 7, 8, 1958 г. (Научно-технический сборник НИИ ГКРЭ).

68

пый метод для определения траектории даёт неверные:резуль­ таты. В этом случае траекторию следует строить из небольшие участков дуг окружностей, радиусы которых определяются из следующих соображений.

Зная радиус кривизны г, можно при помощи циркуля,, по­ строить небольшой участок траектории, в конце которого надо вычислять новое значение г для следующего участка.. Обратим внимание на следующую, вытекающую из рассмотренных поло­ жений, особенность движения электрона в неоднородном элект­ рическом поле. Если в однородном поле электроны, не имевшие начальной скорости (оп=0), двигаются по силовым линиям по­ ля, то в неоднородных электрических полях, получающихся на практике в электровакуумных приборах, траектории таких электронов, как правило, не совпадают с направлением силовых линий. Обычно это несовпадение получается в тех случаях, ког­ да электрон, пройдя на одном участке поля большую разность потенциалов и получив большую скорость в определённом на­ правлении, попадает в другой участок поля с малой напряжён­ ностью, имеющей резко отличное от прежнего направление.

Электрон, выходящий из катода в точке А с ничтожно ма­ лой скоростью (оо^О). двигается от катода по силовым линиям поля; на участке АВ градиент поля сравнительно велик и элек­ трон, подходя к точке В, имеет уже значительную скорость о. За точкой В напряжённость поля, изменяя овоё направление, резко уменьшается (это видно из значений потенциалов в раз­ ных точках поля), и силовая линия поля в этом участке резко искривляется. Если бы мы поместили в точку В электрон, не имеющий скорости, то он под действием силы поля начал бы двигаться по силовой линии. Электрон же, прилетевший в точ­ ку В с большой скоростью v, направленной вверх к аноду, под действием силы поля в этой точке лишь немного искривит свою траекторию, поскольку, как было указано выше, радиус кривиз-

трон, как бы «по инерции», пролетает мимо витков сетки и дви­

69