Физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов
Литература:
Аваев Н.А., Шишкин Г.Г. Электронные приборы.: Учебник для вузов/Под ред. проф. Г.Г. Шишкина. – М.: Изд-во МАИ, 1996. – 544 с.: ил. (гл. 12)
1
Электровакуумные приборы – это устройства состоящие из системы управляющих электродов, в которых рабочее пространство изолировано баллоном и имеет высокую степень разряжения или заполнено специальным газом.
Принцип действия этих приборов основан на электрических явлениях, связанных с движением заряженных частиц в вакууме или газе.
Электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные (газоразрядные)
Вэлектронных вакуумных приборах (ЭВП) электрический ток обусловлен движением только свободных электронов в вакууме. К электронным вакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектрические приборы и др.
Вгазоразрядных приборах (ГРП) электрический ток возникает в результате возникновения электрического разряда в инертном газе или парах нагретых металлов (например, ртути). К газоразрядным приборам относятся приборы тлеющего, дугового, высокочастотного разряда и др.
1 |
3 |
4 |
|
||
|
|
|
|
|
2 |
Рис. 1.Схематическое
изображение электро- вакуумного прибора
Катод 2 (эмиттер) – это электрод, испускающий (эмитирующий эле- ктроны). Изготавливается из туго- плавких металлов, например, W, Mo. Анод 3 (коллектор) – электрод, со- бираюший (коллектирующий) эле- ктроны.
Сетка 4 – это электрод, управля- ющий потоком заряженных частиц.
Выводы от электродов дела- ются через цоколь, торцевые и бо- ковые поверхности баллонов 1 из- готовлены из стекла, металла, кера- мики.
2
Эмиссия электронов
Эмиссия – это испускание электронов твер- |
|
|
дым телом, осуществляемое путем подведе- |
Е |
|
ния к телу энергии от внешнего источника. |
||
Работа выхода электронов рассчитывается из |
|
|
выражения |
|
|
χ=W0 – WF, эВ, |
(1) |
|
где W0 – энергия электрона в свободном |
Рис. 2. Образование двойного |
|
пространстве вблизи поверхности катода; WF – |
||
энергия уровня Ферми электронов в материале |
электрического слоя при эмис- |
|
катода. |
|
сии электронов из катода |
Величина работы выхода χ для различных |
|
|
материалов составляет 2…5 эВ. |
вблизи поверхности катода образуется двойной |
|
В результате выхода электронов |
||
электрический слой, образующий тормозящее электрическое поле Е для электронов, вылетающих с поверхности катода (рис. 2). Сила Fд..э.с., с которой тормозящее поле Е дей-
ствует на электроны, равна Fд..э.с=qE, где q – заряд электрона.
При удалении от поверхности тела на электрон действует тормозящая сила зеркального
изображения |
1 |
|
q |
2 |
|
|
F |
|
|
, Н, |
(2) |
||
4 0 |
|
r 2 |
||||
s |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
где r – расстояние от поверхности, м; ε0 =0,086·10-10 Ф/м– электрическая постоянная. 3
Виды эмиссии
1. Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева катода. Плотность тока термоэлектронной эмиссии рассчитывается из
выражения |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
je A0T |
|
exp |
|
|
|
10...150 |
А/см2, |
(3) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
kT |
|
|
|
|
где χ – работа выхода, эВ; k=8,6·10-5 эВ/K – постоянная Больцмана; А0=103…3·104 А/(м·К)2 – константа Ричардсона; Т – абсолютная температура, К.
Для создания термоэлектронной эмиссии применяют термоэле- ктронные катоды (термокатоды). Основные параметры термока-тодов следующие.
1.Траб=700…2000 оС – рабочая температура катода.
2.Рн – мощность энергии, потребляемой катодом, Вт.
3.Ie – эмиссионный ток, мА.
4.H Ie 
Pн =5…200 мА/Вт – эффективность катода.
5.Срок службы, час.
4
Классификация термокатодов осуществляется по следующим признакам.
1.По способу нагрева.
Прямонакальные катоды изготавливаются из тонкой проволоки или ленты и подогреваются постоянным током.
Подогревные катоды – это катоды косвенного накала, которые содержат изолированную нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, выполненный в виде металлического цилиндра с активированной внешней поверхностью. Могут подогреваться переменным током.
2. По используемым материалам.
Активированные металлические катоды представляют собой металлическую основу (керн), изготовленную из пористых тугоплавких металлов (вольфрама или молибдена). На поверхность керна нанесены материалы с небольшой работой выхода 2…3 эВ (барий, торий, стронций).
Характеристики активированных металлических катодов: эмиссионный ток Ie 105 A/м2, Траб= 1500…1700 оС.
Оксидные полупроводниковые и металлополупроводниковые катоды
представляют оксиды BaO, ThO, CaO, SrO, нанесенные на керн из W или Ni. Работа выхода электронов из таких катодов гораздо ниже и составляет величину около 1 эВ. Поэтому эффективность работы таких катодов гораздо выше и характеризуется следующими показателями: эмиссионный ток Ie 1,5·106 A/м2, а рабочая температура Траб не превышает 1000 оС.
5
Другие виды эмиссии
2. Фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов под действием сета, рентгеновского излучения. Для создания фотоэлектронной эмиссии применяют фотокатоды. Эффект фотоэлектронной эмиссии наблюдается, когда энергия падающих квантов электромагнитного излучения больше работы выхода электронов χ из материала катода:
hν>χ, |
(4) |
где h=4,13·10-15 эВ·с – постоянная Планка; ν 1014…1015 Гц – частота |
электро- |
магнитного излучения. |
|
Пороговая энергия фотоэлектронной эмиссии определяется из выражения hνкр=χ, где νкр – пороговая частота фотоэлектронной эмиссии (известная, как красная граница фотоэффекта).
3. Вторичная электронная эмиссия – это эмиссия происходящая при бомбардировке поверхности тел потоком электронов или ионов. Характеристикой вторичной электронной эмиссии является коэффициент вторичной эмиссии σ, представляющий отношение количества испускаемых электронов n2 к количеству падающих на поверхность электронов n1:
|
n2 |
1...3 . |
|
n1 |
|||
|
6 |
Виды эмиссии (окончание)
4. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия – это эмиссия, происходящая под действием сильного электри- ческого поля Е, воздействующего на поверхность катода. Для этого вблизи катода, выполненного в форме острия, располагается второй электрод – анод, на который подается положительный потенциал, создающий напряженность поля вблизи поверхности катода около 106 В/см. При этом работа выхода электронов из катода резко снижается. В результате возникает ток эмиссии за счет туннельного перехода электронов с поверхности катода через узкий потенциальный барьер.
7
Электронно-управляемые лампы
Электронно-управляемые лампы (эле- ктронные лампы) - это устройства, в кото- рых осуществляется управление потоком электронов в вакууме. По количеству ос- новных электродов различают двух- электродные лампы – диоды, трехэле- ктродные – триоды, четырехэлектрод-ные
– тетроды, пятиэлектродные лампы – пентоды и др.
+Ua |
А |
|
К
Uн
Рис. 3. Схематическое
изображение электро- вакуумного диода
Диод (рис. 3, а) – это электронная лампа, которая имеет два элек- трода – катод, К, и анод, А. При использовании катода косвенного нака- ла имеется еще два вывода от нити накала, на которую подается напря- жение накала Uн. Потенциал анода Ua положителен относительно като- да. Эмитированные катодом электроны перемещаются к аноду и соз- дают анодный ток Ia
8
Характеристики электровакуумного диода
Анодная характеристика диода представлена на рис. 4. Если потенциал катода выше потенциала анода, то ток анода Ia=0. Следовательно, диод проводит ток в одном направлении. Свойство односторонней проводимости используется для выпрямления переменного тока и преобразования радиочастотных сигналов. При Ua=Uaнас все электроны, эмитированные катодом, достигают ано- да и наступает режим насыщения. Нелинейность анод- ной характеристики используется для детектирования и
ограничения сигналов.
Iа |
Uн2>Uн1 |
|
|
|
Uн1 |
Ua нас1Ua нас2 Ua
Рис. 4. Анодная
характеристика
электровакуумного
диода
Параметры электровакуумного диода.
1. S dIa - крутизна анодной характеристики, мА/В. dU a
2. R0 |
|
U a |
- статическое сопротивление, Ом. |
|
Ia |
||||
|
|
|
9
Электровакуумный триод
Триод (рис. 5). В этой электронной лампе между катодом и анодом расположена управляющая сетка, С. Анодный ток Ia сильно зависит от потенциала сетки Uc из-
за изменения рас-пределении электрического потенциала в междуэлектродном пространстве.
Если подать на сетку достаточно большое отрицательное напряжение Uc0<0, называемое напряжением запирания, то все
электроны могут быть возвращены к катоду. Это обусловлено тем, что во всем пространстве между катодом и сеткой появляется тормозящее электрическое поле. В этом случае величина анодного тока Ia становится равной нулю.
Если теперь уменьшать отрицательное напряжение на сетке (| Uc |<| Uc0|), то электрическое поле между сеткой и
катодом под влиянием потенциала анода делается ускоряющим и часть электронов устремляется к аноду, образуя анодный ток Ia. При этом, как только электрон пройдет сетку, на него начнет
действовать отталкивающая сила, обусловленная отрица- тельным зарядом на сетке.
При положительном напряжении на сетке (Uc>0) часть электронов попадает также и на сетку, образуя сеточный ток Ic.
+Ua |
Ia |
А |
Iс C
Uс |
К |
Iк |
|
Uн
Рис. 5. Схематическое
изображение электро- вакуумного триода
Если Ia>Ic , то в цепи ка-
тода лампы протекает ток
катода Iк=Ia+Ic. Характе- ристикой отношения
анодного тока к току сет-
ки служит |
коэффициент |
||
токораспределения |
|||
Kт |
|
Ia |
1 |
|
|||
|
|
Ic |
|
10