Любой вакуумный электронный и газоразрядный прибор со
стоит из системы электродов, предназначенных для управления
физическими процессами внутри баллона, отделяющего внеш нюю среду от рабочего внутреннего пространства прибора.
В каждом типе электровакуумных и газоразрядных приборов создаются свои специфические системы электродов. Однако во
всех типах электровакуумных и большинстве типов газоразряд ных приборов имеются: катоды - электроды, испускающие (эмнтн
рующне) электроны, и аноды - электроды, собирающие (коллектн рующне) электроны. Для управления потоками заряженных частиц
во многих приборах используются уnравпяющне электроды, выпол ненные в виде сеток или профилированных пластин, и специаль цые электромагнитные элементы конструкции (катушки). Конст рукции электродов очень разнообразны и определяются назначе нием приборов и условиями их работы. В приборах отображения информации в наглядной (визуальной) форме (электронно-луче
вые трубки - ЭЛТ, индикатор:Ьr и другие приборы) широко ис
пользуются специальные конструктивные элементы - экраны, с
помощью которых энергия электронного потока или электриче
ского поля преобразуется в оптическое излучение (свечение) тела.
Баллоны электровакуумных и газоразрядных приборов изго тавливаются самой разнообразной формы из стекла, металла,
керамики, а также из различных комби.наций этих материалов.
Выводы от электродов делаются через цоколь, торцевые и боко вые поверхности баллонов.
11.2. Основы эмиссионной электроники
Работа выхода. Чтобы сформировать поток свободных электро нов, перемещающихся в вакууме или газе под действием электри
ческих и магнитных полей, необходимо обеспечить выход элект ронов из твердого тела (чаще всего металла, полупроводника). Ис
пускание электронов твердым телом называется эмиссией и
осуществляется путем подведения к телу энергии от внешнего ис
точника. Энергия, равная разности энергии Е0 электрона, покоя щегося в свободном пространстве на расстоянии, где силами, дей
ствующими на электрон со стороны поверхности твердого тела,
можно пренебречь, и энергии ЕФ, соответствующей уровню элек
трохимического потенциала системы электронов в твердом теле
(уровню Ферми, см. п. 1.1), т. е. А= Е0 - ЕФ, называется рабо-
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 303
той выхода (см. также п. 2.6). Работа выхода обычно выражает
ся в электрон-вольтах (эВ).
Работа выхода электрона складывается в основном из работы по преодолению силы, действующей на электрон со стороны
двойного слоя, и силы зеркального отображения. Двойной электриче
ский слой образуется вылетевшими с поверхности катода элект
ронами и положительными ионами решетки материала катода,
ваемое этим слоем, ускоряет вылетающие электроны, т. е.
уменьшает работу выхода электроньв. Например, при нанесе
нии одноатомного слоя бария на поверхность вольфрама (W) ра
бота выхода уменьшается с 4,5 эВ (чистый W) до 1,56 эВ (акти вированный W).
В зависимости от вида энергии, подводимой :к веществу, раз
личают термо-, фото-, вторичную и электростатическую электронные
эмиссии частиц.
Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева ве
щества. С ростом температуры вещества увеличивается энер
гия, получаемая электронами, и возрастает вероятность совер
шения ими работы выхода и покидания металла.
Зависимость плотности тока термоэмиссии jе от температуры
тела (катода) Т определяется следующим выражением:
(11.1)
где А0 - константа, зависящая от материала катода; для различ
ных веществ А0 = 10... 300 А/(см2 • К2); k - постоянная Больцма
на; Т - абсолютная температура.
304
Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия обусловлена силь ным электрическим полем, воздействующим на поверхность ка тода. При большом положительном относительно катода потенци
але электрода, расположенного рядом с катодом, у поверхности
последнего происходит значительное уменьшение величины и
ширины энергетического барьера, который нужно преодолеть
электрону для выхода во внешнее пространство (в вакуум). В ре
зультате при некоторой величине напряженности электрического
поля S может возникнуть значительный ток эмиссии за счет тун
нельного перехода через барье.р электронов с поверхности катода во внешнее пространство. Это явление называется электростатиче
полей, необходимые для этого вида эмиссии, должны достигать
значения порядка 106 В/см и более. Эта величина существенно
(примерно на два порядка) меньше напряженности rющ{ внутри
двойного слоя, задерживающего электроны, которые преодолева
ют потенциальный барьер вследствие туннелирования.
Вторичная электронная эмиссия происходит при бомбардировке поверхности катода потоками быстрых заряженных частиц. Если используются электронные потоки, то отношение общего числа вторичных (выбитых с поверхности тела) электронов п2 к числу первичных (падающих на эту поверхность из электронного потока) электронов п1 называют коэффициентом вторичной эмиссии ,cr. Для большинства металлов и полупроводников максимальное значение cr ~ 1. У сложных соединений, включающих элементы с малой работой выхода, cr может достигать нескольких единиц.
Фотоэлектронная эмиссия обусловлена действием внешнего элек тромагнитного излучения, воздействующего на поверхность веще
волновой, или красной, границе внешнего фотоэффекта. По скольку различные вещества имеют различную работу выхода,
фотоэлектронная эмиссия для разных фотокатодов возникает
при характерной для данного вещества критической частоте vкр·
Чувствительность фотокатода оценивается отношением числа эмитированных электронов к числу падающих фотонов (кван товый выход).
Катоды электронных ламп. В большинстве электровакуумных приборов применяются термоэлекrронные катоды (термокатоды), использующие термоэмиссию. Наиболее распространены одно
никовые и металлополупроводннковые термокатоды. По способу на
грева термокатоды делятся на прямонакальные и подогревные.
Прямонакальные катоды выполняются различной формы из
тонкой проволоки (или ленты), которую закрепляют в массив
ных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. По доrревные катоды (косвенного канала) содержат изолированную
нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, выполняе
мый обычно в виде металлического цилиндра с активированной
внешней поверхностью. Прямонакальные катоды, как прави
ло, запитываются постоянным током накала, а подогревные мо
гут нагреваться и переменным.
Прямонакальные катоды из чистых металлов используются
относительно редко. Они применяются в электрометрических
мощных лампах и электронных лампах с высоким анодным на
пряжением, так как являются наиболее стойкими к разруше
нию под действием бомбардировки ионов, возникающих за счет ионизации остаточных газов в рабочем пространстве.
Акrивированные металлические катоды имеют достаточно много
конструктивных. модификаций. В любом из них поверхность вольфрама или молибдена активируется металлами с малой ра
ботой выхода: барием, торием, стронцием и др. Для увеличения
активированной поверхности и, следовательно, тока эмиссии
поверхностные слои или весь катод изготавливаются: из порис-
306
Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПР11БОРЫ
того вольфрама; путем прессования или спекания порошков
окиси металла (никеля, вольфрама и др.) и карбонатов щелоч ноземельных металлов; путем нанесения гексаборида лантана или гексаборида бария на молибденовую или танталовую по дложку. Активированные металлические катоды применяются в самых разнообразных электронных приборах. Они обладают су
щественно большей плотностью тока эмиссии (до 10 А/см2) и
имеют меньшую рабочую температуру (Траб ~ 1500... 1700 °С),
чем однородные металлические Ие < 1 А/см2 , траб > 2000 °С),
многие из них стойки к ионной бомбардировке, отравлению га зами, хорошо работают в сильных электрических полях.
Вполупроводниковых и металлополупроводниковых термокатодах
вкачестве эмитирующего слоя используются полупроводники.
Наибольшее распространение в электронных и газоразрядных приборах получил оксидный катод, представляющий собой нике левый или вольфрамовый керн с нанесенным полупроводнико
вым слоем из смеси окислов бария, стронция и кальция. Хоро шими характеристиками обладают оксидно-бариевые и оксидно ториевые катоды, отличающиеся высокой стойкостью к ионной
бомбардировке и отравлению газами, восстановлением эмиссии
после отравления. Чисто оксидные катоды этими свойствами не обладают. Общим положительным свойством всех оксидных ка тодов является малая рабочая температура (Траб < 1000 °С), вы
сокая эмиссионная способность, достигающая в импульсном ре
жиме величины je ~ 150 А/см2 •
Для оценки свойств термокатодов используются следующие
параметры: плотность эмиссионного тока je; рабочая температура ка
тода Траб; долговечность, или срок службы катода; эффективность катода Н. Последний параметр характеризует отношение то ка эмиссии je к мощности Рн' подводимой к катоду для его подо
Фотокатоды чаще всего выполняются в виде тонкого светочувст
вительного слоя металла с окисленной поверхностью, на которую
осаждена тонкая пленка цезия. Наиболее распространены кис
лородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды, причем по
следние обычно наносятся на тонкую никелевую пленку - по
дложку.
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 307
11.З. Электронно-управляемые лампы
Электронные приборы осуществляют процесс преобразова- ния одного вида энергии, чаще всего электрической, в другой.
В электронно-управляемых лампах для управления электрон
ным потоком используется различное количество электродов.
Некоторые из них являются проницаемыми для электронного
потока - их называют обычно сетками. Электронно-управляе мые лампы могут иметь два (диоды), три (триоды), четыре (тетро
ды), пять (пентоды) и более электродов. Триоды содержат одну
сетку, тетроды - две, пентоды - три и т. д.
Диоды. В диоде, имеющем анод и катод, обычно потенциал
анода положителен относительно катода, поэтому электроны,
эмитированные катодом, перемещаются к аноду и создают ток,
равный I а во внешней замкнутой цепи. Этот ток называют анод
ным. Если потенциал катода выше потенциала анода, то ток анода близок к нулю, т. е. диод
проводит ток в одном направлении.
Свойство односторонней проводимое-
ти используется для выпрямления
переменного тока и преобразования
ВЧ- и СВЧ-колебаний.
Величина анодного тока опреде
ляется анодным напряжением Иа'
током эмиссии катода и рядом дру
гих факторов. Эмитированные ка
тодом (К) отрицательно заряжен
ные частицы (электроны) формиру
ют отрицательный объемный заряд,
создающий в пространстве между
катодом и анодом (А) в направле нии х (рис. 11.1, а, кривая 1) отри
цательный потенциал. При поло
жительных напряжениях Иа отри
цательный потенциал, обусловлен ный объемным зарядом электронов (потенциальный барьер), может со храняться только вблизи катода (см. рис. 11.1, а, кривая 2). В этом
случае отрицательный . потенциал
(барьер) преодолевают только быст-
+и
о
х
к
А
-и
а)
Рис. 11.1
308 Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
рые (энергичные) электроны, медленные задерживаются. Быстрые электроны, преодолевшие барьер, создают_анодный ток, который меньше тока эмиссии (11.1). При увеличении Иа потенциальный барьер у катода уменьшаете.я и сдвигаете.я к катоду; все больше
электронов преодолевают барьер, и анодный ток Ja увеличиваете.я.
В рассматриваемом случае величина тока Ja ограничена от
рицательным барьером (потенциалом). Такой режим работы ди
При некотором анодном потенциале Иа > Иа нас во всех точках
междуэлектродного пространства потенциал становите.я положи
тельным относительно катода (см. рис. 11.1, а, кривая 3), т. е. по ложительный потенциал ~нода полностью компенсирует отрица тельный потенциал, формируемый объемным зарядом эмитиро
ванных электронов. В этом случае все электроны, эмитированные
катодом в единицу времени, достигают анода и настуцает режим
насыщения.
Зависимость тока Ja ОТ напряжения иа (Ia = f(Ua)) при неиз
менной температуре катода, которая поддерживается постоян ным напряжением нити канала Ин• нагревающей катод для
обеспечения термоэмиссии, называется анодной характеристикой.
Из семейства анодных характеристик, показанных на
рис. 11.1, б для разных значений напряжения накала Ин като да, видно, что при Иа > Ианас анодный ток замедляет свой рост и
достигает тока насыщения, равного току эмиссии. Из формулы
(11.1) для плотности тока эмиссии следует, что его величина опре
деляется температурой катода, т. е. растет с увеличением напря
жения накала Ин· (С ростом Ин увеличиваете.я и величина Инас·)
Теоретический анализ показывает, что при Иа < Иа нас анод
ная характеристика диода описывается так называемым «зако
ном степени 3/2 (трех вторых)», т. е. Ja = GU~l2 , где G - коэф
фициент, зависящий от конструкцми электродов и прибора в
целом. Следует отметить, что при нулевом (и даже некотором отрицательном) анодном напряжении иа анодный ток Ja хоть и
весьма мал, но не точно равен нулю (см. рис. 11.1, б), как это следует из закона трех вторых. При выводе этого закона не учи
тываются разброс электронов, вылетающих из катода, по ско
ростям и ряд других факторов, приводящих к тому, что некото
рые наиболее энергичные электроны преодолевают потенциаль-
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 309
ный барьер и· достигают анода. Однако отрицательная часть анодной характеристики диода практической роли не играет.
Диоды используются для детектирования и ограничения сиг
налов, выпрямления переменного напряжения и т. д. Для усиле ния и других более сложных преобразований сигналов в основ ном применяются триоды, тетроды и пентоды. С этой целью в этих приборах используются одна, две или три сетки.
Триоды. В триодах между катодом и анодом располагается
сетка (С). При изменении потенциала сетки, который может
быть как положительным, так и отрицательным относительно
катода, происходит сильное изменение распределения электри
ческого поля (потенциала) и, соответственно, объемного заряда в междуэлектродном пространстве, особенно в прикатодной об ласти (рис. 11.2, а).
В случае больших отрицательных напряжений на сетке (да же при положительных (но не слишком больших) потенциалах анода) все электроны могут быть возвращены к катоду, т. е. в этом случае во всем пространстве между катодом и сеткой су
тельным потенциалом сетки и объемным зарядом электронов в областях, примыкающих к катоду (пространство катод (К) - сетка (С), см. рис. 11.2, а, кривая 1). Ток анода в этих условиях
равен нулю.
Наименьший по модулю отрицательный потенциал сетки, при котором /а= О, называют напряжением запирания Исо для за
данного напряжения анода. ·
А
1
2
х
к с
А
+И
о
а)
б)
Рис. 11.2
310
Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРV\БОРЫ
Если напряжение на сетке Ис по модулю меньше напряжения
запирания, т. e. IИcl < 1Ис01, то электрическое поле между витками
сетки в пространстве катод-сетка делаете.я ускоряющим, и часть
электронов, эмитированных катодом в направлении таких облас
тей, устремляете.я к аноду. Возникает анодный ток, который воз
растает по мере снижения отрицательного потенциала сетки.
При положительных потенциалах на сетке распределение потен циалов показано на рис. 11.2, а (кривые 2 и 3). Часть электронов, перемещающихся в непосредственной близости от витков, притя гиваете.я сеткой и образует сеточный ток Jc, в то врем.я как основ
ная дол.я электронного потока попадает на анод, создавая ток Ja. Таким образом, катодный ток I к разветвляете.я на два тока - ток сетки и ток анода, т. е. Jк = Ja + Ic. Как правило, Jc < Ja из-за
меньшей площади поверхности сетки по отношению к аноду (см. ниже).
Для сравнения влияния потенциалов сетки и анода на потен циальный барьер у катода и, следовательно, на число электро нов, преодолевающих барьер, триод заменяют эквивалентным диодом, анод которого располагают на месте сетки. Анодное на
пряжение эквивалентного диода, при котором катодные токи
триода и диода равны, называют действующим напряжением Ид' Ра
венство катодных токов означает, что напряженности электриче
ского пол.я в области катода у триода и эквивалентного диода рав
ны, а это означает, что равны и заряды на поверхности катода,
наведенные приложенными к электродам потенциалами.
Зар.яды, индуцированные на катоде триода и диода, опреде
емкость диода определяете.я площадью поверхности анода и ка
тода и расстоянием между этими электродами. В триоде, поми
мо емкости анод-катод Сак• существуют емкости сетка-катод
Сек и анод-сетка Сас· Емкость Сек называете.я входной, а ем кость сае - проходной.
Отношение емкостей сак/Сек определяет ОДИН из основных параметров триода - проницаемость D, которая характеризует сте
пень проникновения пол.я анода в пространство катод-сетка
(прикатодное пространство) и, соответственно, влияет на вели
чину анодного тока.
Емкости Сек и Сае определяются конструкцией сеток, в част
ности их густотой и расположением между анодом и катодом.
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 311
Итак, ripи постоянном напря
жении накала (постоянной темпе
ратуре катода, постоянном токе
эмиссии) анодный I а и сеточный
I с токи зависят от напряжения на
аноде и; напряжения на сетке U0 ,
т. е. Ia = f1(Ua, И0) и Ic = f 2(Ua, Ис).
Если одну из независимых пе
ременных выбрать в качестве пара
о
и.
метра (так называемого парамет
Рис. 11.3
ра режима), то указанные функ
ции можно представить в виде
следующих четырех зависимостей: семейство анодно-сеточных
характеристик Ja = f 1(Uc) при Иа = const и сеточных (входных)
характеристик Ic = f2(Uc) при Ua = const (рис. 11.2, б), а так
же семейства анодных (выходных) характеристик Ja = f 3(Ua) (рис. 11.3) и сеточно-анодных характеристик Ic = f4(Ua) при
Ис = const (одна из кривых этого семейства показана на рис. 11. 3 штриховой линией).
Увеличение анодного напряжения вызывает смещение нача ла анодно-сеточных характеристик влево из-за большего про никновения электрического поля в прикатодную область. При
отрицательных напряжениях на сетке ток в анодной цепи появ-
ляется лишь при таких положительных напряжениях анода,
при которых действующее напряжение Ид> О.
При Uc >О появляется ток Ic, и анодный ток Ja уже не будет
равец катодному, так как Iк = Ia + Ic, т. е. катодный ток, распре деляется между анодом и сеткой. Анодно-сеточная характерис тика идет заметно более полого, чем зависимость катодного то
ка от потенциала анода и сетки.
При Ис > И0 ускоряющее поле существует как между сеткой
и катодом, так и в пространстве анод-сетка. Электроны, проле тая между витками сетки, подвергаются воздействию положи
тельно заряженных витков, и их траектории искривляются.
Ток сетки образуется только электронами, которые попадают на витки сетки (режим перехвата). В этом режиме отношение IafIc за
висит от соотношения площадей поверхностей сетки и анода.
Площадь поверхности витков сетки обычно меньше площади анода, поэтому ток анода больше тока сетки.
