11.2 Аноды электронно-вакуумных приборов.

Ускоряющий электрод (анод) является коллектором электронов. Каждый ускоренный электрон при столкновении с анодом передает ему свою кинетическую энергию в виде тепла:

Е_к= =еU_a, Дж. (50.2)

Следовательно, мощность электронного потока (Вт), выделяющаяся на аноде в виде тепла оказывается равной:

Р_а=nE_к=neU_a=I_aU_a, (51.2)

где I_a=ne-ток в цепи анода; n-количество электронов, попадающих на анод в единицу времени.

Тепловая мощность выделяющаяся на аноде должна эффективно рассеиваться в окружающем пространстве, чтобы температура анода не превышала критической величины Т_а,max. При превышении критической температуры с анода начинает выделяться газ (испарение, либо плавление материала), ухудшая вакуум.

По способу отвода тепла аноды подразделяют на две группы: с естественным и искусственным (принудительным) охлаждением. При естественном охлаждении рассеяние тепловой мощности в вакууме возможно только за счет передачи тепла лучеиспусканием с внешней поверхности анода. Максимально рассеиваемая тепловая мощность определяется равенством:

Р_а,max≈ Р_л=S_а , (52.2)

где: - коэффициент Стефана-Больцмана; S_a-площадь активной поверхности анода; -степень черноты излучающей поверхности.

Из равенства (52.2) следует, что Р_а,max при заданной величине Т_а,max. ограничивается габаритами анода и степенью черноты его поверхности. В связи с этим при изготовлении анодов используют тугоплавкие металлы (W, Ta, Ni и др.) очищенные от примесей для уменьшения газовыделения. Излучающую поверхность чернят (черненый никель =0,6) и увеличивают внешнюю поверхность за счет создания ребровых пластин (радиаторов). При мощности Р_а≥1кВт или при малых геометрических размерах электродов применяют принудительное охлаждение. В этом случае анод соединяют медным стержнем, выходящим из вакуумного пространства, с наружным радиатором, который обдувается воздухом. В электронно-вакуумных приборах большой мощности применяют водяное охлаждение. В дальнейшем конструктивные варианты анодов будут рассмотрены при объяснении принципа действия отдельных электронно-вакуумных приборов.

12.2 Управление электронным потоком

Управление электронным потоком (электрическим током – определяемым как направленное движение электронов) в электровакуумных приборах осуществляют с помощью электрода, называемого управляющей сеткой. Управляющую сетку располагают между анодом и катодом ближе к последнему (рис. 24.2), на пути электронного потока. Такая конструкция электронно-вакуумного прибора называется триодом. При плоскопараллельной конструкции сетку выполняют в виде параллельных либо переплетенных металлических нитей. При цилиндрической конструкции сетку делают в виде цилиндрической спирали намотанной на траверсы. На электроды триода подают напряжение относительно катода (катод заземлен). Напряжение на аноде U_а≥0, что при работающем (накалённом) катоде создает условия для появления анодного тока (I_а). Однако величина анодного тока в триоде зависит не только от величины анодного напряжения, но и от напряжения на сетке (U_c) которое в общем случае может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно, анодный ток в триоде является функцией двух переменных I_a=I(U_a,U_c).

Рис. 24.2. Диаграммы распределения потенциала с учетом пространственного заряда (штриховые линии) (а). Влияние анодного напряжения на сетке на потенциальный барьер возле катода.

Роль сеточного напряжения на величину анодного тока объясняется следующим. На рис. 24.2,б показано распределение потенциала в промежутке А-К с учетом влияния пространственного заряда электронов. Штриховая кривая характеризует режим пространственного заряда при U_c=0, когда имеется результирующий потенциальный барьер (U_min). При этом часть эмитированных электронов попадает на анод, а остальная часть возвращается на катод. При увеличении положительного напряжения на сетке потенциальный барьер (U_min) уменьшается и при некотором значении (U_c≥0) исчезает совсем (кривые 2,3). В этом случае триод из режима пространственного заряда переходит в режим насыщения (кривая 3 рис. 24.2,б). При некотором отрицательном напряжении на сетке (U_c<0) возле катода возникает настолько большой потенциальный барьер (кривая 1 рис. 24.2,б), что все эмитированные электроны оказываются «запертыми» возле катода. Таким образом, изменение напряжения на сетке (при U_а=const) эффективно влияет на величину потенциального барьера возле катода, что позволяет управлять величиной анодного тока (рис.25.2,а). Величина отрицательного напряжения на сетке, при котором анодный ток при заданном анодном напряжении обращается в нуль (рис. 25.2,а), называется напряжением запирания (U_c.зап) триода.

Изменение анодного напряжения также влияет на потенциальный барьер, поскольку оно изменяет потенциалы в сечениях между сеткой и катодом. Увеличение U_a,2 до U_a,1 (при U_c=соnst) приводит к снижению потенциального барьера U_min,2≤U_min,1 (рис. 24.2,в):, а следовательно и возрастанию анодного тока (рис. 25.2,а,б).

а б

Рис. 25.2. Анодно-сеточные характеристики триода. Зависимость анодного тока от напряжения на сетке(а) и от анодного напряжениях при различных напряжениях на сетке.

Электростатическое поле анода вблизи катода экранируется сеткой. В связи с этим влияние приращения анодного напряжения (U_a) на анодный ток оказывается значительно слабее влияния такого же приращения напряжения сетки (U_c), то есть, преимущественное управление анодным током достигается с помощью относительно малых изменений сеточного напряжения. В этом заключается принцип действия и основное свойство триода, которое позволяет использовать его в качестве усилителя. Величину параметра ( ) определяемого как отношение:

, при I_a=const, (53.2)

называют статическим коэффициентом усиления триода. По физическому смыслу данный параметр показывает, во сколько раз изменение напряжения на сетке воздействует эффективнее на анодный ток, чем такое же изменение напряжения на аноде.

При отрицательных напряжениях на сетке (U_c≤0) сеточный ток I_c≈0 так как электроны не могут попасть на отрицательно заряженные электроды. При 0<U_c<0,75U_a устанавливается режим прямого перехвата электронов сеткой (рис. 26.2,а). В этом режиме на управляющую сетку попадает сравнительно небольшое число электронов. Электроны, пролетевшие сетку несмотря на искривление траекторий достигают анода. При U_c≥0,75U_a наступает режим возврата электронов (рис. 26.2,б). В этом режиме траектории электронов искривляются настолько, что многие из них возвращаются на сетку, но уже со стороны анода. Заторможенный объёмный заряд, образуемый электронами, называют фиктивным

Рис. 26.2. Траектории электронов в режимах прямого перехвата (а) и в режиме возврата (б).

катодом. В близко расположенной области фиктивного катода поле анода не ослаблено экранирующим действием сетки, и поэтому анодное напряжение непосредственно действует на электроны, заставляя часть из них двигаться к аноду. Поэтому в режиме возврата зависимость I_a от U_a оказывается более сильной, чем в режиме перехвата, где его влияние определяется лишь воздействием на электронное облако вблизи катода.

При U_c≥0 часть электронов попадает на прутки управляющей сетки, создавая сеточный ток (I_c). В триоде при Uc≥0 общий ток распределяется: на текущий, через вывод катода (катодный ток I_к) и ток между анодом и управляющей сеткой (I_c) (рис. 24.2,а):

I_к=I_a+I_c, (54.2)

а его распределение между электродами с положительным потенциалом относительно анода оценивается с помощью коэффициента токораспределения

к_т.р.= , (55.2)

являющимся функцией отношения напряжений на электродах.

Для нахождения значений катодного тока и учета влияния на него величин напряжений (U_c и U_a) триод заменяют эквивалентным диодом, для которого справедлив закон Лэнгмюра – Богуславского. При такой замене на аноде диода принимают такую величину анодного напряжения (U_д), при котором электрическое поле возле катода в эквивалентном диоде и триоде будут одинаковы. Такое напряжение называют действующим, а его величину определяют согласно равенству:

U_д≈U_c+DU_a, (56.2)

где D<<1-постоянный (для конкретной конструкции) коэффициент называемый проницаемостью сетки. Из равенства (56.2) следует, что проницаемость определяет долю анодного напряжения в создании действующего напряжения триода, то есть показывает во сколько раз слабее воздействие потенциала анода на поле в катодной области триода по сравнению с потенциалом сетки. В связи с этим, по физическому смыслу проницаемость (D) можно определить как величину определяющую соотношение величин электроемкости в электродных промежутках А-К и С-К в триоде:

D= . (57.2)

В триоде различают холодные и горячие межэлектродные емкости. При работающем (накаленном) катоде облако электронов, образующих пространственный заряд возле катода, как бы приближает проводящую поверхность катода к управляющей сетке, поэтому принимается С_{ск, гор}≈С_{ск, хол}. В остальных межэлектродных промежутках емкость изменяется незначительно, и в основном только из за термического расширения электродов. Для удобства рассмотрения эти емкости выносят за пределы триода (рис. 27.2).

Рис. 27.2. Межэлектродные емкости триода.

В каждой из них учитывается не только непосредственная емкость между рабочими поверхностями электродов, но также и емкости между соответствующими деталями крепления и выводами электродов и другие возможные междуэлектродные емкостные связи (рис. 27.2). Так, например, емкость в промежутке А-К для триода с заземленным катодом оказывается равной:

С_ак=С_акс+С_в+С_кор, (58.2)

где С_акс-емкость между внешней поверхностью анода всеми заземленными металлическими деталями, например, металлическим (или металлизированным) вакуумным баллоном, где размещены электроды, внешним экраном или просто металлом шасси либо корпуса. Межэлектродные емкости определяют входную, проходную и выходную емкость триода при его работе в усилительной схеме.

Для схемы, представленной на рис. 27.2 соответственно получаем С_вых=С_ак; С_прох=С_ас; и С_вход=С_ск. Емкость С_ск является статической емкостью триода.

Выражение (58.2) можно подставить в уравнение Лэнгмюра –Богуславского справедливого для диода и получить такой же закон для триода в виде:

I_к=G_тр ≈G_тр(U_c+DU_a , (59.2)

где G_тр=2.33×10^-6S_c/(r_c)²-постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и размеров электродов триода; S_c-площадь сетки; -коэффициент учитывающий неоднородность поля в различных конструкциях (для плоских электродов =1).

Основным недостатком триода являются большая проходная электроемкость и относительно малый коэффициент усиления <100 при технически приемлемых анодных напряжениях (U_a=150-200 В) и работе без сеточных токов. Устранение данных недостатков, возможно с помощью дополнительного электрода (второй экранирующей сетки). Такая конструкция электронно вакуумного прибора называется тетродом (рис. 28.2). Экранирующая сетка (С₂) сильно ослабляет влияние постоянного ускоряющего поля анода на область пространственного заряда. Это приводит к уменьшению электронного потока

Рис. 28.2. Схема размещения электродов в тетроде и способ заземления экранирующей сетки от переменной состовляющей.

идущего по направлению к управляющей сетке. Для компенсации этого эффекта на экранирующую сетку необходимо подавать положительное напряжение (U_c2≥0) которое по своему влиянию будет эквивалентно анодному напряжению в триоде. При этом, чтобы вторая сетка экранировала управляющую сетку от переменного поля, создаваемого анодом в усилительном режиме работы, она должна иметь нулевой потенциал общего электрода (катода) относительно которого отсчитываются напряжения остальных электродов. Это достигают включением между экранирующей сеткой и катодом конденсатора с большой емкостью, чтобы его емкостное сопротивление на рабочей частоте было пренебрежимо мало (рис. 28.2).

Так как к экранирующей сетке прикладывается положительное напряжение (U_c2≥0), то в цепи её питания всегда течет ток (I_c2), замыкающийся через участок экранирующая сетка катод (рис. ). В общем случае катодный ток тетрода распределяется между анодом, экранирующей и управляющей сетками:

I_к=I_a+I_c1+I_c2. (60.2)

Механизм этого токораспределения аналогичен токораспределению в триоде при U_c≥0, но границы между режимом прямого перехвата и режимом возврата, ввиду больших скоростей электронов, несколько различны. При этом на режим токораспределения оказывает очень сильное влияние побочное явление, которое получило название динатронного эффекта (ДЭ). В его основе лежит

Рис. 29.2. Принципиальная схема динатронного эффекта в тетроде.

проявление вторичной эмиссии электронов с поверхности электродов. Первичные электроны, создающие анодный ток при достижении скоростей (соответствующих ускоряющему напряжению U_a=15-20 В начинают выбивать с поверхности анода вторичные электроны, начальная энергия которых меньше 1эВ Если при этом U_a<U_c2, то вторичные электроны собираются экранирующей сеткой (рис. 29.2), что приводит к увеличению тока экранирующей сетки и к такому же уменьшению тока анода. При U_c2<U_a вторичные электроны возвращаются обратно на анод и рассмотренный динатронный эффект не проявляется, однако становится возможным динатронный эффект связанный с движением вторичных электронов с экранирующей сетки на анод.

Действующее напряжение тетрода находят путем последовательного сведения его к эквивалентному триоду, а затем эквивалентный триод сводят к эквивалентному диоду. В итоге действующее напряжение определяется равенством:

U_д≈U_c1+D₁U_д2=U_c1+D₁U_c2+D₁D₂U_a, (61.2)

где D₁-проницаемость первой сетки; Поскольку величина D₁D₂=D_т<<1(проницаемость тетрода) окончательное равенство:

U_д=U_c1+D₁U_c2. (62.2)

Из сравнения (56.2) с (62.2) следует, что U_c2 оказывает на действующее напряжение, а следовательно и на катодный ток, как анодное напряжение в триоде, а анодное напряжение тетрода практически не влияет на катодный ток.

Динатронный эффект в тетроде можно устранить добавлением пятого электрода. Конструктивно он выполняется как управляющая и экранирующая сетка и её называют антидинатронной (защитной) сеткой (сетка С₃, рис. 30.2,а).

Защитная сетка соединена внутри электронно-вакуумного прибора с катодом, либо имеет отдельный ввод, позволяющий в ряде случаев подавать на нее различные потенциалы. Если анодное напряжение U_a<U_c2 то защитная сетка создает потенциальный барьер на пути вторичных электронов и возвращает их обратно на анод. При U_c2<U_a также существует потенциальный барьер, который препятствует движению вторичных электронов с экранирующей сетки на анод.

Рис. 30.2. Схема размещения электродов в пентоде (а) и распределение потенциала в продольном сечении работающего пентода между сетками для случая U_a<U_c2/

Первичные электроны, ускоренные полем экранирующей сетки (С₂), относительно легко преодолевают потенциальный барьер созданный защитной сеткой (С₃), и попадают на анод. Для вторичных электронов, имеющих малую скорость, потенциальный барьер оказывается не преодолимым, поэтому они все возвращаются на анод. Штрихпунктирная линия (рис. 30.2,б) показывает распределение потенциала на участке экран – анод без защитной сетки. В этом случае вторичные электроны уходили бы на экранирующую сетку.

Вопросы для самопроверки.

1.. Нарисуйте энергетическую схему для полупроводника и металла. Дайте определение работы выхода электрона из твердого тела и покажите её на энергетической схеме.

2. Запишите и проведите анализ уравнения Ричардсона –Дэшмана.

3. Перечислите основные характеристики термокатодов и принципы их классификации.

4. Объясните физико-химическую природу снижения работы выхода у пленочных термокатодов. Перечислите достоинства и недостатки данного типа катодов.

5. Нарисуйте схему строения поверхностного слоя оксидного термокатода.

Перечислите достоинства и недостатки катодов данного типа.

6. Что такое эффект Шоттки и какова его физическая природа.

7. Какова физическая природа вторичной эмиссии. Как определяется коэффициент вторичной эмиссии, и от чего он зависит. Какой физической причиной объясняется высокий коэффициент вторичной эмиссии с «сиротского бутерброда».

8. В чем состоит физическая суть взрывной эмиссии. Что такое эктоны и какова их роль в поддержании условий существования дугового разряда.

9.На каких законах базируются основы фотоэлектронной эмиссии и что является количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии.

10. Объясните связь между квантовым выходом фотокатода с его спектральной чувствительностью.

11. Объясните особенности зонной структуры, свойств и основных параметров современных фотокатодов для УФ, видимой и ИК области спектра.

12. Сформулируйте основные требования к анодам электронно-вакуумных приборов.

13. Объясните схему распределения потенциала и роль сетки в триоде. Какова физическая природа пространственного заряда, фиктивного катода, режима прямого возврата и перехвата электронов.

14. Как определяется действующее напряжение в тетроде.

15. Объясните физические причины возникновения динатронного эффекта и способы его устранения в пентоде. Какое при этом необходимо распределение потенциала между сетками.

Задачи.

1.2. Работа выхода электрона с поверхности тантала 4,05 эВ. Вычислить плотность тока эмиссии при 2000 К. Воспользоваться теоретическим значением предэкспоненциального множителя. Ответ ≈480 А/м²

2.2. Согласно условиям предыдущей задачи, рассчитать относительное увеличение плотности тока эмиссии с учетом эффекта Шоттки, если у поверхности тантала создано электрическое поле напряженностью 10⁸ В/м. Ответ ≈1,001.

3.2. Какова работа выхода электрона из металла, если повышение температуры нити накала, сделанной из этого металла, от 2000 К до 2001 К увеличивает ток насыщения в электронной лампе на 1% ? Ответ 3,1 эВ.

4.2. Вольфрамовая нить, служащая катодом в электронной лампе, накаливается током 1,9 А до некоторой температуры. На сколько вольт надо повысить напряжение на этой нити, чтобы при анодном токе 0,1 А температура нити осталась такой же, как и при отсутствии тока. Ответ 0, 12 В.

5.2. Определить ток насыщения в электронной лампе при таких данных: длина и диаметр нити накала 3см и 0,1 мм; температура накала 2700 К; для расчетов воспользоваться экспериментальным значением предэкспоненциального множителя?. Ответ ≈480 А/м².

6.2. Вычислить пороговую длину волны фотоэффекта для цезия и вольфрама. Какой из этих материалов наиболее пригоден для изготовления фотоэлектрического слоя. Ответ _Cs≈6,810^-7м, _W ≈2,910^-7м.

7.2. Определить максимальную скорость электрона, вылетевшего из цезия при освещении светом с длиной волны 400 мкм. Ответ 6,510⁵ м/с.

8.2. Красная граница внешнего фотоэффекта сурмяноцезиевого фотокатода (при очень низкой температуре) соответствует ₁=0,65 мкм, а красная граница фотопроводимости 2.07 мкм. Определить положение дна зоны проводимости данного полупроводника относительно вакуума. Ответ 1.3 эВ.