Приборы и устройства вакуумной электроники. Принципы устройства и работы электровакуумных приборов Контрольные вопросы и задания

Общие сведения

Электровакуумным прибором называется устройство, в котором рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой (баллоном), имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которого основано на электрических явлениях, связанных с движением заряженных частиц в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные (газоразрядные ).

В электронном электровакуумном приборе (ЭВП ) электрический ток обусловлен движением только свободных электронов в вакууме. Семейство электронных вакуумных приборов весьма обширно и объединяет такие группы приборов, как электронные лампы электронно-лучевые приборы у электровакуумные фотоэлектронные приборы и др.

Принцип действия ионного электровакуумного прибора основан на использовании свойств электрического разряда в газе или парах металлов. Эти приборы называют также газоразрядными (ГРП ). К ним относятся газоразрядные приборы дугового, тлеющего, высокочастотного разрядов и др.

Любой вакуумный электронный и газоразрядный прибор состоит из системы электродов, предназначенных для управления физическими процессами внутри баллона, отделяющего внешнюю 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 газоразрядных приборов имеются: катоды - электроды, испускающие (эмитирующие ) электроны, и аноды - электроды, собирающие (коллектирующие) электроны. Для управления потоками заряженных частиц во многих приборах используются управляющие электроды , выполненные в виде сеток или профилированных пластин, и специальные электромагнитные элементы конструкции (катушки). Конструкции электродов очень разнообразны и определяются назначением приборов и условиями их работы. В приборах отображения информации в наглядной (визуальной) форме (электронно-лучевые трубки - ЭЛТ, индикаторы и другие приборы) широко используются специальные конструктивные элементы - экраны , с помощью которых энергия электронного потока или электрического поля преобразуется в оптическое излучение (свечение) тела.

Баллоны электровакуумных и газоразрядных приборов изготавливаются самой разнообразной формы из стекла, металла, керамики, а также из различных комбинаций этих материалов. Выводы от электродов делаются через цоколь, торцевые и боковые поверхности баллонов.

Основы эмиссионной электроники

Работа выхода. Чтобы сформировать поток свободных электронов, перемещающихся в вакууме или газе под действием электрических и магнитных полей, необходимо обеспечить выход электронов из твердого тела (чаще всего металла, полупроводника). Испускание электронов твердым телом называется эмиссией и осуществляется путем подведения к телу энергии от внешнего источника. Энергия, равная разности энергии Е 0 электрона, покоящегося в свободном пространстве на расстоянии, где силами, действующими на электрон со стороны поверхности твердого тела, можно пренебречь, и энергии Е ф, соответствующей уровню электрохимического потенциала системы электронов в твердом теле (уровню Ферми, см. п. 1.1), т. е. А = Е 0 - Е фч называется работой выхода (см. также п. 2.6). Работа выхода обычно выражается 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 электрический слой образуется вылетевшими с поверхности катода электронами и положительными ионами решетки материала катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Двойной слой образует тормозящее электрическое поле для электронов, вылетающих с поверхности катода. При удалении от поверхности тела на электрон действует удерживающая кулоновская сила, возникающая между удаляющимся электроном и наведенным в теле катода зеркально расположенным положительным электрическим зарядом (сила зеркального отображения). Работа выхода большинства чистых металлов, используемых в качестве катодов, лежит в интервале 1,8 (Се)... 5(Не) эВ.

Для уменьшения работы выхода на поверхность металлической основы (керна) наносят вещество с меньшей работой выхода, электроны которого переходят в керн. Вследствие этого на поверхности катода появляются положительные ионы, которые вместе с электронами, ушедшими в керн, формируют внутренний двойной электрический слой. Электрическое поле, создаваемое этим слоем, ускоряет вылетающие электроны, т. е. уменьшает работу выхода электронов. Например, при нанесении одноатомного слоя бария на поверхность вольфрама (¥) работа выхода уменьшается с 4,5 эВ (чистый

К электровакуумным приборам относятся электрические приборы, дейст- вие которых основано на использовании потока электрических зарядов в ва- кууме или в среде разреженного газа .

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве сво- бодно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то го-

ворят о высоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых наблю- дается протекания электрического тока в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В элек- тронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа не менее 100 мкПа (10-6-10-7 мм рт. cт.).

В ионных приборах давление 133×10-3 Па (10-3 мм рт. cт.) и выше. При

этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Электронные приборы называются электронными лампами.

Классификация электронных приборов производиться по следующим признакам:

Назначение и область применения,

Число электродов,

Тип катода (прямого или косвенного накала),

Метод управления электронным потоком.

Электронные приборы делятся на:

1. Выпрямительные лампы (кенотроны), предназначенные для преобразо-

вания переменного тока в постоянный.

2. Приёмно-усилительные лампы, предназначенные для усиления и преоб-

разования колебаний высокой частоты в приёмниках и для улучшения коле-

баний низкой частоты в приёмниках и усилителях.

В зависимости от количества электродов приёмно-усилительные лампы делятся на:

Двухэлектродные (диоды), имеющие два электрода – катод и анод (диоды применяются для детектирования (выпрямления) высокочастотных токов, преобразования токов низкой частоты и различных автоматических регули-

Трёхэлектродные (триоды), имеющие, кроме катода и анода, третий элек- трод, управляющую сетку (триоды применяются для усиления колебаний низкой частоты и во многих специальных схемах);

Четырёхэлектродные (тетроды), имеющие катод, анод и две сетки (тетроды применяются для мощного усиления колебаний низкой частоты);

Пятиэлектродные (пентоды), имеющие катод, анод, и три сетки (пентоды применяются для усиления колебаний высокой и низкой частоты, мощные пентоды используются для усиления мощности колебаний низкой частоты);

Многоэлектродные (четыре сетки – гексоды, пять сеток – гептоды, шесть сеток - октоды) применяются для преобразования частоты в приёмниках;

Комбинированные, содержащие две и более систем электродов с независи-

мыми потоками электронов. Различают следующие типы комбинированных электронных ламп: двойной диод, двойной триод, двойной тетрод, двойной

диод – триод, двойной диод – тетрод, диод – тетрод, диод – пентод, двойной

диод – пентод, триод – пентод, двойной лучевой тетрод и т.п.

3. Генераторные и модуляторные лампы. Эти лампы более мощные, чем приёмно-усилительные. Применяются они для генерирования колебаний высокой частоты, усиления этих колебаний по мощности и для модуляции.

Генераторные и модуляторные лампы бывают трёхэлектродные, четырёх-

электродные и пятиэлектродные.

4. Ультравысокочастотные лампы, предназначенные специально для работы в диапазоне ультракоротких волн (УКВ). Часть этих ламп работает на том же принципе, что и обычные лампы, и отличается от них лишь размера- ми. Другая часть ламп диапазона УКВ имеет особую конструкцию. Наконец,

в диапазоне УКВ применяются клистроны и магнетроны, работа которых ос- нована на совершенно иных принципах, чем работа обычной электронной лампы.

Рис. 1.1 Внешний вид некоторых типов ламп:

а и б – приёмно-усилительные стеклянные лампы; в – бесцокольная миниа-

тюрная лампа; г – металлическая приёмно-усилительная лампа; д –

стеклянная бесцокольная лампа большой мощности; е –- металлокерами-

ческая импульсная

5. Электронно-лучевые приборы. К ним относятся кинескопы (приём- ные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осцилло- графические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразова- тели изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные труб- ки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

Внешний вид ламп некоторых типов представлен на рис. 1.1.

Электровакуумные приборы также классифицируются:

1. По материалу и устройству баллона:

Стеклянный;

Металлический;

Керамический;

Комбинированный.

2. По роду охлаждения:

Естественное, или лучистое;

Принудительное – воздушное, водяное, паровое.

Классификация газоразрядных приборов производится по типу разряда, происходящего в газе. В радиотехнической аппаратуре применяются три типа газоразрядных приборов:

a) Приборы тлеющего разряда. Эти приборы имеют холодный, не накали-

ваемый катод и используют преимущественно для стабилизации напряжения.

б) Приборы дугового разряда с жидким или твердым не накаливаемым катодом.

в) Приборы дугового разряда с искусственно накаливаемым катодом. Эти приборы используются для выпрямления переменного тока в постоянный и в

различных схемах управления и автоматики.

С помощью электровакуумных приборов (ЭВП) можно преобразовывать электрические величины, например ток или напряжение, по форме, значению и частоте, а также энергию излучения и обратно. Можно осуществить сложное преобразование оптического изображения в электрический ток специальной формы или наоборот (в телевизионных и осциллографических трубках). Можно регулировать электрические, световые и другие величины плавно или ступенями с большой или малой скоростью и с малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительного снижения КПД. Малая инерционность, характерная для ЭВП, позволяет применять их в огромном диапазоне частот от нуля до 1012 Гц.

Эти достоинства ЭВП обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерации, преобразования частоты, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, автоматического управления и регулирования, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и других процессов.

Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлениях ниже атмосферного. Применительно к ЭВП понятие «вакуум» определяют исходя из характера движения электронов. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о вакууме. А если электроны сталкиваются с молекулами газа, то следует говорить просто о разреженном газе.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых проходит чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах).

В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а разрежение газа давлением менее 100 мкПа, характерным для высокого вакуума.

В ионных приборах давление бывает 133*10 -3 Па и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Есть еще одна группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. Их действие основано на использовании явлений, связанных с электрическим током твердых или жидких проводниках, находящихся в разряженном газе. В этих приборах электрического заряда в газе или в вакууме нет. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока, вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низкочастотные , высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Во всех ЭВП электронный поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим или магнитным полем. Электронные лампы, имеющие два электрода - катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называют кенотронами. Лампы, имеющие управляющие электроды в виде сеток, бывают с числом электродов от трех до восьми и соответственно называются: триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками выделяются в группу многоэлектродных ламп. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной, диод, двойной триод, триод-пентод, двойной диод-пентод и др.).

Основные ионные приборы - это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ртутные вентили (управляемые и неуправляемые), ионные разрядники и др.

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осциллографические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

В группу фотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлектронные умножители. К электроосветительным приборам следует отнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентные лампы.

Особое место занимают рентгеновские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.

Электровакуумные приборы классифицируются еще и по другим признакам: по типу катода (накаленный или холодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический, комбинированный), по роду охлаждения (естественное, или лучистое, и принудительное - воздушное, водяное, паровое).

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ, электронные лампы, используемые для генерации, усиления или стабилизации электрических сигналов. Электронная лампа представляет собой, по существу, герметичную ампулу, в вакууме или газовой среде которой движутся электроны. Ампулу обычно изготавливают из стекла или металла. Управление электронным потоком осуществляется посредством электродов, имеющихся внутри лампы.

Хотя в большинстве приложений на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, лампы все еще находят применение в видеотерминалах, радиолокаторах, спутниковой связи и во многих других электронных приборах.

В лампе имеется несколько проводящих элементов, называемых электродами. Эмиссию электронов в лампе осуществляет катод. Эта эмиссия вызывается либо нагревом катода, в результате которого электроны «закипают» и испаряются с его поверхности, либо воздействием света на катод. Движением эмиттированных электронов управляют электрические поля, создаваемые другими электродами внутри лампы. В большинстве случаев электроды лампы изолированы друг от друга и посредством проволочных выводов соединены с внешними схемами. Электроды, которые служат для управления движением электронов, называются сетками; электроды, на которые электроны собираются, называются анодами.

В электронной лампе относительно просто управлять величиной, продолжительностью, частотой и другими характеристиками электронного потока. Эти простота и легкость управления делают ее ценным прибором в многочисленных приложениях.

Термоэлектронная эмиссия.

Электроны самопроизвольно не выходят за пределы поверхностного слоя металла из-за действия сил притяжения, источником которых является сам металл. Потенциальную энергию электрона в любой точке металла вблизи его поверхности можно представить в виде графика (рис. 1), из которого видно, что для выхода за пределы поверхности металла электрон должен увеличить свою энергию T 0 , которой он обладает при абсолютном нуле температуры, дополнительно на величину W . При комнатной температуре очень малое число электронов обладает необходимой для выхода энергией, но с повышением температуры энергия электрона возрастает и приближается к уровню, необходимому для эмиссии. В электронных лампах необходимая тепловая энергия обеспечивается электрическим током, пропускаемым по проволочной нити накала (подогревателю), находящейся в лампе.

Диод.

После того как электроны покинули катод, их движение определяется силами электрических полей, воздействующих на них в вакууме. В простейшей электронной лампе – диоде – электроны притягиваются положительным потенциалом второго электрода – анода, где они собираются и проходят в цепь соответствующей схемы (рис. 2). Диод представляет, таким образом, прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду, – и, следовательно, является выпрямителем. Простой иллюстрацией применения диода может служить схема, приведенная на рис. 3, где диод используется для зарядки конденсатора напряжением от источника переменного тока. Когда потенциал катода ниже анодного потенциала, через диод течет ток, так что, в конце концов, конденсатор заряжается до пикового напряжения источника переменного тока. Варианты схемы рис. 3 используются для детектирования сигнала звуковой частоты из радиочастотной волны и для получения мощности постоянного тока от источников переменного тока.

Триод.

Триод – это электронная лампа, в которой имеется третий (управляющий) электрод, установленный между катодом и анодом (рис. 4). Этот электрод обычно представляет собой сетку из тонких проволок, установленную очень близко к катоду, чтобы при небольшой разности потенциалов между сеткой и катодом в области между этими двумя электродами действовало сравнительно высокое электрическое поле. При этом потенциал сетки будет оказывать сильное воздействие на электроны.

Типичная схема усилителя, выполненного на триоде, приведена на рис. 5. К сетке подключена батарея отрицательного напряжения смещения, обозначенная E gg . Поскольку сетка имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду, она не будет привлекать к себе электроны потока, движущегося от катода к аноду. На аноде поддерживается положительный потенциал относительно катода, что обеспечивается батареей E pp . Значения параметров E gg , E pp , сопротивлений резистора R g в цепи сетки и нагрузочного резистора R L выбирают так, чтобы через лампу шел некоторый ток. Потенциал анода, следовательно, получается несколько меньшим, чем потенциал E pp его источника питания, вследствие протекания тока через R L .

Если на сетку подать через конденсатор положительный сигнал, она будет воздействовать на электроны, выходящие из катода. Поскольку такая сетка представляет собой слабое физическое препятствие для электронов, они будут проходить сквозь сетку на анод. Поэтому при изменении потенциала сетки в положительную сторону ток через триод возрастает, а напряжение на аноде уменьшается. (Это уменьшение происходит из-за увеличения падения напряжения на R L , связанного с увеличением тока.) Если же входной сигнал, приходящий на сетку, меняет ее потенциал в отрицательном направлении, то происходит прямо противоположный процесс; напряжение на аноде возрастает. Во многих электронных лампах изменение сеточного напряжения по существу определяет изменение тока анода; отсюда следует, что изменения напряжения на аноде определяются выбором R L . В результате малое изменение напряжения сетки может при достаточно большом R L вызывать гораздо большее изменение напряжения на аноде.

Многоэлектродные лампы.

Логично задать вопрос: каким может быть эффект увеличения числа сеток в электронной лампе? Обычно вторая сетка, которая называется экранной и поддерживается под положительным потенциалом, находится между управляющей сеткой и анодом. Ее роль состоит в том, чтобы экранировать управляющую сетку от анода, уменьшая, таким образом, емкость между ними, которая в ряде случаев может привести к нежелательным эффектам обратной связи. Лампа с двумя сетками (четырьмя электродами) называется тетродом. В некоторых случаях между экранной сеткой и анодом добавляют еще одну сетку – антидинатронную, в результате получается пятиэлектродная лампа, или пентод. В тетроде электроны, достигающие поверхности анода, при ударе о нее выбивают вторичные электроны. Некоторые из них могут двигаться в обратном направлении и собираться экранной сеткой, обычно имеющей потенциал, близкий к потенциалу анода. Такой процесс вызывает потери в общем потоке электронов, проходящих через анод (в анодном токе). Антидинатронная сетка, находящаяся между экранной сеткой и анодом, поддерживается под отрицательным потенциалом по отношению к обоим соседним электродам, так что возвращающиеся электроны отталкиваются ею обратно к аноду. На рис. 6 показана типичная схема включения пентода.

В некоторых случаях ради экономии места и средств две отдельные структуры электронных ламп объединяют в едином герметичном корпусе.

Электронно-лучевые трубки.

В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Этот пучок тщательно фокусируется в луч, создающий на экране маленькое пятно и возбуждающий электроны люминофора экрана, что и приводит к излучению света. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, описывая при этом траектории на экране, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Часть ЭЛТ, в которой создается сфокусированный электронный луч, называется электронным прожектором. Хотя электронный прожектор – основная часть ЭЛТ, она из-за своей сложности будет рассмотрена после других.

Системы отклонения луча.

На выходе электронного прожектора получается узкий электронный луч, который на своем пути к экрану может отклоняться электрическим или магнитным полем. Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера, в частности, такого типа, как в осциллографах. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.

В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча (которую обычно обозначают направлением z ). Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин, как показано на рис. 7. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении (направление x ) пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования (обычно периодическое колебание), подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении (y ). В результате, если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала y , на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса. В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.

Чтобы луч создавал на экране достаточно яркое пятно, а отклоняющий потенциал не достигал величины напряжения пробоя между отклоняющими пластинами, электроны должны получать большое ускорение. Более того, ЭЛТ не должна быть слишком длинной, чтобы прибор, в котором ее предполагается использовать, не стал неприемлемо громоздким. Наконец, ограничивается и длина отклоняющих пластин. При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой (рис. 8).

Люминесцентный экран.

Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.

Электронный прожектор.

Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Одна из многих возможных конструкций электронного прожектора схематически изображена на рис. 9,а . Катод и ряд близко расположенных друг к другу цилиндрических электродов выровнены вдоль их общей оси. На рис. 9,б с увеличением показана область фокусировки луча (т.е. «линза» электронного прожектора), в которой действует неоднородное, но осесимметричное электрическое поле. Векторы электрического поля везде перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены на рисунке влево, так как второй анод находится под более высоким потенциалом, чем первый. При этом электроны формируются в сходящийся пучок, который благодаря надлежащей подстройке формы электродов и их относительных потенциалов точно фокусируется при достижении поверхности экрана. В некоторых случаях фокусировка осуществляется посредством магнитного поля, направленного параллельно оси ЭЛТ. На рис. 9,в поясняется принцип такой фокусировки.

Электрический потенциал, который определяет максимальную скорость электронов на выходе из электронного прожектора, лежит в пределах от нескольких сотен до 10 000 В. В эксплуатации последний ускоряющий электрод (второй анод) обычно заземляется. В электродах имеются диафрагмы с круглыми отверстиями, которые отсекают периферийные электроны от пучка, предотвращая тем самым размывание пятна. Кроме того, они улавливают электроны вторичной эмиссии, возвращающиеся от различных поверхностей внутренних компонентов ЭЛТ.

Фотоэлектронные приборы.

Фотоэлектронный электровакуумный прибор (фотоэлемент) – это электронная лампа, имеющая катод, который эмиттирует электроны, когда на него попадает видимый свет или инфракрасное либо ультрафиолетовое излучение. Изменения интенсивности излучения вызывают соответствующие изменения электронного потока в лампе, а следовательно, и тока во внешней цепи.

В научных исследованиях и технике фотоэлектронные приборы используют для измерений освещенности. Они находят применение также в устройствах управления уличным освещением, для уравнивания цветов в телевидении и согласования красок в полиграфии, для подсчета объектов на производстве. Фотоэлектронные приборы используются для считывания звука при демонстрации кинофильмов. Звук записывается на пленке в виде непрерывной дорожки переменной плотности, которая модулирует световой луч, направляемый на фотоэлектронный прибор. Выходной сигнал этого прибора получается пропорциональным плотности звуковой дорожки, записанной на пленке.

На рис. 10,а показаны вольт-амперные характеристики типичного электровакуумного фотоэлемента, а на рис. 10,б – относительные спектральные характеристики типичного фотоэлектронного прибора и глаза человека при постоянной световой интенсивности и изменяющейся длине волны излучения. Абсолютные значения амплитуд спектральных характеристик зависят от выбора материала чувствительной поверхности фотокатода.

В некоторых случаях внутрь прибора вводят газ, чтобы повысить его токовую чувствительность. Однако такая чувствительность становится сильно зависящей от потенциала анода, тогда как в вакуумном фотоэлементе выходной сигнал остается неизменным в широком диапазоне значений анодных потенциалов (рис. 11).

Фотоумножитель.

Действие фотоэлектронного умножителя основано на использовании вторичных электронов, которые освобождаются, когда электрон, обладающий высокой скоростью, ударяется о поверхность металла. Прибор работает следующим образом. Электроны, эмиттируемые обычным фотокатодом, притягиваются электрическим полем динода – электрода, потенциал которого несколько выше потенциала катода. Когда электрон ударяется о динод, из него вылетает несколько вторичных электронов. Они ускоряются в направлении второго динода, который находится под более высоким потенциалом, чем первый, и в результате соударения образуется еще большее число вторичных электронов. После нескольких таких ступеней каскадного «размножения» электронов процесс достигает, наконец, анода, собирающего электроны. Сильно увеличенное число электронов, собранных анодом, создает намного больший ток по сравнению с током фотокатода. Если каждый электрон, ударяющийся о динод, выбивает n вторичных электронов, то при числе динодов, равном k , коэффициент усиления тока будет nk . Положение динодов тщательно рассчитывается, с тем чтобы большинство электронов, вылетев с одного динода, попадало на другой и т.д. На рис. 12,а показано, как этот процесс реализуется в сравнительно ограниченном объеме электронной лампы. На рис. 12,б представлена схема подключения типичного фотоэлектронного умножителя. Резисторы всех динодов обычно имеют одинаковое сопротивление. На рис. 12,в приведена токовая характеристика фотоумножителя. В данном случае разность потенциалов между соседними динодами равна 100 В, а полученный коэффициент усиления тока составляет 10 6 .

Газоразрядные лампы.

Газоразрядная лампа – это электронная лампа, содержащая достаточно газа, чтобы существенным образом влиять на ее характеристики. Давление этого газа ниже атмосферного. Обычно для наполнения газоразрядных ламп используют инертные газы (неон, аргон и др.) или пары ртути. Характеристики лампы определяются как свойствами используемого газа, так и его давлением внутри лампы.

Соударения и ионизация.

Присутствие молекул газа в электронной лампе может быть причиной двух эффектов. Соударения с молекулами могут вызвать торможение потока электронов в лампе (такие соударения способны приводить к нарастанию пространственного заряда с образованием облака электронов вокруг катода, что вызывает уменьшение тока), а если электроны ускоряются достаточно большой разностью потенциалов, они могут выбивать электроны из молекул газа, оставляя после себя положительно заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Если ускоряющий потенциал в лампе еще более высокий, то первичный электрон и электрон, высвобожденный из молекулы в процессе ионизации, могут ускориться до такой большой скорости, что вызовут дальнейшую ионизацию. Такой процесс приводит к разряду – распространению ионизации в пространстве между анодом и катодом лампы. Образование большого числа положительных ионов и освободившихся при ионизации электронов увеличивает ток, текущий через лампу, и сопротивление лампы во время разряда становится очень малым.

Газоразрядные диоды и газонаполненные лампы.

Газоразрядный диод (газотрон) – это диод, в котором присутствие газа создает высокую проводимость в прямом направлении. Электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются к аноду, и в результате возникает разряд. Разряд продолжается до тех пор, пока потенциал анода не станет ниже некоторого потенциала отсечки. Но как только анод становится отрицательным, нехватка электронов уже не в состоянии снова инициировать разряд. Если, однако, потенциал анода понижается до большой отрицательной величины (например, более -100 В), то разряд запускается электронами, эмиттируемыми анодом. Другими словами, анод легче эмиттирует электроны, когда его потенциал не нулевой, а отрицательный. Электроны могут высвобождаться в результате термоэмиссии даже при комнатной температуре из-за их теплового движения. Они могут также появляться вследствие фотоэлектрических процессов, вызываемых бомбардировкой фотонами. В любом случае эмиттируемые электроны будут вызывать в лампе ионизацию с последующим разрядом. Поэтому большие отрицательные напряжения на аноды газоразрядных диодов обычно не подают. Тем не менее такие диоды находят применение в низковольтных схемах выпрямления, в частности, в устройствах для зарядки батарей, где требуется большой ток в прямом направлении.

Неоновая лампа представляет собой газоразрядный диод с двумя одинаковыми электродами без подогревателей. На рис. 13 показана вольт-амперная характеристика такой лампы. Легко видеть, что падение напряжения на лампе остается почти без изменения после того, как лампа «зажглась» подачей на нее напряжения, немного превышающего стартовое. Такая характеристика газоразрядных ламп, работающих в области самоподдерживающегося тлеющего разряда, делает их полезными приборами для поддержания неизменного напряжения в схеме с меняющимся током нагрузки. Обычно для подобных стабилизаторов напряжения (стабилитронов) используют специально разработанные лампы, но годится и простая неоновая лампа. Подсоединять лампы к источнику напряжения нужно через последовательный резистор, чтобы предотвратить слишком большое возрастание тока, которое способно повредить лампу или источник напряжения.

Тиратрон.

Тиратрон – газоразрядный триод, обычно с подогревным катодом. Анод тиратрона, как правило, поддерживается под достаточно высоким потенциалом, чтобы инициировать разряд, когда сетка имеет потенциал катода. (На сетке же поддерживается отрицательный потенциал, чтобы не допустить выхода электронов из прикатодной области и возбуждения разряда.) В нужный момент по сигналу потенциал сетки повышается настолько, чтобы запустить разряд. После возникновения разряда сетка не управляет им до тех пор, пока анодное напряжение не понизится до уровня, при котором разряд погаснет.

Малый положительный импульс, поданный на сетку, позволяет инициировать прохождение большого тока через лампу. Эта управляющая функция и определяет полезность тиратрона. «Стартовый потенциал» сетки – напряжение, при котором инициируется разряд, – зависит от потенциала анода и температуры газа в лампе.

В ионных (газонаполненных) фотоэлементах газ используется, чтобы получить усиление тока вследствие ионизации молекул газа фотоэлектронами. Потенциал анода никогда не доводят до уровня, при котором разряд становится самоподдерживающимся и не нуждающимся в эмиссии фотоэлектронов с катода.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ -приборы, в к-рых перенос тока осуществляется электронами или ионами, движущимися между электродами через высокий или газ внутри газонепроницаемой оболочки.

Э. п. разделяются на два больших класса: электронные приборы и ионные приборы .В электронных приборах перенос электрич. в междуэлектродном пространстве обусловливается движением эмитированных катодом свободных электронов в высоком вакууме. В газоразрядных (ионных) приборах в переносе электрич. заряда участвуют как электроны, так и тяжёлые заряж. частицы - ионы, образующиеся при взаимодействии электронов, движущихся в электрич. поле, с атомами газа, заполняющего прибор.

Одной из особенностей прохождения тока в Э. п. является нелинейная зависимость величины тока, протекающего через прибор, от величины приложенного - нелинейная вольт-амперная характеристика , к-рая для электронных приборов во мн. случаях может быть описана показательной ф-цией. Характеристики газоразрядных приборов имеют разнообразные виды: растущие, падающие, разрывные и др. Мн. виды Э. п. обладают односторонней проводимостью - условия прохождения тока резко изменяются при изменении полярности приложенного напряжения.

Величиной проходящего через Э. п. тока можно управлять в широких пределах - от "запирания" (нуля) до максимально возможного для данного прибора значения, причём практически без затраты энергии.

Электронные Э. п. практически безынерционны, т. е. изменение тока, протекающего через прибор, происходит почти мгновенно при изменении приложенного напряжения. Это определяется тем, что электроны, движущиеся в электрич. поле в свободном пространстве (высоком вакууме), могут приобретать скорость, близкую к : при прохождении в ускоряющем поле с разностью потенциалов 100 кВ скорость электрона составляет ~(2/3)с . При таких скоростях время пролёта электроном междуэлектродного пространства составляет <=10 -10 -10 -9 с, что позволяет считать Э. п. приборами мгновенного действия.

Большинство Э. п. является преобразователями информации (сигналов) - и по виду преобразуемой энергии, и по параметрам преобразования.

По виду преобразуемой энергии Э. п. разделяются на группы: преобразующие электрич. сигналы в электрические с др. параметрами; преобразующие электрич. сигналы в оптические (световые); оптические - в электрические; оптические-в оптические с др. параметрами.

Э. п. могут преобразовывать величину (амплитуду) сигнала, осуществляя усиление напряжения, тока, мощности, яркости оптич. изображения и т. п. в весьма широком диапазоне изменения величины преобразуемого сигнала, напр. по мощности - от долей Вт до десятков МВт. Э. п. могут преобразовывать сигналы по частоте, осуществляя генерирование ВЧ- и СВЧ-колебаний, детектирование, выпрямление перем. тока (также в очень широком диапазоне- от нуля до десятков ГГц). Ряд Э. п. применяется для переключения (коммутации) электрич. цепей больших мощностей и высокого напряжения с помощью маломощных управляющих сигналов.

К Э. п., преобразующим электрич. сигналы в электрические с др. параметрами, относятся электронные лампы , электронные приборы СВЧ-диапазона (клистроны, магнетроны, лампа бегущей волны, лампа обратной волны) , запоминающие электронно-лучевые трубки, нек-рые газоразрядные приборы (ртутные вентили, газотроны, тиратроны дугового и ). Приборами, преобразующими электрич. сигналы в оптические, являются приёмные электронно-лучевые трубки (осциллографич., индикаторные, кинескопы), электронно-световые индикаторы напряжения, лампы накаливания, газоразрядные источники света, в т. ч. люминесцентные лампы (см. ) . Преобразование оптических (световых) сигналов в электрические осуществляется вакуумными фотоэлементами , передающими телевиз. трубками (диссекторами, суперор-тиконами, видиконами и др.). Преобразование оптич. сигналов в оптические с др. параметрами происходит с помощью электронно-оптических преобразователей , усилителей яркости, усилителей рентгеновского изображения.

К Э. п. относятся также стабилизаторы тока (бареттеры), газоразрядные стабилизаторы напряжения (стабилитроны) и механотроны - приборы, преобразующие меха-нич. параметры (изменение расстояния между электродами, давление, ускорение, амплитуду и частоту вибраций) в электрич. сигналы.

Лит.: Тягунов Г. А., Электровакуумные и , М.- Л., 1962; Электронные приборы, под ред. Г.Г. Шишкина, 4 изд., М., 1989; Кацнельсон Б. В., Калугин A.M., Ларионов А. С., Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы. Справочник, 2 изд., М., 1985.

А. А. Жигарев .