Вакуумные приборы

1. Вакуумный диод.

Вакуумный диод состоит из катода К в виде тонкой прямой нити и анода А, часто представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр (рис 1.1). Катод и анод впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум.

При неизменном токе накала, т. е. при неизменной температуре катода, сила анодного тока зависит от анодного напряжения. При постепенном повышении анодного напряжения сила анодного тока Iа растет (рис. 1.2) до определенного значения Iн, после чего она остается неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напряжения.

Наибольший ток, возможный при данной температуре катода, называют током насыщения.

График (рис. 1.2) называют вольтамперной характеристикой диода.

Пояснение к графику. При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком, который отталкивает вылетающие из катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному числу электронов удается долететь до анода; поэтому при Uа = 0 сила анодного тока Iа немногим больше нуля. Для того чтобы Iа = 0, нужно приложить к аноду небольшое отрицательное напряжение. Поэтому вольтамперная характеристика диода начинается немного левее начала координат.

С увеличением положительного анодного напряжения увеличивается число электронов, переносимых на анод, и электронное облако около катода постепенно уменьшается. Когда оно полностью исчезает, т. е. когда все термоэлектроны, вылетающие из катода, достигают анода, сила анодного тока перестает расти и он становится током насыщения.

Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих за 1 с. из катода, т. е. нужно повысить температуру катода, усилив ток накала. На рис. 1.3 приведены вольт-амперные характеристики диода при различных температурах катода, причем T1 < T2 < T3.

Рассмотренный выше катод прямого накала не пригоден при нагреве катода переменным током, так как в этом случае возникают колебания анодного тока, вызванные небольшими периодическими изменениями температуры нити катода. От этого недостатка свободен диод с катодом косвенного накала (подогревным). Его условное обозначение дано на рис. 1.4. Подогревной катод состоит из керамической трубочки, внутри которой помещен проводник-нагреватель, питаемый переменным током. На трубочку надет массивный никелевый цилиндрик, испускающий при нагревании электроны. Он покрыт оксидным слоем, уменьшающим работу выхода электрона. Достаточно большая масса катода обеспечивает постоянство его температуры. В настоящее время катоды косвенного накала применяют и в других электронных лампах.

Двухэлектродная электронная лампа пропускает ток только в одном направлении. Поэтому ее используют в качестве выпрямителя переменного тока. Диод, действующий как выпрямитель, называют кенотроном.

Через кенотрон ток протекает лишь в течение одной половины периода переменного тока, когда в диоде он направлен от анода к катоду. На рис. 1.5 приведен график выпрямленного тока: по оси абсцисс отложено время, по оси ординат — сила тока. Такой ток называют однополупериодным пульсирующим.

Если в цепь включить два кенотрона или кенотрон с двумя анодами, то можно использовать оба полупериода переменного тока. Изменение силы двухполупериодного выпрямленного тока со временем показано на рис. 1.6.

2. Вакуумный триод.

Трехэлектродная лампа, или триод, содержит кроме катода и анода еще третий электрод — управляющую сетку. Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку C, окружающую прямолинейный катод. Ось цилиндрического анода совпадает с осью катода и сетки (рис. 2.1). Условное изображение триода и принцип его включения для усиления анодного тока показаны на рис. 2.2. Здесь А—анод лампы; К—ее катод; С—сетка; БА—анодная батарея; БС — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и катодом; R — потребитель тока.

Сетка расположена ближе к катоду, чем анод, и на пути катод — сетка на электроны действует суммарное поле: созданное между анодом и катодом и создаваемое между сеткой и катодом. Во время работы лампы лишь часть электронов попадает на сетку и движется к катоду по внешней цепи, образуя сеточный ток.

Если потенциал сетки положителен по отношению к катоду, то движение электронов от катода к аноду убыстряется, и анодный ток растет. Если же потенциал сетки отрицателен по отношению к катоду, то движение электронов к аноду замедляется, и анодный ток уменьшается. При достаточно большом по абсолютному значению отрицательном потенциале сетки анодный ток полностью прекращается — в этом случае говорят, что «лампа заперта». Для улучшения действия электронной лампы в нее вводят дополнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом (т. е. четырехэлектродной), с тремя — пентодом (пятиэлектродной). Появление электронных ламп разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграли огромную роль в развитии радио. Триод также применяют, как генератор электрических колебаний.

3. Электронная пушка.

Электронная пушка — вакуумное устройство (обычно диод) для получения пучков электронов (рис 3.1). Электроны в электронной пушке вылетают из катода и ускоряются электрическим полем. Испускание электронов из катода происходит главным образом в процессах термоэлектронной эмиссии, эмиссии из плазмы, автоэлектронной эмиссии. Формирование заданного распределения электронного пучка на выходе из электронной пушки осуществляется подбором конфигурации и величины электрических и магнитных полей. Термин «Электронная пушка» чаще применяют к устройствам для формирования высокоинтенсивных электронных пучков (сильноточные электронные пушки); слаботочные электронные пушки, представляющие собой более простые совокупности электродов и используемые в клистронах, электронно-лучевых приборах и т. д., обычно называют электронными прожекторами (рис. 3.2).

4. Электронно-лучевая трубка.

Схема устройства электроннолучевой трубки представлена на рис. 4.1. В ее узкий конец вмонтирована электронная пушка П, состоящая из термокатода К, анода, А и нескольких металлических колец. Электроны вылетают из катода, нагреваемого электрическим током, а электрическое поле металлических колец (фокусирующего устройства) сводит их в узкий пучок—электронный луч. Широкое дно Э электроннолучевой трубки покрыто слоем флуоресцирующего вещества и служит экраном. Под действием ударов попадающих на него электронов экран светится, и в том месте, куда попадает электронный луч, появляется обычно зеленое светлое пятнышко F.

Между электронной пушкой и экраном помещены управляющие электроды, образующие два конденсатора: C1 и С2. Электрические поля заряженных конденсаторов взаимно перпендикулярны. Поле конденсатора С1 отклоняет луч в горизонтальном направлении, поле конденсатора С2 — в вертикальном. Изменяя напряжение на пластинах каждого из конденсаторов, можно отклонить электронный луч в любом направлении так, что пятнышко возникает на экране на различных расстояниях от его центра. В центр экрана электроны попадают, когда конденсаторы не заряжены.

В некоторых типах электроннолучевых трубок отклонение электронного пучка производится магнитным полем. При этом вместо отклоняющих пластин действуют две взаимно перпендикулярные пары катушек, расположенные снаружи трубки. Каждая пара катушек создает перпендикулярное лучу магнитное поле.

Электроннолучевые трубки имеют огромное практическое значение. Их применяют в радиолокационных установках, телевизорах, электронных микроскопах и других приборах. Без электронного осциллографа не обходится ни одна физическая лаборатория, им широко пользуются в медицине, биологии и т. д. Электронная пушка работает в современной рентгеновской трубке, в электронном микроскопе. Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело, используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме.

5. Электронный осциллограф.

Электронным осциллографом называют электроннолучевую трубку, применяемую для исследования быстропротекающих электрических процессов. Слово осциллограф означает «записывающий колебания». На первый конденсатор C1 осциллографа накладывается изменяющееся во времени пилообразное напряжение (рис. 5.1). На протяжении каждого периода оно сначала плавно растет, а затем мгновенно падает. Поэтому пятнышко на экране движется сначала слева направо, а потом мгновенно возвращается в исходное положение, а так как частота колебаний напряжения велика, то глаз все время видит горизонтальную светлую прямую. Если, например, на пластины второго конденсатора г. вертикально направленным полем подать напряжение синусоидального переменного городского тока (v = 50 Гц), то при одновременном действии конденсаторов электронный луч опишет развертку синусоидальных колебаний, представляющую собой осциллограмму исследуемого напряжения.

6. Рентгеновская трубка.

Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми электронами. Для получения интенсивного пучка этих лучей Рентген (в 1895 г. открыл эти лучи) построил специальную трубку, состоящую из хорошо откачанного стеклянного шара (рис. 6.1), в который впаяны три металлических электрода: катод К в виде сферической чашечки, анод, А и антикатод АК. Электроны, вылетающие нормально к поверхности катода, попадают в его центр кривизны С, лежащий на антикатоде, изготовленном из тугоплавкого металла. Антикатод установлен под углом 45° к катоду для наиболее удобного использования выходящих из него рентгеновских лучей. Накапливание на антикатоде отрицательного электрического заряда могло бы привести к прекращению работы трубки, поэтому он соединен с анодом.

В современных рентгеновских трубках (рис. 6.2) роль катода выполняет электронная пушка — вольфрамовая спираль, нагреваемая током и служащая источником свободных электронов. Фокусировка электронного пучка производится цилиндром Ц. Антикатод трубки является одновременно анодом. Такие трубки работают устойчивее, чем первая модель.

На рентгеновскую трубку любой конструкции подается напряжение в несколько десятков киловольт.

Рентгеновские лучи широко используют в медицине, технике и научных исследованиях. Приведем несколько примеров. При помощи рентгеновских лучей можно получить на флуоресцирующем экране или на фотографической пленке изображение не только костей, но и внутренних органов человека (например, желудка). Облучение этими лучами применяют при лечении злокачественных опухолей. С помощью рентгеновских лучей обнаруживают изъяны в литых металлических изделиях — раковины или трещины становятся видимыми на флуоресцирующем экране в виде светлых пятен на тени от изделия. Большую роль играют рентгеновские лучи при изучении строения кристаллов.

7. Электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

ЭОП — это вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное с помощью фотокатода, а затем электронного изображения в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП (рис. 7.1) изображение объекта, А проецируется с помощью объектива О на фотокатод Ф (при использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно). Излучение от объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разных участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и экраном, фокусируются электронной линзой (ФЭ — фокусирующий электрод) и бомбардируют экран Э., вызывая его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта. Различают ЭОП однои многокамерные (каскадные); последние представляют собой последовательное соединение двух или более однокамерных ЭОП.

В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электронночувствительных элементов (в количестве 10— 100), установленной вместо люминесцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, астрономии, телевидении, для преобразования УЗ изображения в видимое. Современные многокамерные ЭОП позволяют регистрировать на фотоэмульсии световые вспышки (сцинцилляции) от одного электрона, испускаемого входным фотокатодом.

8. Электронный проектор.

Электронный проектор — это авто-электронный микроскоп, безлинзовый электронно-оптический прибор для получения увеличенного в 105—106 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был изобретен в 1936 нем. физиком Э. Мюллером.

Основные части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером па конце, радиус кривизны которого r~10−7—10−8 м; стеклянная сферическая или конусообразная колба, дно которой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стенках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление ~10−9—10−11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положительное напряжение в несколько тыс. Вольт относительно расположенного в центре колбы катода, напряжённость электрического поля в непосредственной близости от точечного эмиттера (острия) достигает 107—108 В/см. Это обеспечивает интенсивную автоэлектронную эмиссию. При обычной форме катода электроны эмитировались преимущественно с мест локального увеличения напряжённости поля над небольшими неровностями и выступами поверхности эмиттера. Применение точечных эмиттеров, сглаженных поверхностной миграцией атомов металла при повышенных температурах в хорошем вакууме, позволило получить устойчивые токи.

Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее её кристаллическую структуру. Контраст автоэлектронного изображения определяется плотностью эмиссионного тока, которая зависит от локальной работы выхода, изменяющейся в зависимости от кристаллографического строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э. п. равно отношению R/br, где R — расстояние катод — экран, b — константа, зависящая от геометрии трубки.

Электронные проекторы применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней монокристалла и пр. Для наблюдения фазовых превращений, изучения адсорбции атомов различных веществ на металлической или полупроводниковой поверхности и т. д. Э. п. используют весьма ограниченно, т. к. намного большие возможности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.

9. Электронограф.

Электронограф — прибор для исследования атомного строения твердых тел и газовых молекул методами электронографии. (Электронография — это метод изучения структуры веществава, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров). Электронограф — вакуумный прибор. В колонне, основном узле электронографа, электроны, испускаемые раскалённой вольфрамовой нитью, разгоняются высоким напряжением (от 30 кВ и выше — быстрые электроны и до 1 кВ — медленные электроны). С помощью диафрагм и магнитнфх линз формируется узкий электронный пучок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в специальной камере объектов и установленный на специальном столике. Рассеянные электроны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракционное изображение.

(электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных электронов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов.

Электронографы снабжают различными устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.

Электронограф включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала катода, высокого напряжения, питания электромагнитных линз и различных устройств камеры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в О. «ЭР-100» 4 ступени: 25, 50, 75 и.

100 кВ). Разрешающая способность Э. составляет тысячные доли, А и зависит от энергии электронов, сечения электронного пучка и расстояния от образца до экрана, которое в современном электронографе может изменяться в пределах 200— 600 мм. Управление современных электронографов, как правило, автоматизировано.