Электровакуумные приборы с электростатическим и динамическим управлением

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

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 Е₀ 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 = Е₀ — 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 до 1,56 эВ (активированный ^,У).

В зависимости от вида энергии, подводимой к веществу, различают термо-, фото-, вторичную и электростатическую электронные эмиссии частиц.

Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева вещества. С ростом температуры вещества увеличивается энергия, получаемая электронами, и возрастает вероятность совершения ими работы выхода и покидания металла.

Зависимость плотности тока термоэмиссии от температуры тела (катода) Т определяется следующим выражением:

где Л₀ — константа, зависящая от материала катода; для различных веществ А₀ = 10…300 А/(см² • К²); /г — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия обусловлена сильным электрическим полем, воздействующим на поверхность катода. При большом положительном относительно катода потенциале 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 результате при некоторой величине напряженности электрического поля I' может возникнуть значительный ток эмиссии за счет туннельного перехода через барьер электронов с поверхности катода во внешнее пространство. Это явление называется электростатической (автоэлектронной) эмиссией. Напряженности электрических полей, необходимые для этого вида эмиссии, должны достигать значения порядка 10⁶ В/см и более. Эта величина существенно (примерно на два порядка) меньше напряженности поля внутри двойного слоя, задерживающего-электроны, которые преодолевают 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 п_х называют коэффициентом вторичной эмиссии о. Для большинства металлов и полупроводников максимальное значение о ~ 1. У сложных соединений, включающих элементы с малой работой выхода, о может достигать нескольких единиц.

Фотоэлектронная эмиссия обусловлена действием внешнего электромагнитного излучения, воздействующего на поверхность вещества. Катод, использующий фотоэлектронную эмиссию, называется фотоэлектронным или фотокатодом. Механизм фотоэлектронной эмиссии объясняется законами фотоэффекта А. Г. Столетова и уравнением А. Эйнштейна. Согласно закону Столетова, фототок /_ф пропорционален световому потоку Ф, облучающему тело:

Кинетическая энергия эмитированных электронов определяется частотой V падающего света (или энергией фотонов Лу) и в соответствии с законом Эйнштейна вычисляется из уравнения.

где Л — постоянная Планка; А_ВЬ|Х — работа выхода; и — скорость эмитированных электронов.

Частота падающего света (V = У_кр), при которой кинетическая энергия электронов равна нулю (ЛУ_кр = А_ных), называется пороговой частотой фотоэлектронной эмиссии, соответствующей длинноволновой, или красной, границе внешнего фотоэффекта. Поскольку различные вещества имеют различную работу выхода, фотоэлектронная эмиссия для разных фотокатодов возникает при характерной для данного вещества критической частоте У_кр. Чувствительность фотокатода оценивается отношением числа эмитированных электронов к числу падающих фотонов (квантовый выход).

Катоды электронных ламп. В большинстве электровакуумных приборов применяются термоэлектронные катоды (термокатоды), использующие термоэмиссию. Наиболее распространены однородные металлические, активированные металлические, полупроводниковые и металлополупроводниковые термокатоды. По способу нагрева термокатоды делятся на прямонакальные и подогревные.

Прямонакальные катоды выполняются различной формы из тонкой проволоки (или ленты), которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. Подогревные катоды (косвенного канала) содержат изолированную нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, выполняемый обычно в виде металлического цилиндра с активированной внешней поверхностью. Прямонакальные катоды, как правило, запитываются постоянным током накала, а подогревные могут нагреваться и переменным.

Прямонакальные катоды из чистых металлов используются относительно редко. Они применяются в электрометрических мощных лампах и электронных лампах с высоким анодным напряжением, так как являются наиболее стойкими к разрушению под действием бомбардировки ионов, возникающих за счет ионизации остаточных газов в рабочем пространстве.

Активированные металлические катоды имеют достаточно много конструктивных модификаций. В любом из них поверхность вольфрама или молибдена активируется металлами с малой работой выхода: барием, торием, стронцием и др. Для увеличения активированной поверхности и, следовательно, тока эмиссии поверхностные слои или весь катод изготавливаются: из порис;

того вольфрама; путем прессования или спекания порошков окиси металла (никеля, вольфрама и др.) и карбонатов щелочноземельных металлов; путем нанесения гексаборида лантана или гексаборида бария на молибденовую или танталовую подложку. Активированные металлические катоды применяются в самых разнообразных электронных приборах. Они обладают существенно большей плотностью тока эмиссии (до 10 А/см²) и имеют меньшую рабочую температуру (Т_раб ~ 1500…1700 °С), чем однородные металлические (]_е < 1 А/см², Г_раб > 2000 °С), многие из них стойки к ионной бомбардировке, отравлению газами, хорошо работают в сильных электрических полях.

В полупроводниковых и металлополупроводниковых термокатодах в качестве эмитирующего слоя используются полупроводники. Наибольшее распространение в электронных и газоразрядных приборах получил оксидный катод₃ представляющий собой никелевый или вольфрамовый керн с нанесенным полупроводниковым слоем из смеси окислов бария, стронция и кальция. Хорошими характеристиками обладают оксидно-бариевые и оксидноториевые 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 катодов является малая рабочая температура (Т _б < 1000°С), высокая эмиссионная способность, достигающая в импульсном режиме величины ]_е ~ 150 А/см².

Для оценки свойств термокатодов используются следующие параметры: плотность эмиссионного тока у; рабочая температура катода Т_ра6; долговечность_у или срок службы катода; эффективность катода Н. Последний параметр характеризует отношение тока эмиссии у, к мощности Р_н, подводимой к катоду для его подогрева.

Примерная эффективность катодов: однородных металлических — 5…15 мА/Вт; активированных — 20…70 мА/Вт; полупроводниковых — 80…200 мА/Вт.

Фотокатоды чаще всего выполняются в виде тонкого светочувствительного слоя металла с окисленной поверхностью, на которую осаждена тонкая пленка цезия. Наиболее распространены кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды, причем последние обычно наносятся на тонкую никелевую пленку — подложку.