РОЗДІЛ 3 ЕЛЕКТРОВАКУУМНИЙ ПРИЛАД З ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ТА ДИНАМІЧНИМ УПРАВЛІННЯМ

ЕЛЕКТРОВАКУУМНИЙ ПРИЛАД З ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯМ

Загальні відомості

Електровакуумним приладом називається пристрій, в якому робочий простір, ізольоване газонепроникної оболонкою (балоном), має високу ступінь розрідження або заповнене спеціальної середовищем (парами або газами) і вражаючі дії яких засновані на електричних явищах, пов'язаних з рухом заряджених частинок у вакуумі або газі. Відповідно до характеру робочого середовища електровакуумні прилади підрозділяються на електронні та іонні ( газорозрядні ).

В електронному електровакуумному приладі ( ЕВП ) електричний струм обумовлений рухом тільки вільних електронів у вакуумі. Сімейство електронних вакуумних приладів досить велике і об'єднує такі групи приладів, як електронні лампи електронно-променеві прилади у електровакуумні фотоелектронні прилади і ін.

Принцип дії іонного електровакуумного приладу заснований на використанні властивостей електричного розряду в газі або парах металів. Ці прилади називають також газорозрядними ( ГРП ). До них відносяться газорозрядні прилади дугового, тліючого, високочастотного розрядів і ін.

Будь-вакуумний електронний і газорозрядне прилад складається з системи електродів, призначених для управління фізичними процесами всередині балона, що відокремлює зовнішнє середовище від робочого внутрішнього простору приладу.

У кожному типі електровакуумних і газорозрядних приладів створюються свої специфічні системи електродів. Однак у всіх типах електровакуумних і більшості типів газорозрядних приладів є: катоди - електроди, що випускають ( емітує ) електрони, і аноди - електроди, що збирають ( коллектірующіе) електрони. Для управління потоками заряджених частинок в багатьох приладах використовуються електроди , виконані у вигляді сіток або профільованих пластин, і спеціальні електромагнітні елементи конструкції (котушки). Конструкції електродів дуже різноманітні і визначаються призначенням приладів і умовами їх роботи. У приладах відображення інформації в наочній (візуальної) формі (електронно-променеві трубки - ЕПТ, індикатори та інші прилади) широко використовуються спеціальні конструктивні елементи - екрани , за допомогою яких енергія електронного потоку або електричного поля перетворюється в оптичне випромінювання (свічення) тіла.

Балони електровакуумних і газорозрядних приладів виготовляються найрізноманітнішої форми зі скла, металу, кераміки, а також з різних комбінацій цих матеріалів. Висновки від електродів робляться через цоколь, торцеві і бічні поверхні балонів.

Основи емісійної електроніки

Робота виходу. Щоб сформувати потік вільних електронів, що переміщаються в вакуумі або газі під дією електричних і магнітних полів, необхідно забезпечити вихід електронів з твердого тіла (найчастіше металу, напівпровідника). Випускання електронів твердим тілом називається емісією і здійснюється шляхом підведення до тіла енергії від зовнішнього джерела. Енергія, що дорівнює різниці енергії Е 0 електрона, що покоїться в вільному просторі на відстані, де силами, що діють на електрон з боку поверхні твердого тіла, можна знехтувати, і енергії Е ф , яка відповідає рівню електрохімічного потенціалу системи електронів в твердому тілі (рівню Фермі, см . п. 1.1), т. е. А = е 0 - е ФЧ називається роботою виходу (див. також п. 2.6). Робота виходу зазвичай виражається в електрон-вольтах (еВ).

Робота виходу електрона складається в основному з роботи з подолання сили, що діє на електрон з боку подвійного шару , і сили дзеркального відображення. Подвійний електричний шар утворюється вилетіли з поверхні катода електронами і позитивними іонами решітки матеріалу катода, емітує (випускає) електрони. Подвійний шар утворює гальмує електричне поле для електронів, що вилітають з поверхні катода. При видаленні від поверхні тіла на електрон діє утримує кулоновская сила, що виникає між віддаляється електроном і наведеним в тілі катода дзеркально розташованим позитивним електричним зарядом (сила дзеркального відображення). Робота виходу більшості чистих металів, що використовуються як катодів, лежить в інтервалі 1,8 (Се) ... 5 (Не) еВ.

Для зменшення роботи виходу на поверхню металевої основи (керна) наносять речовина з меншою роботою виходу, електрони якого переходять в керн. Внаслідок цього на поверхні катода з'являються позитивні іони, які разом з електронами, що пішли в керн, формують внутрішній подвійний електричний шар. Електричне поле, створюване цим шаром, прискорює вилітають електрони, т. Е. Зменшує роботу виходу електронів. Наприклад, при нанесенні одноатомного шару барію на поверхню вольфраму (¥) робота виходу зменшується з 4,5 еВ (чистий до 1,56 еВ (активоване , У).

Залежно від виду енергії, що підводиться до речовини, розрізняють термо-, фото-, вторинну і електростатичну електронні емісії частинок.

Термоелектронна емісія здійснюється за рахунок нагріву речовини. З ростом температури речовини збільшується енергія, що отримується електронами, і зростає ймовірність скоєння ними роботи виходу і покидання металу.

Залежність щільності струму термоеміссіі від температури тіла (катода) Т визначається наступним виразом:

де Л 0 - константа, що залежить від матеріалу катода; для різних речовин А 0 = 10 ... 300 А / (см 2 • До 2 ); / г - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура.

Електростатичний (автоелектронна) емісія обумовлена сильним електричним полем, яке впливає на поверхню катода. При великому позитивному щодо катода потенціал електрода, розташованого поруч з катодом, у поверхні останнього відбувається значне зменшення величини і ширини енергетичного бар'єру, який потрібно подолати електрону для виходу в зовнішній простір (в вакуум). В результаті при деякій величині напруженості електричного поля I ' може виникнути значний струм емісії за рахунок тунельного переходу через бар'єр електронів з поверхні катода в зовнішній простір. Це явище називається електростатичною ( автоелектронної) емісією. Напруженості електричних полів, необхідні для цього виду емісії, повинні досягати значення порядку 10 6 В / см і більше. Ця величина суттєво (приблизно на два порядки) менше напруженості поля всередині подвійного шару, який затримує-електрони, які долають потенційний бар'єр внаслідок тунелювання.

Вторинна електронна емісія відбувається при бомбардуванні поверхні катода потоками швидких заряджених частинок. Якщо використовуються електронні потоки, то відношення загального числа вторинних (вибитих з поверхні тіла) електронів п 2 до числа первинних (падаючих на цю поверхню з електронного потоку) електронів п х називають коефіцієнтом вторинної емісії о. Для більшості металів і напівпровідників максимальне значення про ~ 1. У складних з'єднань, що включають елементи з малою роботою виходу, про може досягати декількох одиниць.

Фотоелектронна емісія обумовлена дією зовнішнього електромагнітного випромінювання, що впливає на поверхню речовини. Катод, який використовує фотоелектронну емісію, називається фотоелектронним або фотокатодом. Механізм фотоелектронній емісії пояснюється законами фотоефекту А. Г. Столєтова і рівнянням А. Ейнштейна. Відповідно до закону Столєтова, фототок / ф пропорційний світловому потоку Ф, опромінювати тіло:

Кінетична енергія емітованих електронів визначається частотою V падаючого світла (або енергією фотонів Лу) і відповідно до закону Ейнштейна обчислюється з рівняння

де Л - постійна Планка; А ВЬ | Х - робота виходу; і - швидкість емітованих електронів.

Частота падаючого світла (V = У кр ), при якій кінетична енергія електронів дорівнює нулю (ЛУ кр = А них ), називається порогової частотою фотоелектронній емісії, відповідної довгохвильової, або червоною, кордоні зовнішнього фотоефекту. Оскільки різні речовини мають різну роботу виходу, фотоелектронна емісія для різних фотокатодов виникає при характерною для даної речовини критичної частоті У кр . Чутливість фотокатода оцінюється відношенням числа емітованих електронів до числа падаючих фотонів (квантовий вихід).

Катоди електронних ламп. У більшості електровакуумних приладів застосовуються термоелектронні катоди ( термокатодом ), що використовують термоеміссія. Найбільш поширені однорідні металеві, активовані металеві, напівпровідникові і металлополупроводніковие термокатодом. За способом нагріву термокатодом діляться на прямонакальние і подогревним.

Прямонакальние катоди виконуються різної форми з тонкого дроту (або стрічки), яку закріплюють в масивних власниках, що приєднуються до джерела струму розжарення. Подогревним катоди (непрямого каналу) містять ізольовану нитку підігріву (підігрівач) і власне катод, що виконується зазвичай у вигляді металевого циліндра з активованою зовнішньою поверхнею. Прямонакальние катоди, як правило, живляться постійним струмом напруження, а подогревним можуть нагріватися і змінним.

Прямонакальние катоди з чистих металів використовуються відносно рідко. Вони застосовуються в електрометричних потужних лампах і електронних лампах з високим анодним напругою, так як є найбільш стійкими до руйнування під дією бомбардування іонів, що виникають за рахунок іонізації залишкових газів в робочому просторі.

Активовані металеві катоди мають досить багато конструктивних модифікацій. У будь-якому з них поверхню вольфраму або молібдену активується металами з малою роботою виходу: барієм, торієм, стронцієм і ін. Для збільшення активованої поверхні і, отже, струму емісії поверхневі шари або весь катод виготовляються: з поріс-

того вольфраму; шляхом пресування або спікання порошків окису металу (нікелю, вольфраму та ін.) і карбонатів лужноземельних металів; шляхом нанесення гексаборид лантану або гексаборид барію на молибденовую або танталові підкладку. Активовані металеві катоди застосовуються в найрізноманітніших електронних приладах. Вони володіють істотно більшою щільністю струму емісії (до 10 А / см 2 ) і мають меншу робочу температуру (Т раб ~ 1500 ... 1700 ° С), ніж однорідні металеві (] е <1 А / см 2 , Г раб > 2000 ° С), багато хто з них стійки до іонної бомбардування, отруєння газами, добре працюють в сильних електричних полях.

У напівпровідникових і металлополупроводнікових термокатодом як емітує шару використовуються напівпровідники. Найбільшого поширення в електронних і газорозрядних приладах отримав оксидний катод 3 представляє собою нікелевий або вольфрамовий керн з нанесеним напівпровідникових шаром із суміші оксидів барію, стронцію і кальцію. Гарними характеристиками володіють оксидно-барієві і оксидно торієві катоди , що відрізняються високою стійкістю до іонної бомбардування і отруєння газами, відновленням емісії після отруєння. Чисто оксидні катоди цими властивостями не володіють. Загальним позитивним властивістю всіх оксидних катодів є мале робоче температура б <1000 ° С), висока емісійна здатність, що досягає в імпульсному режимі величини ] е ~ 150 А / см 2 .

Для оцінки властивостей термокатодом використовуються наступні параметри: щільність емісійного струму у; робоча температура катода Т РА6 ; довговічність у або термін служби катода ; ефективність катода Н. Останній параметр характеризує відношення струму емісії у, до потужності Р н , підводиться до катода для його підігріву.

Орієнтовна ефективність катодів: однорідних металевих - 5 ... 15 мА / Вт; активованих - 20 ... 70 мА / Вт; напівпровідникових - 80 ... 200 мА / Вт.

Фотокатоди найчастіше виконуються у вигляді тонкого світлочутливого шару металу з окисленої поверхнею, на яку обложена тонка плівка цезію. Найбільш поширені киснево-цезієві і сурьмяно-цезієві фотокатоди, причому останні зазвичай наносяться на тонку нікелеву плівку - підкладку.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >