Лекция 7 Влияние температуры на параметры транзистора с управляющим переходом.

Изменение вольтамперных характеристик ПТУП с температурой определяется температурной зависимостью начальной проводимости канала Rсо и, соответственно, максимального тока Jсм, а также напряжения отсечки Uo, эти значения влияют как на вид ВАХ, так и на величину крутизны (см. 6_9, 6_10).

Изменение с температурой Rco определяется температурной зависимостью электропроводности материала канала, т.е. температурными зависимостями концентрации основных носителей заряда и подвижности, которые были рассмотрены в 1.4.4. На изменение напряжения отсечки влияет, в основном, изменение с температурой контактной разности потенциалов. Используя (6_3), можно записать:

(6_11)

Откуда:

∂Uo/∂T = - ∂Uк/∂T (6_12)

Температурная зависимость контактной разности потенциалов была рассмотрена в 3.1.1, где было показано, что с увеличением температуры контактная разность потенциалов примерно линейно уменьшается. Следовательно, в соответствии с (6_12) с ростом температуры напряжение отсечки будет возрастать.  

Лекция 8 Вакуумная электроника

В вакуумной электронике используется движение носителей заряда в вакууме или разреженном газе. Электронные приборы, в которых движение носителей заря­да происходит в вакууме, называются электровакуумными, а электронные при­боры, в которых движение носителей заряда происходит в разреженном газе, называются газоразрядными. Любой электровакуумный или газоразрядный при­бор состоит из системы электродов, смонтированных внутри стеклянного, ме­таллического или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух. В газоразрядных приборах баллон наполнен газом при сравнительно невысо­ком давлении. Один из электродов, являющийся источником электронов, на­зывается катодом. Вторым электродом, предназначенным для собирания элек­тронов, является анод. Кроме того, в электронных приборах может находиться несколько электродов, называемых сетками, которые располагаются между ка­тодом и анодом.

К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-луче­вые трубки и фотоэлектронные приборы. Электронные лампы, так же как и полу­проводниковые приборы, предназначены для различного рода преобразований электрических сигналов. В настоящее время их применяют главным образом на сверхвысоких частотах и в мощных усилителях и генераторах. В электронно­лучевых трубках (ЭЛТ) движение электронов происходит в виде узкого луча, что позволяет преобразовывать электрические сигналы в видимые изображения (кинескопы в телевидении, ЭЛТ в осциллографах) или, наоборот, видимые изоб­ражения преобразовывать в электрические сигналы (передающие телевизионные трубки). В фотоэлектронных приборах (ФЭП) осуществляется преобразование электромагнитного излучения в электрические сигналы. Принцип работы ФЭП основан на фотоэлектронной эмиссии.

В газоразрядных приборах может происходить дуговой или тлеющий разряд. Дуговой разряд используется в газотронах (двухэлектродных приборах), при­меняемых в мощных выпрямителях. Тлеющий разряд используется в стаби­литронах, применяемых в схемах стабилизации напряжения, и световых инди­каторах.

10.6. Особенности мощных электронных ламп

В настоящее время электронные лампы применяют только для усиления и гене­рирования электрических колебаний большой мощности, достигающей сотен ки­ловатт, поэтому они работают при высоких анодных напряжениях (до 10 кВ) и больших анодных токах (до сотен ампер).

По назначению мощные лампы делят на генераторные и модуляторные. Генера­торные лампы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Нагрузкой генераторных ламп является колебательный контур, сину­соидальное напряжение на котором определяется первой гармоникой импульса анодного тока и резонансным сопротивлением колебательного контура. Как пра­вило, такие лампы имеют анодно-сеточные характеристики, сдвинутые в область положительных напряжений на управляющей сетке, то есть работают с больши­ми сеточными токами с заходом в область режима возврата электронов. Модуля­торные лампы предназначены для усиления низкочастотных колебаний, модули­рующих колебания высокой частоты. Они должны обеспечивать неискаженное усиление сигналов, поэтому работают в области отрицательных напряжений на сетке. По сравнению с генераторными лампами модуляторные лампы имеют ред­кую управляющую сетку.

Работа мощных ламп связана с разогревом электродов этих ламп и необходимос­тью их принудительного охлаждения. В зависимости от способа отвода тепла раз­личают воздушное, водяное и испарительное охлаждение.

Воздушное охлаждение применяют в лампах мощностью до 100 кВт. В таких лам­пах анод выполняется из меди и конструктивно объединяется со стеклянным или керамическим баллоном. Для увеличения теплоотвода наружную поверхность анода делают ребристой. Лампу помещают в герметизированный объем, через который с помощью вентилятора принудительно прогоняют очищенный воздух.

Расход воздуха составляет от 0,8 до 2,7 м³/мин в зависимости от величины отводной мощности. Воздушное охлаждение позволяет снизить температуру анода до 250 °С.

Водяное и испарительное охлаждение применяют в лампах мощностью свыше 100 кВт. Такие лампы имеют медный анод, спаянный со стеклянным баллоном. Лампу помещают в специальный бак, через который пропускают воду. Расход воды составляет от 2 до 4 л/мин на 1 кВт мощности. В лампах с испарительным охлаждением на внешней поверхности анода имеются конические зубцы. Во впа­динах между зубцами температура наибольшая, поэтому попадающая туда вода превращается в пузырьки пара, которые затем выбрасываются из углублений, в результате увеличивается отбор тепла от анода и повышается экономичность, то есть уменьшается расход воды, который составляет около 0,05 л/мин на 1 кВт мощности. Водяное охлаждение позволяет понизить температуру анода до 120 °С.

В некоторых лампах для уменьшения тока управляющей сетки применяют бипотенциальные катоды. Поверхность таких катодов состоит из чередующихся эмитирующих и неэмитирующих участков. Проволоки сетки располагают над неэмитирующими участками. Между эмитирующими и неэмитирующими участ­ками существует контактная разность потенциалов, благодаря чему формируются пучки электронов, перемещающиеся через просветы между проволоками сетки. Для уменьшения тока экранирующей сетки ее проволоки размещают за проволо­ками управляющей сетки.

Для работы в диапазоне УКВ и ДЦВ разработаны мощные лампы с дисковыми коаксиальными выводами, обладающими минимальной собственной индуктив­ностью. Дисковые выводы позволяют легко соединять лампу с элементами объем­ных резонаторов. В мощных радиопередатчиках находят применение разборные лампы, позволяющие заменять отдельные детали и тем самым увеличивать срок службы дорогостоящих мощных ламп. Работа происходит при непрерывной от­качке воздуха из баллона.

10.7. Особенности работы ламп на СВЧ

На СВЧ время пролета электронов соизмеримо с периодом электрических коле­баний, управляющих электронным потоком. Поэтому пролет электронов проис­ходит в условиях изменяющегося электрического поля. Такой режим работы на­зывают динамическим. Для учета влияния времени пролета электронов на токи электродов применяют понятие наведенного тока.

Рассмотрим систему из двух плоских электродов, между которыми перемещает­ся со скоростью υ тонкий электронный слой с общим зарядом – q (рис. 10.12).

Вследствие явления электростатической индукции на электродах наводятся по­ложительные заряды q₁ и q₂, сумма которых равна отрицательному заряду элект­ронов в электронном слое:

. (10.34)

Рис. 10.12

Величина наведенного заряда зависит от расстояния между электронным слоем и электродом:

, (10.35)

Перемещение электронного слоя сопровождается изменением величины наведен­ных зарядов, что ведет к возникновению во внешней цепи, соединяющей электро­ды, наведенного тока:

. (10.36)

Учитывая (10.35), получаем

. (10.37)

Наведенный ток возникает, как только электронный слой появляется в проме­жутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает вто­рого электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени про­лета электронов. Если скорость движения электронов постоянна, то импульс тока прямоугольный; при линейной зависимости скорости от времени он будет тре­угольным.

В реальных условиях в пространстве между электродами существует некоторое произвольное распределение плотности зарядов ρ(х, t), изменяющееся во време­ни. В этом случае наведенный ток, создаваемый электронным слоем с зарядом dq, будет равен

. (10.38)

Учтем, что dq = Sρ(x,t)dx, тогда

, (10.39)

где S — площадь электродов.

Создаваемый всеми электронными слоями наведенный ток может быть найден путем интегрирования по всему промежутку между электродами:

. (10.40)

Подынтегральное выражение есть значение тока проводимости в сечении х в мо­мент времени t. Этот ток обусловлен переносом (конвекцией) электронов. Поэто­му его называют конвекционным током:

. (10.41)

Подставив (10.41) в (10.40), получим

. (10.42)

Наведенный ток в момент времени t равен усредненному по длине промежутка значению конвекционного тока в этот же момент времени. В частном случае, ког­да время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что i_конв(x,t) практически не зависит от координаты, и его можно вынести за знак интеграла. Тогда i_нав(t) = i_конв(x,t), то есть наведенный ток равен конвекционному, что справедливо для области низких частот. На СВЧ наведен­ный ток не равен конвекционному току.

Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, рассмотрим слу­чай, когда на анод диода подается импульс напряжения прямоугольной формы, длительность которого соизмерима со временем пролета (рис. 10.13). В момент времени t₁ электроны начинают двигаться от катода, и возникает наведенный ток. Двигаясь в ускоряющем поле, они с течением времени заполняют разрядный про­межуток. Благодаря этому наведенный ток, определяемый соотношением (10.40), становится больше и скорость его нарастания увеличивается. В момент времени t₂ электроны достигают анода, и все пространство между катодом и анодом оказы­вается заполненным электронами. Наведенный ток становится максимальным. В момент времени t₃ анодное напряжение становится равным нулю, поступление новых электронов от катода прекращается, а электроны, заполняющие разрядный промежуток, продолжают двигаться по инерции к аноду. С течением времени число электронов в разрядном промежутке уменьшается и соответственно умень­шается анодный ток. В момент времени t₄ в разрядном промежутке не остается электронов и наведенный ток становится равным нулю.

Из рассмотренного следует, что импульс наведенного тока оказывается растяну­тым во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от него. Если в момент t₃ подать на анод отрицательное напряжение, то некоторая часть электро­нов по инерции долетит до анода, а другая часть затормозится настолько, что ос­тановится и станет возвращаться на катод. Аналогичные явления происходят при подаче на анод синусоидального напряжения, но при этом интервал между t₁ и t₂ увеличивается, так как электроны перемещаются в изменяющемся электрическом поле, на что требуется больше времени для достижения анода, в результате этого максимум тока наступает несколько позже. После достижения максимума напря­жения ток начнет уменьшаться.

Рис. 10.13

Похожие явления имеют место при перемещении электронов в триоде (рис. 10.14). Пусть на сетку подано напряжение запирания и положительные прямоугольные импульсы. При этом напряжение на сетке остается все время отрицательным, то есть электроны на сетку не попадают. В момент t₁ лампа отпирается, электроны начинают заполнять промежуток между катодом и сеткой, и в цепи сетки появля­ется наведенный ток i₁. Такой же ток, но противоположного направления, возни­кает и в цепи катода.

В момент времени t₂ промежуток катод—сетка полностью заполнен электронами, рост тока i₁ прекращается. Электроны на сетку не попадают, пролетают через про­светы сетки и оказываются в промежутке между сеткой и анодом. Удаляющийся от сетки поток электронов создает в цепи сетки наведенный ток i₂, противопо­ложный по направлению току i₁. Одновременно индуцируется ток в цепи анода. В момент t₃ электроны достигают анода. В интервале между t₃ и t₄ токи i₁ и i₂ по­стоянны и противоположно направлены, поэтому ток сетки равен нулю. В момент t₄ лампа запирается, и электроны перестают уходить от катода, но электроны, за­полнившие междуэлектродные промежутки, продолжают по инерции движение. В момент t₅ промежуток между катодом и сеткой очищается от электронов и ток i₁ становится равным нулю. В интервале между t₅ и t₆ очищается от электронов промежуток между сеткой и анодом, и в момент t₆ ток i₂ становится равным нулю.

Таким образом, в цепи сетки возникают два импульса наведенного тока, противопо­ложные по направлению. Результирующий ток сетки определяется суммированием этих импульсов. При этом следует иметь в виду, что электроны на сетку не попа­дают. При подаче на сетку синусоидального напряжения происходят аналогич­ные процессы с той лишь разницей, что нарастание и спад наведенных токов про­исходят более медленно, а импульсы токов i₁ и i₂ оказываются более длительными.

Рис. 10.14

При работе на СВЧ за время пролета изменяется фазовый угол переменного на­пряжения. Изменение фазового угла за время пролета называется углом пролета:

, (10.43)

где ω — угловая частота переменного напряжения.

Чем выше частота ω, тем больше фазовый угол α_пр, тем меньше амплитуда наве­денного анодного тока и тем больше амплитуда наведенного сеточного тока. Сле­довательно, с ростом частоты уменьшается коэффициент усиления мощности.

Лекция 9

Пролетные клистроны

На СВЧ эффективность электронных ламп снижается вследствие конечного вре­мени пролета разрядного промежутка. В клистронах значительное время пролета не только не вредно, но и необходимо для нормальной работы прибора. Схема устройства и включения пролетного клистрона приведена на рис. 10.15, а.

Пролетный клистрон состоит из катода, объемного входного резонатора Р₁, в ко­торый с помощью петли связи вводится входной сигнал Р_вх, и расположенного на расстоянии d от него выходного резонатора Р₂. Оба резонатора соединены с кол­лектором и заземлены. На катод подается отрицательное напряжение. Под дей­ствием электрического поля между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, ускоряются и влетают во входной резонатор с большой скоростью υ₀. Между сетками резонатора Р₁ существует переменное электрическое поле, изменяющее скорость электронов. В положительный полупериод переменного напряжения электроны ускоряются, в отрицательный полупериод замедляются. Модулиро­ванные по скорости электроны влетают в пространство дрейфа между резонато­рами Р₁ и Р₂, в котором отсутствует электрическое поле. В этом пространстве элек­троны летят по инерции с постоянной скоростью. Электроны, движущиеся с более высокой скоростью, догоняют электроны, скорость которых меньше. В результа­те образуются электронные сгустки, что отражено на рис. 10.15, б.

Рис. 10.15

Электронные сгустки поступают в резонатор Р₂, настроенный на частоту их сле­дования, создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, которая больше амплитуды колебаний во входном резонаторе Р₁, то есть в клистроне происходит усиление мощности электрических колебаний. Про­летевшие через резонатор электроны попадают на коллектор и разогревают его. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Однако его КПД, представляющий собой отношение колебательной мощности в резона­торе Р₂ к мощности постоянного тока источника питания, не превышает 20 %, хотя предельное теоретическое значение составляет 58 %. Это объясняется следующи­ми причинами. Во-первых, электроны вылетают из катода с различной началь­ной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость, вследствие чего они группируются недостаточно плотно. Во-вторых, между электронами действуют силы взаимного отталкивания, из-за чего при пролете через пространство дрейфа плотность электронного сгуст­ка дополнительно уменьшается. Кроме того, некоторая часть электронов вообще не группируется в сгустки, то есть не участвует в полезной работе, а некоторые из электронов оседают на сетках резонаторов.

В настоящее время двухрезонаторные клистроны имеют ограниченное примене­ние. Введение дополнительных промежуточных резонаторов между входным и выходным резонаторами позволило повысить коэффициент усиления мощности и КПД. Современные мощные клистроны содержат от 3 до 7 резонаторов. Прин­цип устройства четырехрезонаторного клистрона показан на рис. 10.16.

Рис. 10.16

В первом резонаторе происходит модуляция электронов по скорости. Электрон­ный поток, влетающий во второй резонатор, возбуждает в нем высокочастотное напряжение, под действием которого скорость электронов на выходе из зазора первого промежуточного резонатора будет иметь более высокую переменную со­ставляющую, чем на входе в зазор, и группирование в пространстве дрейфа меж­ду вторым и третьим резонаторами будет проходить более интенсивно. Такова же роль последующих резонаторов. В результате в выходной резонатор влетают сгу­стки электронов с более высокой плотностью, благодаря чему повышается КПД, который для многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50 %, а коэф­фициент усиления мощности — 90 дБ при мощности, доходящей до 100 кВт в ре­жиме непрерывных колебаний и до 50 МВт в импульсном режиме. Достижение таких показателей обеспечивается не только введением промежуточных резона­торов, но и рядом усовершенствований, внесенных в конструкцию клистрона.

Зазоры резонаторов мощных клистронов не имеют сеток. Это в некоторой степе­ни ухудшает взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в зазорах, но зато практически исключается оседание электронов и нагрев сеток. Чтобы повысить взаимодействие потока электронов с полем в зазоре, увеличива­ют ускоряющее постоянное напряжение и постоянный ток луча.

В многорезонаторных клистронах промежуточные резонаторы расстроены отно­сительно частоты сигнала, благодаря чему формирование сгустка электронов про­исходит так, что в нем участвуют «бесполезные» ранее электроны, дающие рост КПД. Одновременно расстройка промежуточных резонаторов позволяет расши­рить полосу пропускания.

В мощных клистронах электронные потоки необходимо фокусировать, чтобы диаметр потока не увеличивался вследствие расталкивания электронов. С этой целью обычно используется магнитная фокусировка при помощи отдельных катушек индуктивности, помещаемых в промежутках между резонаторами. Поле, создаваемое этими катушками, препятствует движению электронов перпенди­кулярно оси клистрона, закручивая их, и электроны движутся по направлению к аноду по спиральным траекториям.

10.9. Отражательные клистроны

Отражательные клистроны применяют для генерирования СВЧ-колебаний. Они содержат только один объемный резонатор (рис. 10.17, а). Ускоренные на участ­ке между катодом и первой сеткой С₁ электроны влетают в резонатор и возбужда­ют в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создаю­щие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости, и электроны влетают в тормозящее поле между второй сеткой С₂ и отражателем О с различной скоростью. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются к резонатору. Чем боль­ше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резо­натор в положительные полупериоды переменного электрического поля, могут вернуться обратно одновременно с электронами, пролетевшими через резона­тор позднее, во время отрицательного полупериода, что наглядно показано на рис. 10.17, б. Электроны, пролетевшие через резонатор в интервале времени от t₁ до t₃, возвращаются назад в момент t₉.

Рис. 10.17

Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты време­ни в зависимости от напряжений E₁ и Е₂. При возвращении в резонатор электрон­ные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле. Наибольшую энергию они отдают в том случае, если возвращаются в мо­мент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Возвра­щение энергии в резонатор поддерживает существующие в нем колебания. Чем больше величина возвращаемой энергии, тем больше мощность колебаний в ре­зонаторе. Если же отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания не будут поддерживаться и затухнут.

Время пролета электронов в пространстве дрейфа отсчитывается от момента t₂, в который в пространство дрейфа влетает электрон с группирующимися вокруг него остальными электронами, до момента времени возвращение сгустка элект­ронов в резонатор. На рис. 10.17, б это время равно (1+3/4)T. Изменяя отрица­тельное напряжение на отражателе, можно изменять время пролета, но при этом возвращение электронов должно происходить в тормозящие полупериоды коле­баний в резонаторе. Соответственно, существует несколько зон генерации. Если отрицательное напряжение на отражателе очень большое, то электроны, прохо­дящие через резонатор в интервале t1-t3, вернутся назад в интервале t4-t6 (нуле­вая зона генерации), причем наибольшую энергию они вернут в резонатор при возвращении в момент t5. При снижении отрицательного напряжения на отража­теле электроны возвращаются назад позже. Если возвращение происходит в ин­тервале t6-t8, то колебания вообще не возникают. При возвращении в интервале t8-t10 колебания вновь возникают (первая зона генерации), мощность этих коле­баний достигает максимума при возвращении в момент t9. Чем меньше по абсо­лютной величине отрицательное напряжение на отражателе, тем больше время пролета электронов и, соответственно, выше номер зоны генерации. Наибольшая мощность колебаний получается в нулевой зоне.

Меняя напряжение на отражателе, можно изменять частоту генерируемых ко­лебаний. При увеличении по абсолютному значению отрицательного напря­жения на отражателе электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее, и частота колебаний возрастает. При уменьшении этого напряжения по абсолютной величине электронные сгустки возвращаются в резонатор с за­паздыванием, и частота колебаний уменьшается. При изменении частоты ко­лебаний уменьшается мощность генерируемых колебаний (рис. 10.18). Поэтому такую расстройку принято ограничивать условием снижения мощности не более чем на 50 %.

Рис. 10.18

У отражательных клистронов КПД не превышает 5 %, вследствие чего они не ис­пользуются для получения больших мощностей, а применяются в качестве гете­родинов СВЧ-приемников, в измерительной аппаратуре, радиорелейной, радио­навигационной и телевизионной аппаратуре. Полезная мощность не превышает сотых и десятых долей ватта. В последние годы отражательные клистроны вытес­няются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Лекция 10

Лампы бегущей волны

Основным недостатком клистронов является сравнительно узкая полоса про­пускания для усилителей и малый диапазон перестройки частоты для генера­торов, что обусловлено необходимостью применять высокодобротные резонато­ры для эффективного торможения электронных сгустков при кратковременном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем в пространстве между сет­ками резонатора. В лампах бегущей волны (ЛБВ) взаимодействие электронно­го потока с СВЧ-полем происходит на большом участке пути, то есть носит длительный характер, благодаря чему повышается эффективность усиления колебаний. При длительном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем отпадает необходимость в высокодобротных резонаторах, поэтому полоса уси­ливаемых частот получается широкой. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2-4.

Для обеспечения длительного взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем необходимо, чтобы скорость электронного потока была соизмерима со скоростью распространения электромагнитной волны. Поскольку увеличить скорость пото­ка электронов до величины скорости света не представляется возможным, прибе­гают к замедляющим системам, снижающим скорость распространения электро­магнитной волны.

Устройство ЛБВ со спиральной замедляющей системой показано на рис. 10.19.

Рис. 10.19

Электронная пушка 1 формирует тонкий пучок электронов, который влетает в замедляющую систему, выполненную в виде проволочной спирали. Эта спираль является внутренним проводом коаксиальной линии. Наружным проводом яв­ляется трубка 3. С помощью фокусирующей катушки 4 обеспечивается необхо­димое поперечное сечение электронного луча на всем пути вдоль замедляющей системы. Пройдя вдоль замедляющей системы, электроны попадают на коллек­тор 5. Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода 6, в котором находится приемный штырь спирали 7. На другом конце спирали име­ется штырь 8, возбуждающий колебания в выходном волноводе 9. Плунжеры 10 служат для согласования волноводов со спиралью, то есть получения в спирали бегущей волны. Спираль содержит десятки или сотни витков и обеспечивает по­лучение фазовой скорости электромагнитной волны υ_ф порядка 30000км/с, что составляет 0,1 от скорости света. В сантиметровом диапазоне волн длина спира­ли составляет 10-30 см, а ее диаметр — несколько миллиметров. На рис. 10.20, а показана картина электрического поля внутри спирали в некоторый конкретный момент времени, а на рис. 10.20, б — распределение потенциала вдоль спирали. Сама спираль показана в разрезе, а знаками «+» и «-» показан знак потенциала. Силовые линии, начинаясь на витках с более высоким потенциалом, заканчива­ются на витках с более низким потенциалом.

Рис. 10.20

Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Так как электромагнитная волна бежит вдоль спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль оси с фазовой скоростью υ_ф. Электроны влетают в за­медляющую систему со скоростью υ₀, которая больше скорости υ_ф. В результа­те взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле явля­ется тормозящим, то они тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки. По­степенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Нарастание амплитуды СВЧ-поля вдоль оси замедляющей системы происходит по экспоненциальному закону. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле является ускоряющим, то они уве­личивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в участок тормо­зящего поля. В результате этих процессов в выходном волноводе возбуждаются колебания, мощность которых многократно превышает мощность, поступающую от входного волновода. При этом энергия, потребляемая от источника питания, затрачивается на ускорение электронов электронной пушкой, а затем при тормо­жении электронов в замедляющей системе зта энергия отдается бегущей волне электромагнитного поля.

КПД ЛБВ без принятия специальных мер не превышает 20 %. Существует не­сколько способов повышения КПД. Наиболее простым является применение спи­рали с переменным шагом, что обеспечивает постепенное снижение фазовой ско­рости бегущей электромагнитной волны, это позволяет выдержать условие υ > υ_ф на большей длине спирали. Дело в том, что по мере продвижения вдоль оси системы скорость электронов υ снижается, скорости электронов и волны вырав­ниваются, электроны начинают переходить из тормозящего полупериода бегущей волны в ускоряющий и отбор энергии от электронов прекращается. Если же фазовая скорость волны вдоль системы снижается, то возрастает длительность взаимодействия сгустков электронов с электрическим полем, что и обусловлива­ет повышение КПД.

Второй способ повышения КПД основан на отборе энергии от сгустка непо­средственно перед его попаданием на коллектор. С этой целью напряжение на кол­лекторе снижают по сравнению с ускоряющим напряжением. Благодаря этому между замедляющей системой и коллектором создается электростатическое тор­мозящее поле, попадая в которое, электроны замедляются, отдавая часть своей энергии источнику коллекторного напряжения, и лишь оставшаяся часть энер­гии выделяется в виде теплоты при ударе о коллектор. Применение этих мер позволяет повысить КПД ЛБВ до 50 %.

ЛБВ нашли широкое применение в радиолокационных системах, системах кос­мической и тропосферной связи, работающих на частотах, измеряемых десятка­ми гигагерц с полезной мощностью до сотен киловатт. Многие ЛБВ способны отдавать в импульсе мощность более 10 МВт.

Принцип работы ЛБВ послужил основой для разработки ламп обратной волны (ЛОВ), особенностью которых является то, что направление движения электро­нов противоположно движению волны в замедляющей системе. Ввод сигнала в ЛОВ осуществляется у коллекторного конца замедляющей системы, а вывод — около катода. Усиление в такой лампе получается лишь в узкой полосе частоты, причем положение этой полосы в диапазоне частот зависит от ускоряющего по­стоянного напряжения. Значительно чаще ЛОВ применяют для генерирования колебаний СВЧ. Такие генераторы применяют в качестве гетеродинов радиоло­кационных и связных радиоприемников, в задающих генераторах передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ-системах переда­чи данных. В настоящее время ЛОВ в диапазоне частот до 10-12 ГГц заменяются полупроводниковыми генераторами СВЧ, а разработка новых ЛОВ ведется толь­ко для субмиллиметрового диапазона.

Лекция 11

Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами (ЭЛП) называют электровакуумные приборы, в которых используется поток электронов, сфокусированный в узкий электрон­ный луч. По назначению ЭЛП делят на четыре основные группы:

• приборы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение (осциллографические трубки, кинескопы, трубки дисплеев, выводящие ин­формацию из ЭВМ, трубки индикаторных устройств);

• приборы, преобразующие оптические изображения в электрический сигнал (передающие телевизионные трубки);

• приборы для записи, считывания и хранения электрических сигналов (запо­минающие трубки);

• приборы, преобразующие невидимые изображения в видимые (электронные микроскопы).

Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направле­нии луча, называются электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Трубка представ­ляет собой стеклянный баллон специальной формы, в котором создан высокий вакуум и расположены электроды, формирующие электронный луч и управляю­щие этим лучом. Формирование и управление лучом осуществляется посредством электрических или магнитных полей. В трубках с электростатическим фокуси­рованием и отклонением луча (рис. 10.21, а) внутри баллона расположены элект­ронная пушка 1 и отклоняющие пластины 2, направляющие луч в нужную точку экрана 3. Экран бомбардируется потоком электронов, что вызывает его свечение. Выбиваемые из экрана вторичные электроны перемещаются на графитовое по­крытие 4, называемое аквадагом. Это покрытие соединено с электронной пушкой. В трубках с магнитной фокусировкой и отклонением луча (рис. 10.21, б) внутри баллона также имеется электронная пушка. Фокусировка луча осуществляется фокусирующей катушкой, а отклонение луча — двумя отклоняющими катушка­ми, расположенными на горловине трубки.

Рис. 10.21

Электростатическая фокусировка луча

Электростатическая фокусировка луча осуществляется электронной пушкой, состоящей из ряда никелевых цилиндров, расположенных соосно (рис. 10.22).

Катод К представляет собой цилиндр, на торцевую поверхность которого нанесен оксидный слой, являющийся источником электронов при нагреве цилиндра за счет протекания тока по вольфрамовой нити подогревателя П. Модулятор М пред­ставляет собой цилиндр, дно которого имеет отверстие, через которое проходят электроны. Модулятор выполняет функции, аналогичные функции управляющей сетки в электронной лампе. На него подается отрицательное напряжение относи­тельно катода, изменяя которое, можно изменять высоту потенциального барьера вблизи поверхности катода и тем самым управлять силой тока луча. Первый анод A₁ и второй анод А₂ представляют собой цилиндры с перегородками, имеющими отверстия. На первый анод относительно катода подается положительное напря­жение U_а1, на второй анод — напряжение U_а2 > U_a1. Структура, содержащая катод, модулятор и два анода, аналогична структуре тетрода. Поэтому такую пушку на­зывают тетрадной. В этой структуре из-за различия потенциалов электродов воз­никают неоднородные электрические поля между модулятором и первым анодом, а также между первым и вторым анодами. На рис. 10.22 пунктиром показаны эк­випотенциальные линии этих полей. Неоднородные электрические поля называ­ют электронными линзами. Таким образом, электронная пушка представляет со­бой электронно-оптическую систему, состоящую из электростатических линз Л₁ и Л₂, преломляющих траектории движения электронов подобно тому, как опти­ческие линзы преломляют световой поток.

Электроны, покинувшие катод с разных точек его поверхности, влетают в поле первой линзы под разными углами. На участке левее сечения а на электроны дей­ствуют силы, прижимающие их к оси пушки. Чем дальше расположена точка, из которой вышел электрон, от центра катода, тем больше сила, прижимающая этот электрон к оси пушки. На участке правее сечения а на электроны действуют силы, отталкивающие их от оси пушки. Может показаться, что эти воздействия компен­сируют друг друга, но это не так. Преломляющее воздействие собирающей части линзы преобладает над воздействием рассеивающей части линзы, так как электро­ны пролетают через линзу с возрастающей скоростью, поэтому в фокусирующей части линзы они находятся большее время, чем в расфокусирующей. В результа­те электроны покидают поле первый линзы со скоростями, направленными к оси пушки, и пересекают ее в точке F₁.

Пройдя точку F₁, электроны влетают в поле второй линзы в виде расходящегося пучка. На участке левее сечения b на них действуют силы, прижимающие элект­роны к оси пушки, а на участке правее сечения b — отталкивающие. При этом из-за того, что электроны движутся с возрастающей скоростью, фокусирующее действие линзы Л₂ преобладает над расфокусирующим, и пучок электронов фокусируется в точке F₂, которая располагается на экране трубки. Изменением напряжения на первом аноде, которое составляет сотни вольт, можно изменять положение точек F₁ и F₂. Поэтому первый анод называется фокусирующим. На вто­рой анод относительно катода подается постоянный высокий потенциал поряд­ка нескольких киловольт, благодаря чему на участке от катода до второго анода существует ускоряющее поле, направленное вдоль оси трубки. Поэтому второй анод называют ускоряющим.

На электроды пушки подаются напряжения от одного источника Е_и.п. Величи­на этих напряжений устанавливается с помощью делителя напряжения. Такой способ обладает существенным недостатком. Если менять U_al, то изменяется вы­сота потенциального барьера около катода, а следовательно, ток луча. Если менять U_м, то изменяется положение точки F₁, а следовательно, положение точки F₂. Чтобы избавиться от этого недостатка, в ЭЛП вводят ускоряющий электрод УЭ, располагая его между модулятором и первым анодом и соединяя со вторым ано­дом (рис. 10.23).

Рис. 10.23

УЭ экранирует катод от первого анода, ослабляя его действие на потенциальный барьер у катода. Такая пушка называется пентодной.

Электростатическое отклонение луча

Электростатическое отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняю­щих пластин. Одна пара отклоняет луч по горизонтали, вторая — по вертика­ли. Каждая пара состоит из двух параллельных пластин, находящихся под по­тенциалом второго анода и расположенных симметрично относительно оси трубки.

На рис. 10.24 показаны пластины, отклоняющие луч по вертикали. Если к плас­тинам подвести отклоняющее напряжение U_y так, чтобы потенциал одной плас­тины был выше потенциала второй пластины на величину ∆U, а другой ниже на величину ∆U, то между пластинами возникнет однородное электрическое поле, перпендикулярное оси трубки. В этом случае на электрон, движущийся вдоль оси трубки со скоростью

.

действует сила .

Рис. 10.24

Одновременно электрон продолжает двигаться с постоянной скоростью вдоль оси z. В результате траекторией движения электрона оказывается парабола. Покинув поле пластин, электрон движется к экрану прямолинейно под углом α к оси z и попадает на экран, отклонившись от оси z на расстояние h_э. В поле пластин электрон находит­ся в течение времени t = l₁/υ_z. За это время он приобретает в вертикальном направ­лении скорость , отклоняется от оси z на расстояние и покидает поле пластин под углом . Величина отклонения на экране равна . Способность отклоняющих пластин отклонять луч оценивают параметром, который называ­ется чувствительностью к отклонению. Ее величина равна . Аналогич­но оценивается чувствительность к отклонению по горизонтали, которая равна . В среднем величина чувствительности составляет 0,1-0,5 мм/В.

Магнитная фокусировка луча

Магнитная фокусировка луча осуществляется магнитным полем, которое созда­ется короткой магнитной катушкой, надеваемой на горловину трубки. В это поле влетает расходящийся пучок электронов, создаваемый электронной пушкой, со­стоящей из катода, модулятора и анода (рис. 10.25, а).

В каждой точке пространства вектор магнитной индукции В и скорость элект­рона υ можно разложить на две составляющих: осевые В_z, υ_z и радиальные В_r, υ_r. Предположим, что электрон находится в точке А, тогда соотношение составляю­щих векторов примет вид, показанный на рис. 10.25, б. В результате взаимодей­ствия составляющей скорости υ_z с составляющей магнитного поля В_r на электрон действует сила Лоренца F₁ = -q[υ_z·B_r], направленная перпендикулярно плоско­сти рисунка (рис. 10.25, в). Под действием этой силы появится азимутальная составляющая скорости υ₁. Эта составляющая взаимодействует с составляющей магнитной индукции В_z, в результате чего возникает сила Лоренца F₂ = -q[υ₁·B_z], направленная к оси трубки (рис. 10.25, г), и электрон приобретает радиальную со­ставляющую скорости υ_r. При совместном действии азимутальной и радиальной составляющих силы Лоренца электрон движется по спирали с непрерывно умень­шающимся радиусом витка. Существенно то, что чем сильнее отклонился элект­рон от оси трубки, тем больше сила F₂, прижимающая его к оси. Благодаря этому электроны, влетевшие в неоднородное магнитное поле под разными углами, описав сложные траектории, пересекают ось z на одном и том же расстоянии от катушки. Изменяя величину тока, протекающего через фокусирующую катушку, можно добиться того, чтобы траектории всех электронов пересекались в плоско­сти экрана.

Рис. 10.25

Магнитное отклонение луча

Магнитное отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняющих кату­шек, расположенных на горловине трубки и создающих однородные магнит­ные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 10.26 показано магнитное поле катушки, отклоняющей электрон в вертикальном направлении. В этом случае силовые линии поля с индукцией В_х перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к наблюдателю.

Рис. 10.26

В магнитное поле влетают электроны со скоростью υ_z, определяемой потенци­алом второго (ускоряющего) анода. Под действием силы Лоренца F_y = -q[υ_z·B_x] электрон движется по дуге окружности с радиусом R = mυ_z/qB_x. Покинув поле отклоняющих катушек, электрон движется к экрану по касательной к окружнос­ти и отклоняется от центра экрана на расстоянии h_y = l tgα. При небольших углах отклонения tgα≈l₁/R. Тогда

.

Учитывая, что индукция В_х пропорциональна числу ампер-витков IW отклоняю­щей катушки, получаем

.

Чувствительность к магнитному отклонению равна отношению величины откло­нения h_y к току I, протекающему через отклоняющие катушки:

.

Чувствительность показывает, на сколько миллиметров отклоняется луч на экра­не при токе I = 1 А, и измеряется в миллиметрах на ампер.

Преимущество магнитного отклонения по сравнению с электростатическим за­ключается в меньшей зависимости чувствительности от ускоряющего напряжения и возможности получения больших углов отклонения, что позволяет уменьшить длину трубки. Существенным недостатком магнитного отклонения является боль­шая потребляемая мощность для получения требуемых токов отклонения и боль­шая инерционность из-за значительных собственной емкости и индуктивности. Магнитные отклоняющие системы могут работать на частотах до нескольких десятков килогерц, а электростатические системы отклонения способны работать на частотах до нескольких сотен мегагерц.

Лекция 12

Экраны ЭЛП

В большинстве ЭЛП экран представляет собой тонкий непроводящий слой люми­нофора, нанесенного на дно стеклянной колбы. Экран бомбардируется потоком электронов, которые передают часть своей энергии атомам люминофора, вследствие чего валентные электроны переходят на более высокие энергетические уровни в зоне проводимости. При последующем возвращении этих электронов на более низкие энергетические уровни выделяются кванты света, определяющие цвет свече­ния экрана. Часть электронов, оказавшихся на верхних энергетических уровнях, способна покинуть люминофор. Это явление называется вторичной электронной эмиссией. Выбитые из экрана вторичные электроны переходят на аквадаг, имеющий потенциал второго анода. При этом между экраном и вторым анодом устанавли­вается равновесная разность потенциалов, при которой число приходящих на эк­ран электронов равно числу электронов, покидающих его поверхность.

Яркость свечения экрана зависит от скорости, с которой электроны бомбардиру­ют экран, а эта скорость зависит от потенциала экрана U_э, величина которого, в свою очередь, определяется количеством электронов, переходящих с экрана на аквадаг. На рис. 10.27, а показана зависимость коэффициента вторичной элект­ронной эмиссии σ, равного отношению числа выбитых вторичных электронов к числу первичных электронов, бомбардирующих экран, от потенциала экрана U_э. При увеличении U_э растет скорость электронов, бомбардирующих экран, и коли­чество выбитых вторичных электронов, то есть σ, растет. При некоторой величи­не U_э коэффициент вторичной электронной эмиссии достигает максимума, затем начинает уменьшаться. Объясняется это тем, что при больших значениях потен­циала U_э первичные электроны более глубоко проникают в люминофор, вслед­ствие чего затрудняется выход из него вторичных электронов. На графике зави­симости σ от U_э имеются две точки, в которых σ = 1. Эти точки соответствуют первому (U_кр1) и второму (U_кр2) критическим потенциалам. На рис. 10.27, б пока­зана зависимость потенциала экрана от потенциала второго анода.

Если U_а2 < U_кр1, то σ < 1. При бомбардировке экрана электронами на нем будет накапливаться отрицательный заряд, и его потенциал снизится до нуля. В этом случае исчезнет ускоряющее поле между катодом и экраном и экран перестанет светиться. При U_а2 = U_кp1 коэффициент σ = 1, потенциал экрана становится рав­ным U_кр1 и возникает свечение экрана.

Если U_а2 > U_кр1, то σ > 1. При этом происходит накопление положительного заряда на экране, которое вызывает повышение потенциала экрана. Этот процесс про­должается до тех пор, пока потенциал экрана не станет чуть больше потенциала второго анода. В этом случае число электронов, уходящих с экрана, будет равно числу первичных электронов.

Если U_а2 > U_кр1, то σ < 1. При этом на экране накапливается отрицательный заряд и его потенциал снижается до величины U_кр2. Отсюда следует, что не имеет смысла устанавливать U_а2 > U_кр2, так как скорость электронов, бомбардирующих экран, определяется величиной U_э, а не U_кр2. Поэтому увеличение U_a2 сверх значения U_кр2 не приведет к повышению яркости свечения экрана.

Рис. 10.27

Для того чтобы повысить яркость свечения экрана, поверхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой пленкой толщиной около 1 мкм и соеди­няют ее с графитовым покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность кол­бы. В этом случае потенциал экрана принудительно поддерживается равным по­тенциалу второго анода, и накопления заряда на экране не происходит.

Основными параметрами экрана являются яркость свечения, светоотдача, дли­тельность послесвечения и разрешающая способность.

Яркость свечения определяется силой света, излучаемого в направлении, перпен­дикулярном светящейся поверхности площадью в один квадратный метр. Изме­ряется она в канделах на квадратный метр [Кд/м₂] и зависит от плотности тока электронного луча j, которая может изменяться путем изменения напряжения на модуляторе электронной пушки. Кроме того, она зависит от потенциала экра­на U_э. Яркость свечения определяется соотношением

.

Здесь А, m — коэффициенты, определяемые типом люминофора;

U₀ — минимальный потенциал экрана, при котором возникает свечение люми­нофора.

Яркость современных кинескопов составляет 120-150 Кд/м².

Светоотдача определяет силу света в канделах, излучаемую люминофором пер­пендикулярно поверхности экрана, при мощности луча Р_эл, равной 1 Вт. Она зависит от типа люминофора, его толщины, ускоряющего напряжения, плот­ности тока и других факторов. Светоотдача характеризует КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию види­мого излучения, часть ее расходуется на нагрев экрана, вторичную электронную эмиссию электронов, излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазо­нах спектра. Величина светоотдачи лежит в пределах от 0,1 до 15 Кд/Вт.

Длительность послесвечения — интервал времени, в течение которого наблюдается свечение экрана после прекращения возбуждения экрана. Все экраны подразде­ляются на экраны с очень коротким (менее 10^-5 с), коротким (10^-5 – 10^-2 с), сред­ним (10^-2 – 10^-1 с), длительным (10^-1 — 16 с) и очень длительным (более 16 с) пос­лесвечением. В осциллографических трубках применяют экраны с коротким и очень коротким послесвечением, в кинескопах применяют экраны со средним пос­лесвечением, в радиолокационных индикаторах применяют экраны с длительным послесвечением. Длительность послесвечения определяется типом люминофора.

Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящих­ся точек, приходящихся на 1см² поверхности экрана, или линий, приходящихся на 1 см высоты экрана. Она определяется диаметром луча. Разрешающая способ­ность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение.

Основные типы электронно-лучевых трубок

Электронно-лучевые приборы широко применяют для визуального наблюдения электрических сигналов, передачи и приема телевизионных изображений, запи­си и хранения электрических сигналов и во многих других областях. Осциллографические трубки предназначены для наблюдения электрических сиг­налов. Для этой цели используются трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча. В таких трубках на горизонтально от­клоняющие пластины подается пилообразное напряжение развертки, частота ко­торого в n раз меньше частоты исследуемого сигнала (n = 1,2,3 и т. д.), а на верти­кально отклоняющие пластины — исследуемый сигнал. В результате на экране трубки получается осциллограмма исследуемого сигнала. Для исследования быстро протекающих процессов применяют трубки с послеускорением. В таких трубках имеются дополнительные аноды, выполненные в виде графитовых колец, нанесенных на внутреннюю поверхность колбы и расположенных между откло­няющими пластинами и экраном. Потенциал этих анодов возрастает в направле­нии от катода к экрану, благодаря чему удается существенно повысить яркость без снижения чувствительности. Для наблюдения двух сигналов используются трубки с двумя лучами. Для наблюдения СВЧ-сигналов применяют трубки, име­ющие отклоняющую систему типа бегущей волны, в которой ряд коротких плас­тин укреплен на витках спирали. Изменение потенциала пластин и движение электронного луча синхронизированы.

Кинескопы предназначены для получения на экране телевизионного изображе­ния. В современных кинескопах используется, как правило, электростатическая фокусировка и магнитная отклоняющая система. Электронная пушка в кинес­копах формирует луч, имеющий диаметр в плоскости экрана не более 0,5 мм. В настоящее время кинескопы имеют экраны с диагональю до 71 см и угол откло­нения луча 110°. Для получения телевизионного изображения используется рас­тровая развертка, получаемая путем пропускания через отклоняющие катушки токов пилообразной формы. Катушки, отклоняющие луч по вертикали, обес­печивают кадровую развертку, а катушки, отклоняющие луч по горизонтали, — строчную. В результате за период кадровой развертки на экране образуется растр из горизонтальных строк. Телевизионный сигнал подается на модулятор трубки. При этом изменяется плотность тока луча и, соответственно, яркость свечения тех точек экрана, на которые попадает электронный луч.

Для получения цветных изображений применяют кинескопы, экран которых со­держит большое количество миниатюрных крупинок люминофоров, расположен­ных в строго определенном порядке и дающих синее, красное и зеленое свечение. Люминофоры возбуждаются тремя электронными лучами, создаваемыми тремя электронными пушками, которые расположены так, что их электронные лучи по­падают один на красный, другой на синий, третий на зеленый люминофор. В за­висимости от соотношения между токами лучей, определяемыми напряжениями на модуляторах пушек, получается свечение определенного цвета.

Радиолокационные трубки позволяют получить на экране изображение импульса радиосигнала, отраженного от какого-либо объекта, в соответствии с положени­ем объекта в пространстве, то есть положение импульса на экране должно быть адекватно положению объекта в пространстве. Для этого применяется радиаль-но-азимутальная развертка, позволяющая получить сигнал на экране в полярных координатах. С этой целью используют магнитную отклоняющую систему, состо­ящую из двух катушек, через которые пропускается линейный пилообразный ток, создающий линейно меняющееся во времени магнитное поле, которое отклоняет луч по радиусу от центра экрана к периферии. Отклоняющая система, надетая на горловину трубки, медленно вращается синхронно с вращением антенны радио­локационной станции, и на экране прочерчиваются радиальные линии, медленно смещаемые по азимуту. На модулятор трубки подается запирающее напряжение, вследствие чего радиальное смещение луча на экране трубки становится незамет­ным. В момент приема антенной отраженного радиоимпульса на модулятор по­ступает импульс, отпирающий трубку, и на экране появляется светящееся пятно, удаление которого от центра экрана пропорционально расстоянию до объек­та, а угол поворота радиус-вектора, соединяющего центр экрана с пятном, соот­ветствует азимуту объекта.

Запоминающие трубки предназначены для записи, хранения и считывания элект­рических сигналов. Принцип действия этих приборов основан на зависимости потенциала диэлектрика от энергии бомбардирующих его электронов, что позво­ляет получать на поверхности диэлектрика потенциальный рельеф. Существует много методов получения потенциального рельефа. Рассмотрим один из наибо­лее распространенных методов, реализуемый в запоминающей трубке с барьер­ной сеткой (рис. 10.28).

В такой трубке имеется обычная электронная пушка и отклоняющие пластины. Вместо обычного экрана в ней имеется мишень, состоящая из диэлектрической пластины 1, покрытой с одной стороны металлическим слоем 2 (сигнальная пла­стина). Вблизи поверхности диэлектрической пластины, обращенной в сторону электронной пушки, на расстоянии 0,1 мм расположена тонкая металлическая сетка 3, называемая барьерной. Рядом с мишенью имеется кольцевой электрод 4 — это коллектор, имеющий высокий потенциал.

Рис. 10.28

При облучении мишени потоком электронов и потенциале сигнальной пластины U_c = 0 с поверхности мишени возникает вторичная электронная эмиссия, и по­тенциал мишени приобретает равновесное значение, близкое к потенциалу кол­лектора. Если подать на сигнальную пластину положительное напряжение, то потенциал барьерной сетки относительно мишени становится отрицательным, что будет препятствовать уходу вторичных электронов, выбитых из диэлектрика, на коллектор. Поэтому потенциал диэлектрика понизится на величину U_c. Если напряжение U_c изменяется во времени и электронный луч перемещается по поверхности мишени, то в соответствии с изменениями мгновенных значений сиг­нала будет изменяться потенциал точек, на которые в данный момент падает элек­тронный луч. В результате на поверхности мишени образуется потенциальный рельеф, соответствующий мгновенным значениям сигнала. Одновременно с запи­сью происходит повторение сигнала на выходе за счет того, что в цепи коллекто­ра возникает ток, создаваемый вторичными электронами. Этот ток создает паде­ние напряжения на резисторе R_н. Потенциальный рельеф на поверхности мишени может храниться очень долго. Считывание сигнала осуществляется при повтор­ной развертке и отсутствии сигнала на входе.

В радиолокации и телевидении используются трубки с двумя лучами — графеконы. Один луч служит для записи сигнала, он модулируется сигналом, подаваемым на модулятор, второй луч служит для считывания сигнала. Такой способ позво­ляет считывать записанный сигнал многократно (до нескольких сотен раз).

Трубки со знаковой индикацией на пути потока электронов содержат матрицу, пред­ставляющую собой металлическую пластину с отверстиями в форме тех или иных знаков. Размер отверстий несколько меньше диаметра луча и не превышает деся­тых долей миллиметра. Электронный луч посредством двух пар выбирающих пластин направляется в соответствующее отверстие матрицы и приобретает в сечении форму соответствующего знака. Далее пучок проходит через фокусирующую катушку и компенсирующие пластины, которые направляют его по оси трубки. После этого адресная магнитная система направляет луч в любую точку экрана или мишени.

Лекция 13

Газоразрядные приборы

Газоразрядными называют электровакуумные приборы с электрическим разря­дом в газе или парах. Конструктивно газоразрядные приборы представляют сис­тему электродов, помещенных в баллон, заполненный инертным газом (аргон, неон, криптон), водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне составля­ет от 10^-1 до 10³ Па.

Электрический разряд в газе

Рассмотрим гипотетическую модель, состоящую из двух параллельных пластин, расположенных в баллоне, наполненном инертным газом. К этим пластинам через резистор R_a с большим сопротивлением подводится напряжение от источника питания E_и.п (рис. 10.29, а). Одну из пластин, к которой подключен отрицатель­ный полюс источника питания, условно назовем катодом, другую — анодом. По­вышая напряжение источника питания E_и.п, будем наблюдать, как изменяется ток i_а и напряжение между электродами u_а.

Рис. 10.29

Если E_и.п = 0, то в разрядном промежутке между катодом и анодом существует не­большое число свободных электронов и ионов, возникших в результате внешней ионизации газа световым потоком, космическим излучением и другими воздей­ствиями. Электроны и положительные ионы совершают беспорядочное (тепло­вое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединяться, образуя нейт­ральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Процессы ионизации и рекомбинации находятся в динамическом равновесии, поэтому число электронов и ионов сохраняется неизменным.

При увеличении напряжения Е_и.п между электродами возникнет электрическое поле, под действием которого положительные ионы начнут перемещаться к като­ду, а свободные электроны — к аноду, то есть в разрядном промежутке, а следова­тельно, и во внешней цепи возникнет незначительный электрический ток. Пока напряжение Е_и.п невелико, этот ток мал и не создает значительного падения на­пряжения на резисторе R_a, поэтому можно считать, что u_а≈Е_и.п. Зависимость тока от напряжения показана на рис. 10.29, б.

При малых значениях u_а ток обусловлен носителями заряда, возникшими в ре­зультате внешней ионизации, и практически сохраняется неизменным (учас­ток А на рис. 10.29, б).

По мере увеличения напряжения Е_и.п возрастает скорость движения электронов и ионов, соответственно увеличивается их кинетическая энергия. При движении электронов к аноду они сталкиваются с атомами газа. При небольшой скорости эти столкновения являются упругими, и величина энергии сталкивающихся час­тиц не изменяется. При определенной скорости соударения становятся неупру­гими. В результате таких столкновений электроны атома могут перейти на более высокие энергетические уровни, то есть происходит возбуждение атома. Возбуж­денное состояние атома длится от 10^-7 до 10^-9 с, после чего электрон возвращается на исходный энергетический уровень, испуская квант энергии излучения. При незначительном числе столкновений свечение газа незаметно. При достаточ­но большой скорости электронов происходит отделение электронов от атомов, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны, двигаясь к аноду, совершают новые иониза­ции, а ионы перемещаются к катоду и выбивают из него вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также совершают новые ионизации и т. д. Вследствие этого происходит размножение носителей заряда и увеличение тока (участок АВ на рис. 10.29, б).

Процесс образования новых электронов и ионов в результате столкновений с ато­мами газа называется объемной ионизацией газа и оценивается коэффициентом объемной ионизации а, который показывает, какое количество ионизации совер­шает один электрон на пути длиной в 1 см. Количество выбиваемых из катода электронов оценивается коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый электрон, проходя от катода до анода путь длиной r_к-а, совершает αr_к-а иониза­ции, а количество электронов, попадающих на анод при выходе из катода одного электрона, оказывается равным ехр(αr_к-а). Если из катода в единицу времени вы­ходит N₀ электронов, созданных внешней ионизацией, то на анод в результате раз­множения попадает N₀exp(αr_к-а) электронов. Число ионов, образующихся при объемной ионизации, равно N₀[exp(αr_к-а)-l], а число выбиваемых из катода элект­ронов — σN₀[exp(αr_к-а)-l], где σ — коэффициент вторичной электронной эмиссии. Пока количество вторичных электронов, выбиваемых из катода, меньше количе­ства электронов, созданных внешней ионизацией, разряд является несамостоя­тельным, то есть зависящим от внешней ионизации. При прекращении внешней ионизации разряд прекращается. При некоторой величине U_з, называемой напря­жением зажигания, каждый электрон, выбитый из катода, создает на своем пути к аноду столько электронов, сколько необходимо для выбивания нового электрона. В этом случае разряд становится самостоятельным, то есть он может существо­вать независимо от внешнего источника ионизации. После наступления само­стоятельного разряда (точка В) наступает лавинообразное увеличение числа носителей заряда, и ток резко возрастает. Однако рост тока ограничивается ре­зистором R, на котором по мере роста тока возрастает падение напряжения и, соответственно, снижается напряжение U_a. Величина этого напряжения самопро­извольно устанавливается такой, чтобы в процессе ионизации создавалось требу­емое для получения заданного тока количество носителей заряда, то есть разность потенциалов между электродами ионного прибора зависит от состояния ионизи­рованного газа. В связи с этим целесообразно рассмотреть зависимость напряже­ния от тока (рис. 10.29, в).

Область ВС на рис. 10.29, в называется областью темного самостоятельного разря­да. Электрическое поле в этой области создается в основном зарядами на электро­дах, пространственный заряд пренебрежимо мал и распределение потенциала между катодом и анодом близко к линейному. По мере роста тока возрастает объемный заряд и поле искажается. У катода скапливается большое число ионов, поэтому можно считать, что практически все приложенное напряжение падает в узкой облас­ти вблизи катода, называемой областью катодного падения напряжения (рис. 10.30).

Рис. 10.30

Область разряда с почти неизменным потенциалом носит название положитель­ного столба. Электроны ускоряются в области катодного падения напряжения, поэтому там и происходит основная ионизация. Интенсивность ионизации в этой области больше первоначальной, поэтому напряжение, при котором поддержива­ется разряд, с ростом тока снижается. В точке С наступает тлеющий разряд, отли­чительной особенностью которого является свечение газа, напоминающее свече­ние тлеющих углей. Этот разряд бывает трех видов: поднормальный, нормальный и аномальный.

Поднормальный тлеющий разряд (участок CD на рис. 10.29, в) характеризуется уменьшением напряжения, при котором поддерживается разряд при увеличении тока, и шнурованием (стягиванием) разряда. Шнурование обусловлено тем, что с ростом тока сужается область катодного падения напряжения. Она становится столь узкой, что начинают сказываться шероховатости поверхности катода, в ре­зультате чего появляются локальные участки, в пределах которых напряженность поля оказывается более высокой. Поэтому на этих участках ионизация возраста­ет, что приводит, как отмечено ранее, к снижению напряжения, в результате чего на тех участках, где напряженность поля более низкая, разряд прекращается. Чем больше ток, тем меньше область, охваченная ионизацией.

Процесс шнурования происходит до тех пор, пока область катодного падения на­пряжения не станет столь узкой, что электроны окажутся неспособными создать требуемое количество ионов, необходимое для выбивания новых электронов на смену ушедшим. Поэтому дальнейший рост тока становится возможным лишь при увеличении поверхности катода, охваченной ионизацией. Наступает область нормального тлеющего разряда (участок DE на рис. 10.29, в). После того как вся поверхность катода окажется охваченной ионизацией, для увеличения тока по­требуются дополнительные носители заряда, возникновение которых возможно при увеличении напряжения. Такой разряд (область EF на рис. 10.29, в) называ­ется аномальным тлеющим разрядом.

Увеличение напряжения на ионном приборе, работающем в режиме аномального тлеющего разряда, ведет к увеличению интенсивности бомбардировки катода ионами, в результате чего на поверхности катода возникает термоэлектронная эмиссия. Кроме того, ионы, находясь очень близко к поверхности катода, создают сильное электрическое поле, вызывающее электростатическую эмиссию. Поэто­му число электронов в приборе резко увеличивается, их объемный заряд компен­сирует положительный объемный заряд ионов и напряжение на приборе умень­шается (участок FG на рис. 10.29, в), наступает дуговой разряд. Уменьшение напряжения сопровождается шнурованием разряда и образованием ярко светя­щегося катодного пятна. Шнурование продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, равной 10-20 В, необходимой для поддержания эмиссии электронов. Дальнейшее увеличение тока (участок GH) происходит за счет рас­ширения области, охваченной электронной эмиссией.

Типы газоразрядных приборов

В настоящее время газоразрядные приборы имеют ограниченное применение. Поэтому рассмотрим весьма кратко их особенности и области применения. Пред­варительно обратим внимание на то, что, рассматривая электрический разряд в газе, мы имели в виду гипотетическую модель. Реально в конкретном газоразряд­ном приборе используется какой-либо один вид электрического разряда.

Простейшим газоразрядным прибором является неоновая лампа — двухэлектродный прибор, работающий в режиме аномального тлеющего разряда. Неоновая лампа служит для индикации наличия напряжения или электромагнитного поля. При переменном напряжении низкой частоты анод и катод неоновой лампы по­переменно меняют свои функции. При высокочастотном напряжении в неоновой лампе возникает высокочастотный разряд. Особенность этого разряда состоит в том, что электроны, возникшие в результате внешней ионизации, совершая коле­бательные движения при быстрой перемене знаков потенциала на электродах, ионизируют газ, который начинает светиться, а образовавшиеся малоподвижные ионы не успевают менять направление своего движения и образуют объемный положительный заряд. При этом эмиссия с поверхности электродов отсутствует.

Стабилитроны тлеющего разряда служат для стабилизации напряжения. Они работают в режиме нормального тлеющего разряда, в котором величина напря­жения на стабилитроне слабо зависит от величины тока. Катод стабилитрона вы­полнен в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого специальным обра­зом обработана, чтобы повысить коэффициент вторичной электронной эмиссии. Для облегчения зажигания тлеющего разряда на внутренней поверхности цилин­дра имеется выступ, вокруг которого происходит шнурование разряда. Анодом стабилитрона является никелевый стержень, расположенный вдоль оси симмет­рии анода. Напряжение стабилизации определяется материалом катода, типом и давлением газа. Практически оно составляет порядка 100-200 В.

Тиратроны тлеющего разряда помимо катода и анода содержат сетку, которая служит для управления напряжением зажигания. На сетку подается небольшое положительное напряжение, под воздействием которого возникает вспомогатель­ный темный разряд. При увеличении анодного напряжения возникает тлеющий разряд между катодом и анодом. Чем больше величина тока вспомогательного разряда, тем меньше величина напряжения возникновения разряда в анодной цепи. Объясняется это тем, что с ростом тока сетки в промежутке между катодом и сеткой увеличивается количество ионов и электронов, благодаря чему облег­чается возникновение основного разряда. Зависимость напряжения зажигания основного разряда от тока сетки называется пусковой характеристикой. После зажигания основного разряда сетка теряет свои управляющие свойства, то есть изменение потенциала сетки не влияет на анодный ток и анодное напряжение. Это объясняется тем, что положительно заряженная сетка притягивает к себе элект­роны, которые образуют около поверхности сетки отрицательно заряженный слой, нейтрализующий действие положительного заряда сетки. При увеличении или уменьшении положительного потенциала сетки увеличивается или уменьша­ется количество электронов, притягиваемых сеткой, и по-прежнему действие ее заряда будет нейтрализоваться соответственно изменяющимся зарядом электрон­ной оболочки. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то она притя­нет положительные ионы, которые создают вокруг нее положительно заряженный слой, нейтрализующий действие отрицательного заряда сетки. Помимо односеточных тиратронов существуют двухсеточные. В таких тиратронах управляющей является вторая сетка, более удаленная от катода. На первую сетку подается по­стоянное положительное напряжение, и в цепи этой сетки все время существует небольшой ток подготовительного разряда. На второй сетке напряжение ниже, чем на первой. Поэтому тормозящее поле между сетками не позволяет электро­нам проникнуть к аноду. Если же на вторую сетку подать импульс положитель­ного напряжения, то электроны проникнут сквозь вторую сетку к аноду и возник­нет тлеющий разряд. Из изложенного следует, что тиратроны обладают двумя устойчивыми состояниями: проводящим и непроводящим. Поэтому он находит применение в импульсных схемах электронной автоматики. При этом свечение газа обеспечивает индикацию состояния схемы.

Для визуальной цифровой (или буквенной) индикации электрических сигналов применяются знаковые индикаторы тлеющего разряда. Такие индикаторы содер­жат несколько катодов, изготовленных из проволоки, выгнутой в виде цифр или других знаков, и расположенных один за другим. Анод сделан из проволочной сетки. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов около катода возникает свечение газа, то есть становится видимым светящийся знак.

Для счета импульсов в десятичной системе с одновременной индикацией пока­заний предназначены декатроны. Они содержат один цилиндрический анод, вокруг которого в виде кольца расположены штыри-катоды. При поочередной по­даче на катоды отрицательных импульсов напряжения тлеющий разряд перено­сится от одного катода к другому. При этом через купол баллона наблюдается пе­ремещение по окружности светящейся точки. После каждых десяти импульсов схема управления выдает импульс на управляющую 'схему второго декатрона, ко­торый, в свою очередь, после десяти входных импульсов выдает запускающий импульс на следующий декатрон и т. д. При этом первый декатрон считает число единиц, второй — число десятков и т. д.

Для получения сложных изображений разработаны газоразрядные панели (ГРП). Они имеют много конструктивных разновидностей. Однако общим конструктив­ным признаком для большинства из них является наличие двух ортогональных прозрачных полосковых систем электродов (катодных и анодных), расположен­ных на стеклянных пластинах, отделенных друг от друга диэлектрической мас­кой с системой отверстий, шаг которых равен шагу полосковых электродов, то есть ГРП представляет собой совокупность большого числа двухэлектродных газораз­рядных приборов, работающих независимо друг от друга. При подаче напряже­ния между каким-либо полосковым катодом и полосковым анодом через отвер­стие в диэлектрический маске возникает тлеющий разряд, наблюдаемый в виде светящейся точки. При подаче по определенному закону напряжения на несколь­ко катодов и анодов можно посредством точечного растра воспроизвести любую фигуру. ГРП могут давать и многоцветные изображения. Для этого надо на бо­ковые или торцевые стенки ячеек нанести покрытия из люминофоров, дающие свечение определенного цвета. Располагая рядом ячейки с покрытиями из люми­нофоров, дающих основные цвета (синий, зеленый, красный), можно получить цветное изображение.

Для защиты линий связи, обмоток выходных трансформаторов и других элемен­тов электрических цепей от перенапряжений применяются разрядники. Их дей­ствие основано на резком увеличении проводимости прибора вследствие воз­никновения тлеющего или дугового разряда между электродами. После снятия перегрузок разрядники вновь восстанавливают исходное высокое сопротивление.

Для защиты входа приемника радиолокационной станции от перегрузки при из­лучении передатчиком мощного импульса применяют резонансные разрядники СВЧ. Такие разрядники являются частью объемного резонатора, настроенного на частоту излучения передатчика, и включаются в высокочастотную линию, иду­щую от антенного фидера к входу приемника, на расстоянии от начала линии, кратном нечетному числу четвертей длины волны. При излучении передатчиком мощного радиоимпульса в резонаторе возбуждаются мощные колебания. На емко­сти, которую образуют электроды разрядника, развивается большое напряжение, в результате чего возникает высокочастотный разряд, сопротивление разрядника резко уменьшается и он практически закорачивает резонатор, вследствие чего излучаемый импульс передатчика не попадает на вход приемника. Принимаемый отраженный импульс не в состоянии зажечь разряд и проходит на вход приемника.

Среди приборов дугового разряда следует отметить газотроны и тиратроны, дли­тельное время применявшиеся для выпрямления высоких напряжений и больших токов. Газотрон представляет собой мощный диод с термоэлектрическим катодом, наполненный инертным газом или парами ртути. В отличие от вакуумного диода у газотрона отсутствует отрицательный объемный заряд около катода. Он ком­пенсируется положительными ионами. Поэтому в газотронах можно получить значительный анодный ток при небольшом анодном напряжении. В этом заклю­чается основное преимущество газотрона перед вакуумным диодом. Тиратроны дугового разряда отличаются от газотронов наличием сетки, предназначенной для управления напряжением зажигания. Вместе с тем следует иметь в виду, что в настоящее время вакуумные диоды, газотроны и тиратроны практически полнос­тью вытеснены более долговечными, надежными и удобными в эксплуатации по­лупроводниковыми выпрямителями.