Вакуумные приборы и их применение. Приборы и устройства вакуумной электроники

Статические характеристики, важнейшими из которых являются анодно-сеточные и анодные, снимают при одном постоянном параметре.

Анодно-сеточные характеристики отражают зависимость анодного тока от напряжения на сетке при некотором постоянном анодном напряжении, то есть I а =f(U с) при U а =const.

Такие характеристики снимают для нескольких анод­ных напряжений и получают семейство анодно-сеточных характеристик, представленных на рисунке ниже:

1 — анодно сеточные характеристики триода; 2 — анодные характеристики триода.

Триод - это трехэлектродный электровакуумный прибор, один из самых распространенных в электронной технике.

Три его электрода — анод, катод и сетка размещены внутри баллона, из которого откачан воздух. Между като­дом, находящимся обычно в центре баллона, и анодом, ко­торому чаще всего придают цилиндрическую или коробча­тую форму, расположена спиралеобразная управляющая сетка. Условное обозначение триода отражает его принципиальное устройство.

Рассматривая конструкцию триода, нетрудно понять, что, поскольку сечка расположена намного ближе к ка­тоду, чем анод, влияние ее потенциала на ток лампы значительно превосходит влияние потенциала анода. Этим и объясняется основная функции триода: управление боль­шим током в анодной цепи посредством маломощных сигна­лов (потенциалов), подаваемых в сеточную цепь.

а — устройство триода; б — обозначение на схемах; в — схема включения для снятия характеристик

На рисунке выше (в) показан один из вариантов включе­ния триода. Источник питания Е а, резистор R а и участок анод - катод образуют анодную цепь, а источник питания Е с, резистор и участок сетка – катод составляют се­точную цепь. В этой схеме, изменяя положение скользя­щего контакта на резисторе R с, можно устанавливать на сетке то или иное напряжение.

Когда напряжение на сетку не подается (равно нул ю), она практически не оказывает влияния на работу лампы и триод действует, в сущности, так же, как рассмот­ренная ранее двухэлектродная лампа - диод.

Если на сетке отрицательное напряжен и е, то между нею и катодом возникает электрическое поле, которое препятствует движению электронов и огра­ничивает анодный ток. На сетке можно установить такое отрицательное напряжение, что анодный ток вообще пре­кратится, поскольку все электроны будут отталкиваться сеткой обратно к катоду. В этом случае говорят, что лампа заперта, а соответствующее напряжение на сетке называют потенциалом запирания .

Диод - простейшая двухэлектродиая электрон­ная лампа. Два ее электрода - это катод (прямого или косвенного накала) и анод (обычно цилиндрической формы). Основное свойство диодов - односторонняя проводимость, то есть способность пропускать ток только в одном направ­лении.

Схемы включения диодов:

а — с катодом прямого накала; б — с катодом косвенного накала.

Катод подключен к источнику тока Е н (для диодов с катодом прямого накала Е н составляет при­близительно 1-2 В, для диодов с катодом косвенного на­кала 6,3 В), а анодная цепь - к источнику тока Е а (обычно значения Е а находятся в диапазоне 80-300 В, но для мощ­ных ламп достигают нескольких киловольт). Характерно, что у ламп с подогревным катодом цепь накала и анодная цепь полностью разделены, что создает ряд конструктивных достоинств.

Электронная лампа - самый распространенный электро­вакуумный прибор. В стеклянном, металлическом, металлокерамическом или пластмассовом баллоне лампы, из ко­торого откачан воздух, размещены электроды.

В зависимости от назначения и типа лампы их может быть несколько, но в любой лампе имеются два основных электрода:

• катод — источник электронов;
• анод — приемник электронов.

Движение электронов в вакууме от одного электрода к другому и обусловливает электрический ток лампы.

Различают катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала

Катод прямого накала пред­ставляет собой металлическую нить 1, прикрепленную к держателям 2. Эту нить растягивают пружины 3, которые прикреплены к траверсам, установленным в баллоне лампы. Нить подогревается проходя­щим по ней электрическим током (как правило, постоян­ным).

Электровакуумные приборы (электронные лампы, электрон­но-лучевые трубки, фотоэлектронные умножители, фотоэлементы и др.) наряду с полупроводниковыми составляют основу современной радиоэлектронной техники.

Электровакуумные приборы используют в своей работе направленный поток электронов в вакууме, возникающий и результате физического явления электронной) эмиссии, под которым понимают явление испускания электронов металлом под влиянием тепла, света или иных воздействий.

Сущность электронной эмиссии заключается в следую­щем. Как известно, электроны в металлах способны срав­нительно легко покидать свои атомы. Такие электроны получили название свободных. Их место в атомах занимают другне свободные электроны, которые так же легко могут оставить атомы. Если к проводнику не приложено электри­ческое напряжение, то свободные электроны движутся хаотично, в самых различных направлениях и с разными скоростями. Свободные электроны могут покинуть провод­ник, однако этому препятствуют две причины.

Во-первых, над поверхностью проводников образуется слой отрицательных зарядов, создаваемых теми электро­нами, которые на мгновение покидают проводник и возвращаются снова. Этот слой существует постоянно, так как и имей вернувшимся в проводник электронам над его поверхностью появляются новые и т. д. Но раз какое-то количество электронов находится вне проводника, то сам проводник должен иметь избыточные положительные заряды, образованные теми атомами, которые потеряли электроны. Положительные заряды концентрируются у внутрен­ней поверхности проводника. Двойной электрический слой из отрицательных и положительных зарядов создает тор­мозящее поле у поверхности проводника. Значит, для того чтобы покинуть проводник, электрону надо преодолеть это поле, то есть совершить некоторую работу. Следовательно, электрон должен обладать соответствующей энергией.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А. А. Жигарев .

Электровакуумные приборы.

1. Электровакуумными называют приборы, в которых электропроводность осуществляется электронами или ионами, движущимися между электродами через вакуум или газ. Электровакуумные приборы подразделяют на электронно-управляемые лампы , электронно-лучевые и газоразрядные приборы .

Конструктивными основными элементами любого электровакуумного прибора являются помещенные внутри баллона (газонепроницаемой оболочки) электроды. Электродом электровакуумного прибора называется проводник, эмиттирующий (испускающий) или собирающий электроны (ионы) либо управляющий их движением от электрода к электроду с помощью электрического поля. В зависимости от назначения различают следующие электроды электровакуумного прибора: катод, анод и управляющие.

^ Катод – является источником электронов в электровакуумном приборе.

Анод – ускоряющий электрод - обычно служит и выходным электродом, и основным коллектором (собирателем) электронов.

Управляющим называется электрод, предназначенный для управления основным потоком электронов. Если управляющий электрод выполнен в виде сетки, его часто называют управляющей сеткой. Электроды выполняют в виде нитей, плоских пластин, полых цилиндров и спиралей; их закрепляют внутри баллона на специальных держателях – траверсах и слюдяных или керамических изоляторах. Концы держателей впаивают в стеклянное основание баллона.

Баллоны электровакуумных приборов представляют собой газонепроницаемые оболочки из стекла, металла или керамики. В баллонах электронно-управляемых ламп создается разрежение 10 -8 …10 -4 Па, а в баллонах газоразрядных приборов – 10 -1 …10 4 Па.

^ Первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания изобрел в 1873 г. русский ученый А.Н. Лодыгин. В 1883 г. американский изобретатель Т.А. Эдисон обнаружил эффект одностороннего прохождения потока электронов в вакууме от накаленной нити к металлической пластине, если к ним приложить определенную разность потенциалов, например, подключив к гальваническому элементу. Так появился прообраз электронной лампы. В то время такая лампа не могла найти практического применения, но работы по изучению ее свойств и условий прохождения электронов в вакууме продолжались.
^ 2. Физические основы работы электронно-управляемых ламп.

Электронно-управляемой лампой называется электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током, ограниченным пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов. В зависимости от назначения электронно-управляемые лампы подразделяют на генераторные, модуляторные, регулирующие, усилительные, выпрямительные. По роду работы различают лампы непрерывного и импульсного действия, а по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. По числу электродов лампы делят на диоды, триоды, тетроды, пентоды, гексоды, гептоды, октоды, энноды и декоды.

^ Электронной эмиссией называется испускание электронов с поверхности веществ в окружающее пространство. В металлах, из которых изготовляют катоды электровакуумных приборов, свободные электроны находятся в состоянии хаотического непрерывного теплового движения и обладают определенной кинетической энергией, зависящей от температуры катода.

Термоэлектронной называют эмиссию электронов, обусловленную только нагревом катода (электрода). В результате нагревания металла увеличивается кинетическая энергия электронов и их скорость. На явлении термоэлектронной эмиссии основан принцип действия термокатодов, которые широко используются в электронно-управляемых лампах.
^ 3. Электронно-лучевые приборы.

Электронно-лучевыми называют такие электровакуумные приборы, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в узкий пучок – электронный луч, управляемый как по интенсивности, так и по положению в пространстве. Одним из наиболее распространенных электронно-лучевых приборов является приёмная электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

ЭЛТ преобразует электрический сигнал в оптическое изображение. Различают несколько видов приёмных ЭЛТ: проекционные, осциллографические, индикаторные, знакопечатающие, цветные, монохромные, светоклапанные и кинескопы.

В современных кинескопах используется смешанное управление лучом. Для фокусировки служит электрическое поле, а для отклонения луча – магнитное.

^ Обозначение ЭЛТ. Первым элементом обозначения ЭЛТ является число, которое указывает размер экрана – его диаметр или диагональ (для кинескопов с прямоугольным экраном). Второй элемент – две буквы, указывающие тип трубки (например, ЛО –осциллографические с электростатической системой управления лучом, ЛК – кинескопы с магнитным отклонением луча). После букв следует число, по которому сравнивают трубки одного типа с разными параметрами. В конце обозначения ставится буква, по которой определяют цвет свечения экрана (Б – белый, Ц – цветной, И – зеленый, А – синий и т.д.). Например, 40ЛК6Б - кинескоп с размером экрана по диагонали 40 см, 6-го варианта разработки, имеющий белый цвет свечения экрана. Обычно зарубежные фирмы-производители указывают размер диагонали кинескопа в дюймах (1 дюйм равен 2.54 см).
^ 4. Газоразрядные приборы. Физические основы работы газоразрядных приборов.

Электрическим разрядом в газах (или парах) называют совокупность явлений, происходящих в них при прохождении электрического тока. Электровакуумные приборы, электрические характеристики которых определяются в основном ионизацией намеренно введенного газа или пара, называются газоразрядными.

К ним относятся, например, ионные и ртутные вентили, тиратроны, ионные разрядники, индикаторы тлеющего разряда.

В отличие от электронно-управляемых ламп в этих приборах в создании тока участвуют не только электроны, но и заряженные частицы (атомы, молекулы) газа или пара – ионы.

^ Газоразрядные приборы состоят их газонепроницаемого баллона (чаще всего стеклянного), заполненного инертным газом, водородом или парами ртути, и системы металлических электродов. Давление газа в баллоне в зависимости от типа прибора находится в пределах от 10 -1 до 10 3 Па и достигает иногда 10 4 Па.

При отсутствии воздействия источников ионизации газы состоят из нейтральных атомов и молекул, поэтому они практически не проводят электрический ток. Ток через газ (как и через любую среду) протекает лишь в том случае, если в данной среде есть свободные электрически заряженные частицы – носители зарядов. В газе они могут образоваться, если от нейтральных атомов (или молекул) «оторвать» электроны за счёт действия какого-то источника энергии. При этом образуются носители заряда разных знаков: электроны – отрицательные заряды и положительные ионы – атомы газа, потерявшие электроны, - положительные заряды.

В реальных условиях на любой газ всегда действуют (пусть даже очень слабо) температура окружающей среды, космические и радиоактивные излучения промышленных установок и т.д., способствуя образованию заряженных частиц. Поэтому, в любом объеме газа всегда присутствуют электроны и ионы, которые могут вызвать электрический разряд. В электрическом разряде выделяют три процесса: возбуждение атомов, их ионизацию и рекомбинацию носителей зарядов разного знака.

Возбуждение атомов – процесс перехода одного из его внешних электронов на более удаленную от ядра орбиту за счет энергии, приобретенной в результате столкновения со свободным электроном. Это состояние атома неустойчиво и длится недолго: от единиц до десятков наносекунд. Затем электрон возвращается на свою прежнюю орбиту, а атом излучает во внешнее пространство энергию, полученную при столкновении. Эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, часто сопровождаемого видимым свечением газа.

Ионизацией атомов называется процесс образования ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов.

Своим появлением современные электровакуумные приборы обязаны американскому изобретателю Томасу Эдисону. Именно он разработал первый удачный способ освещения, используя для этого электрическую лампочку.

История создания лампы

В настоящее время с трудом верится, что электричество существовало далеко не во все исторические периоды. Первые лампочки накаливания появились только в конце девятнадцатого века. Эдисону удалось разработать модель лампочки, в которой располагались угольные, платиновые, бамбуковые нити. Именно этого ученого по праву называют «отцом» современной Им была упрощена схема лампочки, существенно снижена стоимость продукции. В результате на улицах появилось не газовое, а электрическое освещение, а новые осветительные приборы стали именовать лампами Эдисона. Томас на протяжении длительного времени работал над усовершенствованием своего изобретения, в итоге применение свечей стало нерентабельным мероприятием.

Принцип работы

Какое устройство имеют лампочки накаливания Эдисона? В каждом приборе есть тело накала, стеклянная колба, основной контакт, электроды, цоколь. У каждого из них есть свое функциональное предназначение.

Суть работы данного устройства заключается в следующем. При сильном нагревании тела накала потоком заряженных частиц, происходит превращение электрической энергии в световой вид.

Для того чтобы излучение мог воспринимать человеческий глаз, необходимо достичь температуры не меньше 580 градусов.

Среди металлов максимальной температурой плавления обладает вольфрам, поэтому именно из него изготавливается тело накала. Для уменьшения объема проволоку стали располагать в виде спирали.

Несмотря на высокую химическую стойкость вольфрама, для его максимальной защиты от процесса коррозии тело накала размещается в герметичном стеклянном сосуде, из которого предварительно выкачан воздух. Вместо него в колбу закачивается инертный газ, который не дает вольфрамовой проволоке вступать в реакции окисления. Чаще всего в качестве инертного газа применяется аргон, иногда используют азот или криптон.

Суть изобретения Эдисона в том, что испарению, происходящему при длительном нагревании металла, препятствует давление, создаваемое инертным газом.

Особенности лампы

Существует довольно много разных ламп, предназначенных для освещения большой площади. Особенность изобретения Эдисона в возможности корректировать мощность данного прибора с учетом освещаемой площади.

Производители предлагают разные виды ламп, отличающихся по сроку службы, размерам, мощности. Остановимся на некоторых видах этих электрических приборов.

Самые распространенные вакуумные лампы - ЛОН. Они в полной мере соответствуют гигиеническим требованиям, а средний срок их службы составляет 1000 часов.

Среди недостатков ламп общего назначения выделим низкий Примерно 5 процентов электрической энергии переходит в световую, остальные выделяются в виде тепла.

Прожекторные лампы

Они имеют достаточно высокую мощность, предназначены для освещения больших площадей. Электровакуумные приборы подразделяют на три группы:

• кинопроекционные;
• маячные;
• общего назначения.

Прожекторный световой источник отличается длиной тела накала, у него более компактные размеры, что позволяет усиливать габаритную яркость, улучшать фокусировку потока света.

Зеркальные электровакуумные приборы имеют светоотражающий алюминиевый слой, иную конструкцию колбы.

Та ее часть, которая предназначена для проведения света, изготовлена из матового стекла. Это позволяет делать свет мягким, снижать контрастные тени от различных предметов. Такие электровакуумные приборы применяют для интерьерного освещения.

Внутри галогенной колбы находятся соединений брома либо йода. Благодаря их способности выдерживать температуры до 3000 К, эксплуатационный срок ламп составляет около 2000 часов. Но и в этом источнике существуют свои недостатки, например, галогенная лампа, имеет невысокое электрическое сопротивление при остывании.

Основные параметры

В лампе накаливания Эдисона вольфрамовая нить располагается в разной форме. Для стабильной работы такого прибора необходимо напряжение 220 В. В среднем срок ее эксплуатации составляет от 3000 до 3500 часов. Учитывая, что цветовая температура 2700 К, лампа обеспечивает белый теплый либо желтый спектр. В настоящее время предлагаются лампы с разными размерами Е27). При желании можно подобрать в потолочную люстру либо настенный осветительный прибор лампу в виде шпильки, елочки, спирали.

Изобретение Эдисона поделено по числу вольфрамовых нитей на отдельные классы. От этого показателя напрямую зависит стоимость осветительного прибора, его мощность, эксплуатационный срок.

Принцип работы ЭВЛ

Термоэлектронная эмиссия заключается в испускании нагретым телом накала электронов в вакуум или инертную среду, создаваемую внутри колбы. Для управления потоком электронов используется магнитное либо электрическое поле.

Термоэлектронная эмиссия позволяет практически использовать положительные качества электронного потока - генерировать, усиливать электрические колебания различной частоты.

Особенности радиоламп

Электровакуумный диод - основа радиотехники. В конструкции лампы есть два электрода (катод и анод), сетка. Катод обеспечивает эмиссию, для этого слой вольфрама покрывается барием или торием. Анод выполняется в виде пластины из никеля, молибдена, графита. Сетка является разделителем между электродами. При нагревании рабочего тела из движущихся частиц создается мощный электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы данного вида составляют основу радиотехники. Во второй половине прошлого века электровакуумные лампы использовались в разнообразных сферах технической, радиоэлектронной промышленности.

Без них невозможно было изготовить радиоприемники, телевизоры, специальное оборудование, вычислительные машины.

Сферы применения

По мере развития точного приборостроения, радиоэлектроники, эти лампы потеряли свою актуальность, перестали применяться в больших масштабах.

Но и в настоящее время есть такие промышленные направления, в которых требуются ЭВЛ, ведь только вакуумная лампа способна обеспечить работоспособность приборов по заданным параметрам, в определенной среде.

Особый интерес ЭВЛ представляют для военно-промышленного комплекса, поскольку именно вакуумные лампы отличаются повышенной стойкостью к электромагнитным импульсам.

В одном военном аппарате может содержаться до сотни ЭВЛ. Большая часть полупроводниковых материалов, РЭК не может функционировать при повышенной радиации, а также в условиях естественного вакуума (в космосе).

ЭВЛ способствуют повышению надежности и долговечности спутников и космических ракет.

Заключение

В электровакуумных приборах, которые позволяют генерировать, усиливать, преобразовывать электромагнитную энергию, рабочее пространство полностью освобождено от воздуха, отгорожено от атмосферы непроницаемой оболочкой.

Открытие термоэлектронной эмиссии способствовало созданию простой двухэлектродной лампы, названной вакуумным диодом.

При его включении в электрическую цепь внутри прибора появляется ток. При изменении полярности напряжения он исчезает, причем независимо от того, насколько нагревается катод. При поддержании постоянного значения температуры нагретого катода удалось установить прямую зависимость между анодным напряжением и силой тока. Полученные результаты стали применяться при разработке электронных вакуумных приборов.

Например, триод представляет собой электронную лампу, имеющую три электрода: анод, термоэлектронный катод, управляющую сетку.

Именно триоды стали первыми устройствами, применяемыми для усиления электрических сигналов в начале прошлого века. В настоящее время на смену триодам пришли полупроводниковые транзисторы. Вакуумные триоды применяются только в тех областях, где необходимо преобразование мощных сигналов при незначительном количестве активных компонентов, а массой и габаритами можно пренебречь.

Мощные радиолампы сравнимы с транзисторами по коэффициенту полезного действия, надежности, но срок их службы значительно меньше. У маломощных триодов большая часть накала уходит на потребляемую каскадную мощность, иногда ее величина доходит до 50%.

Тетроды представляют собой электронную двухсеточную лампу, которая предназначается для увеличения мощности и напряжения электрических сигналов. Эти устройства имеют больший коэффициент усиления в сравнении с триодом. Подобные конструкционные особенности позволяют применять тетроды для усиления низких частот в телевизорах, приемниках, иной радиоаппаратуре.

Потребители активно используют лампы накаливания, в которых телом накала является вольфрамовая спираль или проволока. Эти приборы имеют мощность от 25 до 100 Вт, их эксплуатационный срок составляет 2500-3000 часов. Производители предлагают лампы с разным цоколем, формой, размерами, поэтому можно подобрать вариант лампы с учетом особенностей осветительного прибора, площади комнаты.

Создание электронных ламп позволило создать системы радио­связи, радиовещания. Разработка и производство электронно-луче­вых приборов способствовали возникновению и развитию телеви­дения. В 20-50-е гг. прошлого века сформировалась как самостоя­тельная отрасль вакуумная электроника и промышленность. В се­редине прошлого века на основе приборов вакуумной электроники было создано первое поколение вычислительных машин.

Качественно новый этап развития вакуумной электроники на­ступил при освоении области частот выше 500 МГц. С увеличени­ем частоты и уменьшением длины волны излучения увеличивает­ся возможность концентрации электромагнитного излучения в уз­кий луч. Использование остронаправленных лучей радиодиапазо­на обеспечивает снижение взаимных помех одновременно рабо­тающих радиолокаторов, увеличивает дальность действия радио­систем, позволяет достичь высокой точности определения коор­динат объектов. Были разработаны принципы динамического управления электронным потоком. Появились приборы новых классов - клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) и другие, основанные на взаимодействии электронов с электро­магнитными полями. Электромагнитные волны СВЧ-диапазона обладают большой информативной емкостью. В системах радио­связи это позволяет увеличить число каналов телефонной и теле­графной связи. В космической связи особенно важен механизм прохождения электромагнитного излучения через ионизирован­ные слои атмосферы. Наиболее проницаемы эти слои атмосферы для излучения СВЧ-диапазона. Все это позволило сформировать СВЧ-электронику как самостоятельное направление в вакуумной электронике.

В зависимости от принципа действия, назначения приборы и устройства вакуумной электроники делятся на электронные лампы, СВЧ-приборы, электронно-лучевые приборы, фотоэлектронные и рентгеновские приборы.

Классификация приборов вакуумной электроники приведена на рис. 2.1.

2.1. Электронные лампы

Электронные лампы - это электровакуумные приборы с термо­электронным катодом и электростатическим управлением элек­тронным потоком, служащие для детектирования, генерации и преобразования электрических сигналов. Для управления элек­тронным потоком используют различное число электродов. Элек­троды, проницаемые для электронного потока, называют сетками. По числу электродов различают диоды, триоды, тетроды, пентоды и т.д.

Электронные лампы, предназначенные для детектирования (выпрямления), преобразования частоты и усиления электрических сигналов, преимущественно на частотах до 300 МГц, а также для генерирования электрических колебаний малой мощности в раз­личных приемных, усилительных и измерительных радиотехниче­ских устройствах принято называть приемно-усилительными лампа­ми (ПУЛ).

Исторически первой ПУЛ явился электровакуумный диод, изо­бретенный английским ученым Дж.А. Флемингом в 1905 г. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест создал триод, в котором с помощью управляющей сетки впервые было осуществлено элек­тростатическое управление свободными электронами. Вслед за триодом были сконструированы тетрод и лучевой тетрод, пентод. Затем появились многофункциональные ПУЛ (гексоды, гептоды, октоды, пентагриды), а также комбинированные лампы (двойные триоды, диод - пентоды, триод - гептоды и т. п.).

Конструктивно ПУЛ представляет собой баллон, в котором по­мещена система электродов, присоединенная контактной сваркой к вакуумно-плотным выводам прибора. Герметизация лампы дос­тигается либо электросваркой для ПУЛ в металлическом баллоне, либо заваркой газоплазменными горелками для стеклянных балло­нов. Современные ПУЛ позволяют выполнять линейные и нели­нейные преобразования электрических колебаний с частотами по­рядка 10 1о Гц.

Диод - двухэлектродный вакуумный прибор, имеющий анод и катод. Диод проводит ток в одном направлении - от катода к ано­ду и используется для преобразования переменного тока в посто­янный (кенотрон).

Эмиттированные катодом электроны создают пространствен­ный заряд между катодом и анодом. При положительном потен­циале на аноде отрицательный потенциальный барьер объемного заряда преодолевают более быстрые электроны, которые создают 42

анодный ток во внешней цепи (рис. 2.2, б, кривая 1). Анодный ток определяется анодным напряжением U & , а также током эмиссии ка­тода. С ростом анодного напряжения появляются энергичные электроны, которые преодолевают отрицательный потенциал элек­тронного заряда (кривая 2). В этом случае анодный ток меньше тока эмиссии. В режиме пространственного заряда рост анодного тока подчиняется закону трех вторых: / а = kU & yi .

При дальнейшем увеличении анодного напряжения во всех точ­ках межэлектродного пространства потенциал становится положи­тельным относительно катода и все эмиттированные катодом элек­троны достигают анода (рис. 2.2, кривая 3). Наступает режим насы­щения при различных £/ а и U Hac . На рис. 2.2, в приведено семейство анодных характеристик диода.

Основными параметрами диода являются: крутизна S= dlJdU^ внутреннее сопротивление Д = 1/S. Односторонняя проводимость диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока, детектирования электромагнитных колебаний, преобразова­ния частот.

Триод - электровакуумный прибор, трехэлектродная вакуумная лампа с управляющей сеткой между анодом и катодом (рис. 2.3). Изменяя потенциал сетки U c , можно управлять значением анодного тока / а или, что одно и тоже, количеством электронов, проходящих через сетку от катода к аноду. Наличие сетки позволяет применять триоды для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Различают анодно-сеточные характеристики / а =Д£4) при постоян­ном анодном напряжении, сеточные / с = ЛЮ (рис. 2.3, б) и анод­ные характеристики / а = ЛЮ П Р И постоянном сеточном напряже­нии (рис. 2.3, в). Эти характеристики называют статическими.

Рис. 2.2. Диод:

д -условное обозначение; 6-распределение потенциала в промежутке катод - анол-

в - анодная характеристика

Если в анодную цепь включить нагрузку, то при изменении тока одновременно будет меняться напряжение. Такой режим и па­раметры соответствует динамическому нагрузочному режиму.

Анодно-сеточные / а = Д Щ при U a - const и сеточные входные / с ~AUc) при и л = const вольт-амперные характеристики представ­лены на рис 2.3, б. Анодные выходные характеристики / а =/£4) при U c = const для разных значений напряжения на сетке представ­лены на рис. 2.3, в.

Триоды в основном используют для преобразования информа­ции, в частности, для усиления и генерации электрических колеба­ний. К недостаткам триодов следует отнести относительно малый коэффициент усиления и большую проходную емкость С са, которая формирует обратную связь между выходом и входом цепи лампы,- При определенных условиях наступает самовозбуждение и ухудше­ние характеристик. От этих недостатков в значительной мере сво­бодны такие приборы, как тетроды и пентоды, имеющие дополни­тельные сетки для управления параметрами электронного потока.

Тетрод - электровакуумный прибор, четырехэлектродная лампа со второй экранной сеткой С 2 , позволяющей снизить проходную емкость. При работе тетрода в усилительной цепи на экранную сетку подается постоянное положительное напряжение относитель­но катода и Сэ ~ 0,5 £/ а - Электроны, проходящие экранную сетку, частично ею перехватываются, формируя ток 1 С ъ При этом на два порядка может уменьшаться проходная емкость лампы и возрастать статический коэффициент усиления (рис. 2.4, б).

При малых напряжениях на сетке Q заметен падающий участок характеристики, связанный с выбиванием вторичных электронов с анода - динатронным эффектом. Падающий участок уменьшает область изменения С/ а, и схема самовозбуждается. Для снятия дина-

Рис. 2.4. Тетрод:

а - условное обозначение, б - анодная характеристика при разных напряжениях на сетке С,

тронного эффекта вводится еще одна сетка - антидинатронная С 3 . Она располагается между экранирующей сеткой и анодом и нахо­дится под потенциалом катода либо небольшим положительным потенциалом.

Если создать электронный поток в форме ленточного, слегка расходящегося пучка, то благодаря увеличению плотности про­странственного заряда вблизи анода создается небольшой потен­циальный барьер. Именно он отражает эмиттируемые анодом вто­ричные электроны, что позволяет не вводить в конструкцию тре­тью антидинатронную сетку. Такая конструкция тетрода получила название лучевой тетрод. В выходных каскадах радиопередающих устройств широко применяются лучевые тетроды для генерирова­ния ВЧ-колебаний (1 ГГц).

К тетродам относится нувистор - миниатюрная металлокера­мическая приемно-усилительная лампа с цилиндрической кон- сольно закрепленной системой электродов. Такая конструкция обеспечивает повышенную вибропрочность и термоустойчивость.

Пентод - пятиэлектродная лампа (рис. 2.5). Благодаря защит­ной сетке Сз в пространстве между анодом и экранирующей сеткой создается поле, препятствующее попаданию вторичных электронов на сетку С 2 (рис. 2.5, а). Это позволяет препятствовать проникно­вению электронов от анода к экранной сетке. Провал на анодной характеристике, характерный для тетродов, у пентода ликвидирует­ся (рис. 2.5, б).

Пентоды делятся на приемоусилительные и генераторные, кото­рые имеют положительное напряжение на сетке С3. В пентодах с двойным управлением сетка С 3 является второй управляющей сет­кой, на которую подается отрицательный потенциал. В этом случае между сетками С 2 и С 3 образуется объемный заряд и формируется

виртуальный катод. В этой области потенциал равен нулю, элек­троны тормозятся, создавая подобие катода. К недостаткам пенто­дов следует отнести большую емкость между третьей сеткой и ано­дом. Это ограничивает верхний предел частотного диапазона уси­ливаемых электромагнитных колебаний.

Чтобы ликвидировать этот недостаток, вводят еще одну сетку. Такая конструкция получила название гексод.

Гексод - электровакуумный прибор, электронная лампа с ше­стью электродами выполняет роль смесителя частот. Напряжение сигнала обычно подводится к первой управляющей сетке. Пере­менное напряжение на второй управляющей сетке изменяет токо- распределение в лампе. При этом крутизна характеристики анод­ного тока на первой сетке изменяется с частотой гетеродина, на­пряжение на ней меняется с частотой приходящего сигнала.

В результате анодный ток представляет собой комбинационные ко­лебания, в частности, колебания промежуточной частоты f np 0 M = =/г-/с, где / г - частота гетеродина; f c - частота сигнала. Гексоды применяют также для усиления сигналов высокой частоты. В ра­диотехнических схемах обычно применяют комбинированные лам­пы типа триод - гексод.

Гептод - семиэлектродная электронная лампа, служит для пре­образователем частоты, а также как смесительная лампа. В цепь первой управляющей сетки включается контур гетеродина, в цепь второй сетки - катушка обратной связи, третья и пятая сетки слу­жат для экранирования, потому как в гексоде одной экранирующей сетки недостаточно. Четвертая сетка служит также для управления потоком, на нее подается напряжение сигнала.

Иногда гептод рассматривают как триод плюс тетрод. Лампу с двумя управляющими, двумя экранирующими и сеткой без витков называют петагрид (от лат. pente - пять, grid - сетка).

Октод - восьмиэлектродная электронная лампа имеет шесть

сеток и предназначена для работы в частотнопреобразовательных устройствах радиоприемных устройств. По существу это усовер­шенствованный гептод. Шестая сетка является антидинатронной, что позволяет увеличить амплитуду выходных сигналов. Октоды особого распространения не получили.

Были созданы электронные лампы с девятью и с десятью элек­тродами (декоды). Однако практического применения они не на­шли. Наибольшее распространение получили двойные диоды - триоды, двойные триоды, триоды - пентоды.

Заметим, что с позиций системного анализа все рассмотренные конструкции соответствуют предложенной модели приборов ваку­умной электроники. ^ J

Конструкции ламп. Электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источника постоянного или переменного тока в энергию высокой частоты до 10 ГГц, называют генератор­ными лампами. Существуют различные конструкции генераторных ламп. В миниатюрных и сверхминиатюрных лампах определяющим параметром являются размеры. Одной из таких ламп является стержневая лампа. Особенность ее конструкции - наличие катода прямого накала, а также конструкция сеток в виде металлических стержней, расположенных параллельно катоду.

Приемно-усилительные лампы (ПУЛ) - электронные лампы, предназначенные для детектирования, преобразования частоты и усиления электрических сигналов на частотах до 300 МГц, а также для генерирования электрических колебаний.

Применяют ПУЛ в качестве управляющих элементов генерато­ра или усилителя в радиопередатчиках для радиовещания, телеви­дения, радиолокации, в ускорителях заряженных частиц, медицин­ской электронике. Различают маломощные (до 25 Вт), средней

мощности (до 1 кВт), мощные (до 200 кВт) и сверхмощные (более 200 кВт) лампы. Они могут работать в КВ- (до 30 МГц), УКВ- (до 300 МГц) или СВЧ- (до 10 ГГц) диапазонах длин волн.

Особый интерес представляют мощные генераторные и модуля­торные лампы. Конструкции мощных электронных приборов пре­дусматривают меры отвода энергии от анода. В зависимости от способа отбора избыточной тепловой энергии от анода различают лучистый, воздушный, водяной и испарительный теплоотводы.

С целью увеличения теплоотвода поверхность анода увеличивают с помощью ребристого радиатора, и лампу помещают в герметизи­рованный объем, через который принудительно прогоняют с помо­щью вентилятора очищенный от пыли, грязи и паров масла воздух.

В лампах с водяным и испарительным охлаждением анод с ча­стью баллона помещают в закрытый герметичный сосуд, через ко­торый под давлением в (2...3) 10 5 Па пропускаются потоки воды.

В лампах с испарительным охлаждением анод охлаждается за счет отбора теплоты парообразования.

Мощные лампы делают разборными для возможности ремонта и замены отдельных деталей. Эти приборы при эксплуатации требуют специального обслуживания. На рис. 2.6 приведены различные типы металлокерамических ламп, изготовленных на заводе «Светлана».

Между анодом и сеткой иногда распола­гают экраны, которые улучшают экра­нирование анода и потому уменьшают емкость сетка-анод (рис. 2.7).

2.2. СВЧ-приборы

электронные лампы СВЧ. В области частот более 100 МГц на работу электронных ламп существенно влияют инерция электро­нов, межэлекгродные емкости и индуктивности вводов-выводов. Для уменьшения инерции делают плоские электроды с межэлек- тродным расстоянием 0,1...0,3 мм, выводы электродов в виде тол­стых проводников, выводы сетки и катода - кольцеобразные кон­такты, прижимаемые к контактам резонансных коаксиальных уст­ройств, вывод анода - штырь большого диаметра (рис. 2.8).

Для плоского диодного промежутка а время пролета т = - =

Важный фактор - угол пролета 0, равный изменению фазы вы­сокочастотного напряжения на электродах за время т пролета элек­тронами межэлектродного расстояния d. Уравнение для определе­ния угла пролета имеет вид 0 = 18/rf/ > /Z/o, где/- частота, МГц; d, см;

{/о - напряжение на аноде, В.

На низких частотах диод представляет собой активное сопро­тивление R h а на высоких - комплексное сопротивление. Конст­рукции электронных ламп СВЧ максимально должна соответство­вать требованиям минимального времени пролета электронов и минимальных межэлектродных емкостей и индуктивностей вывода. Различают генераторные и модуляторные лампы.

Лампы СВЧ-диапазона - это триоды, лучевые тетроды, пентоды. Для генера­ции метровых волн (более 6 м) служат пентоды и лучевые тетроды. В импульс­ном режиме для радиолокации использу­ют импульсные генераторные лампы. Модуляторные триоды применяют для модуляции в радиотелефонных передат­чиках, трансляционных усилителях.

Клистроны [от греч. klyzi - ударять, окатывать (волной) и...трон] - электро­вакуумные СВЧ-приборы, работа кото­рых основана на модуляции по скорости Рис. 2.8. Металлокерамиче- ЭЛектрОННОГО ПОТОКа электрическими ский триод СВЧ-полями резонансных колебатель-

ных систем. Электроны группируют в сгустки, а затем кинетиче­скую энергию сгруппированных электронов преобразуют в энер­гию СВЧ-колебаний. Клистроны предназначены для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

По способу преобразования энергии источника питания в энер­гию СВЧ-колебаний клистроны относятся к приборам О-типа или приборам с динамическим управлением электронным потоком. В таких приборах используется механизм скоростной модуляции. Принцип группирования электронов в сгустки лежит в основе фи­зики клистронов. На рис. 1.16, б приведена схема группирования электронов в пространстве резонатора. Электроны, для которых выполняется соотношение Usin со? > 0, получают дополнительное ускорение, а электроны с СЛsin со/ < 0 замедляются. Электроны

1, 2, 3 возвращаются в резонатор в один момент времени и образу­ют сгусток электронов (см. рис. 1.15, б).

Следует особо отметить тот факт, что в приборах этого типа но­сителями информационного сигнала являются так называемые ди­намические неоднородности. В данном случае это сгустки электро­нов. Формирование сгустков электронов ухудшают как кулонов- ские силы, так и конечное время пролета электронов между сетка­ми резонатора.

На рис. 2.9 представлена конструкция клистрона. Пучок электронов, формируе­мый электронной пушкой 1, ускоряется полем электрода 2 и пронизывает узкий зазор А между стенками входного торои­дального резонатора (группирователь элек­тронов) 4 и движется в трубке дрейфа 6.

В трубке дрейфа электрические поля от­сутствуют, и в ней происходит преобразо­вание скоростной модуляции потока в мо­дуляцию по плотности. Далее поток из сгустков электронов попадает в выходной резонатор 5.

Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии из потока элек­тронов. Частота поступлений сгустков электронов во второй резонатор рзвнз частоте входного сигнала. Ток наводится на внутренней поверхности стенок второ­го (выходного) резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое

поле тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, по­лученная от источника, ускоряющего напряжения, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Электроны, прошедшие второй зазор, попадают на коллектор и рассеиваются на нем в виде тепла.

Особенностями клистрона по сравнению с СВЧ-лампами явля­ются:

отсутствие электростатического управления электронным пото­ком;

использование динамического управления, основанного на ско­ростной модуляции и группировке электронов;

использование принципа наведения тока в выходном зазоре В и разделение функций выходного зазора и коллектора электронов;

применение полых резонаторов, отвечающих требованиям СВЧ-диапазона;

выделение катода из состава высокочастотной цепи и располо­жение ускоряющего промежутка перед высокочастотным управ­ляющим зазором.

Клистрон (усилитель) может быть преобразован в автогенератор при введении положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами.

Повышение коэффициента усиления клистрона возможно за счет каскадного соединения или создания многорезонаторных кон­струкций с периодической электростатической фокусировкой электронного пучка. Клистрон отражательного типа имеет один полевой резонатор, который дважды пронизывается электронным

потоком. Резонатор играет роль группиро- вателя электронов при первом прохожде­нии электронов через зазор и роль выход­ного контура при повторном прохождении зазора.

Для того чтобы клистрон мог генери­ровать СВЧ-колебания, сгустки электро­нов должны проходить через зазор при обратном движении в те моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастот­ное электрическое поле. С этой целью Р е " гулируется одновременно напряжение на ускоряющем электроде и напряжение на отражателе (рис. 2.10). Возврат электро­нов в зазор резонатора А обеспечивается с помощью отражателя, находящегося под отрицательным потенциалом по отноше

нию к катоду. При использовании отражательного клистрона в качестве усилителя ток в пучке делают меньше пускового и моду­лированный по скорости пучок электронов в отраженном потоке превращается в модулированный пучок по плотности. При этом в резонаторе возбуждается усиленный сигнал.

Основным назначением отражательных клистронов является ге­нерирование СВЧ-колебаний малой мощности. Их преимущество в простоте конструкции, простоте настройки и в хороших модуляци­онных характеристиках. Важное достоинство заключается в высо­кой механической прочности и надежности.

Различают отражательные клистроны с внешними и внутренни­ми резонаторами. Широкое распространение получили клистроны с интегральной перестройкой частоты, создание которых стало воз­можным благодаря разработанной технологии изготовления сколь­зящих электрических контактов в вакууме. Диапазон перестройки составляет 10... 15 % и КПД свыше 40 %.

Многолучевые усилительные клистроны (MJIK), разработанные в 1960-х гг. имеют в 2-3 раза меньшее питающее напряжение, по­ниженную в 3-4 раза массу прибора, увеличенную в 2-5 раз поло­су рабочих частот по сравнению с однолучевыми приборами. Мощ­ные многолучевые клистроны имеют от 6 до 36 лучей и работают на высших типах колебаний.

Многолучевые усилительные клистроны широко внедрены в современные системы радиоэлектронной аппаратуры. Они являют­ся основой передатчиков современных перспективных бортовых, морских и наземных комплексов. Разработана обширная номенк­латура отечественных клистронов (рис. 2.11).

Лампы бегущей волны - электровакуумные приборы с длитель­ным синхронным взаимодействием электронного потока с замед­ленной электромагнитной волной. Электромагнитное поле замед­ляющей системы представляет собой сумму бесконечного множест­ва пространственных гармоник. Если фазовая скорость совпадает с направлением групповой скорости электромагнитной волны, то та­кие гармоники прямые. Если фазовая скорость противоположна групповой, то речь идет об обратных гармониках.

Для длительного взаимодействия электронов с электромагнит­ным полем необходимо выполнение условия фазового синхрониз­ма, при котором скорость электронов в потоке Vrp совпадает с фа­зовой СКОРОСТЬЮ ВОЛНЫ Уф.

Длительное взаимодействие электронов с бегущей электромагнит­ной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе, лежит в основе работы усилительных и генераторных ЛБВ.

При этом происходит группировка ускоренных электронов и отдача энергии замедленных электронов полю сверхвысокой частоты.

Различают лампы прямой волны, или ЛБВ, и лампы обратной вол­ны (ЛОВ).

В ЛБВ направление движения электронов совпадает с направле­нием движения энергии по замедляющей системе. В этих приборах электронный поток взаимодействует с прямой замедленной волной или с положительной пространственной гармоникой (рис. 2.12).

Приборы, в которых используется взаимодействие электронно­го потока с обратными волнами или отрицательными пространст­венными гармониками, получили название ЛОВ. В лампах обрат­ной волны электронный поток движется навстречу потоку энергии. На рис. 2.12, в представлена ЛБВ О-типа в коаксиальной арматуре- Эмиттируемые катодом электроны ускоряются напряжением Uo, которое обеспечивает требуемое условие синхронизма между элек­тронами и волной, замедленной до скорости v = 0,1 с, где с - ско­рость света. Движение энергии по замедляющей системе происхо­дит в направлении движения электронов. Фокусировку электрон­ного потока осуществляют с помощью постоянного магнитного поля, созданного соленоидом. Электронные сгустки формируются 54

по мере движения вдоль оси лампы и наводят в спирали ток, а так­же создают тормозящее высокочастотное поле. Именно это тормо­зящее поле обеспечивает отбор энергии от электронного потока и усиление входного сигнала.

Главным достоинством ЛБВ является широкая полоса усили­ваемых частот. Наряду с усилительными ЛБВ разработаны преоб­разовательные ЛБВ. В лампах этого типа электронный поток сна­чала модулируется по скорости сигналом частоты Q и поступает в пространство взаимодействия замедляющей системы. Через вводное устройство подаются колебания СВЧ-диапазона частотой со * 10Q. Взаимодействие промодулированного двумя частотами электрон­ного потока с полем бегущей волны приводит к образованию слож­ной периодической структуры сгустков электронов. Они возбужда­ют в замедляющей системе колебания с частотами со и со ± mQ, где m - целое число. Обычно параметры замедляющей системы опти­мизируют для работы на частоте со + Q. В зависимости от режима работы ЛБВ разделяют на импульсные, непрерывные и квазине- прерывного действия. По уровню выходной мощности различают ЛБВ малой (1...Ю Вт), средней (10...100 Вт) и большой мощности.

Первые ЛБВ создавались для радиолокации, радиоразведки и радиопротиводействия. В последние годы многолучевые ЛБВ ис­пользуют для систем связи, в том числе космической связи. Созда-

но новое направление - многолучевые ЛБВ, позволяющие реали­зовать многорежимность передающих систем по выходной мощно­сти. Разработаны цепочки ЛБВ, которые обеспечивают регулиров­ку мощности от сотен ватт до десятков киловатт, высокий КПД, широкую полосу. Созданы импульсные ЛБВ миллиметрового диа­пазона с выходной мощностью 20 Вт в диапазоне 3 мм и 2 кВт в диапазоне 8 мм.

Лампы обратной волны иногда еще называют карсинотронами. В основе их работы лежит физическое явление длительного взаи­модействия электронного потока и обратной волны электромаг­нитного поля. Схема ЛОВ представлена на рис. 2.13.

Эмиттированные катодом электроны ускоряются напряжением так, чтобы выполнялось условие синхронизма. В этом случае ско­рость электронов и фазовая скорость обратной гармоники в ЛОВ совпадают по направлению, а поток энергии направлен в обратную сторону от коллектора электронов к электронной пушке. Поэтому вывод энергии расположен на пушечном конце замедляющей систе­мы. Все прямые гармоники поглощаются согласованной нагрузкой.

Кинетическая энергия электронного потока преобразуется в энергию электромагнитного поля, напряженность которого в вол­новедущей системе увеличивается от коллектора к катоду. Усилен­ные электромагнитные волны, распространяющиеся навстречу электронному потоку, взаимодействуют с электронным потоком с нарастающим эффектом. Электронный поток является как источ­ником энергии, так и звеном, обеспечивающим положительную обратную связь в лампе. Генерация колебаний в ЛОВ осуществля­ется за счет наличия внутренней обратной связи, распределенной по длине лампы. Эта связь обусловлена встречным движением энергии и волны в замедляющей системе ЛОВ и обеспечивает воз-

можность плавной перестройки частоты генерации при изменении ускоряющего напряжения.

Лампы типа ЛБВ и ЛОВ делятся на две основные группы. К приборам О-типа относятся лампы с продольным магнитным полем, служащего только для целей фокусировки прямолинейного электронного пучка. К приборам М-типа относятся все СВЧ-при­боры, в которых постоянное магнитное поле является поперечным.

В этом случае электроны движутся в скрещенных электрических и магнитных полях. В ЛОВ М-типа электронный поток отдает элек­тромагнитной волне часть своей потенциальной энергии. Элек­тронный поток формируется в приборах этого типа в скрещенных электромагнитных волнах. Выходящая мощность лежит в пределах

0,1...1,0 кВт при электронной перестройке частоты. ЛОВ работают в диапазоне частот 0,5... 18,0 ГГц, выходная мощность лежит в пре­делах 0,1... 1,0 кВт при электронной перестройке частоты до 30 %, КПД лежит в пределах 5...50 %.

Магнетроны (от лат. magnetis - магнит) представляют собой ко­аксиальные цилиндрические диоды в магнитном поле, направлен­ном по его оси. Магнетрон относится к классу генераторных элек­тровакуумных СВЧ-приборов, в которых формирование электрон­ного потока и его взаимодействия с электромагнитным полем СВЧ происходят в пространстве взаимодействия, где электрические и магнитные поля скрещены. Общий вид магнетрона представлен на рис. 2.14.

Число резонаторов в диоде магнетронного типа всегда четное.

В пространстве между катодом и ано­дом происходят процессы, характер­ные для любого прибора СВЧ-диапа- зона. Управление электронным пото­ком, образование сгустков электро­нов и отдача энергии высокочастот­ному электрическому полю - все эти процессы происходят в одном про­странстве.

Благодаря рассеянию полей от­дельных резонаторов их колебания жестко связаны друг с другом, а сис-

Рис. 2.15. Циклоидальные траектории электронов в плоском магнетроне (а) и об­разование сгустков электронов (спиц) в пространстве взаимодействия цилиндриче­ского магнетрона (б)

тема всех резонаторов представляет собой единую колебательную систему.

Высокочастотные колебания в пространстве взаимодействия магнетрона имеет вид стоячей волны (рис. 2.15, б). Такие волны можно интерпретировать как сумму двух бегущих волн, распро­страняющихся в противоположные стороны.

Это достигается путем подбора значений анодного напряжения и напряженности магнитного поля. Электроны уплотняются в сгу­стки, имеющие вид спиц. Внутри спиц траектории электронов имеют сложный характер (см. рис. 2.15, б).

Кинетическая энергия электронов при их движении в спицах определяется скоростью электронов при их движении по циклои­дальной траектории. Она максимальна на вершине циклоиды, где скорость определяется как v max = 2Е/В.

Механизм передачи энергии электронов высокочастотному полю заключается в уменьшении энергии электронов, которая максимальна у катода и близка к нулю у анода. Преобразование энергии электронов в энергию СВЧ-поля продолжается от момента их эмиссии с катода до момента достижения анода. Заметим, что часть электронов в результате сложных траекторий возвращается на катод и способствует увеличению эмиссии за счет эффекта вто­ричной электронной эмиссии. Условия синхронизма выполняются при оптимальном соотношении между анодным напряжением и значением магнитного поля.

В приборах М-типа наблюдается явление обратной бомбардиров­ки катода. Иногда в этих приборах вместо термоэмиссионных катодов используют вторично-эмиссионные, для которых не нужен подогре­ватель. Это позволяет увеличить срок службы и надежность приборов. 58

ЕйН В, ■ ■

В зависимости от режима работы различают магнетроны им­пульсного и непрерывного действия. По конструктивному испол­нению магнетроны могут быть как перестраиваемые по частоте, так и настроенные на определенную частоту. Некоторые типы магне­тронов представлены на рис. 2.16. Приведем некоторые разновид­ности магнетронов.

Митрон - магнетрон, частота генерируемых колебаний которо­го изменяется в широком диапазоне и пропорциональна анодному напряжению.

Амплитрон (платинотрон) - мощный усилитель обратной вол­ны магнетронного типа с замкнутым электронным потоком.

Дематрон - усилитель прямой волны магнетронного типа с распределенной эмиссией.

Инжектрон - трехэлектродная импульсная модуляторная лам­па, в которой для формирования электронного пучка и управления током используется магнетронная пушка.

Карматрон - прибор обратной волны магнетронного типа в котором используется взаимодействие замкнутого электронного потока с согласованной замедляющей системой.

Мазер на циклотронном резонансе относится к электровакуум­ным СВЧ-приборам. В основе его работы лежит процесс взаимо­действия потока электронов, движущихся в постоянном магнитном поле по винтовым траекториям, с высокочастотными полями резо­наторов или волноводов на частоте, близкой или кратной к цикло­тронной частоте электронов. Эти приборы сродни квантовым. В них усиление электромагнитных волн осуществляется посредством индуцированного излучения. Эти приборы образуют отдельный класс СВЧ-приборов. Первым прибором в этом классе был гиро­трон - генератор в миллиметровом диапазоне, с достигнутой мощ­ностью в сотни киловатт. Разработан целый класс усилительных приборов: гироклистрон, гиротвистрон, гиро-ЛБВ.

2.3. Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами называют класс электровакуум­ных приборов, предназначенных для преобразования информации, в которых для этих целей используют поток электронов в форме луча или пучка лучей.

Различают четыре основных типа электронно-лучевых прибо­ров: сигнал - свет; свет - сигнал; сигнал - сигнал; свет - свет.

Приборы типа сигнал - свет - это электронно-лучевые прибо­ры, позволяющие преобразовать электрические сигналы в световые изображения.

В соответствии с предложенной моделью электровакуумного прибора, сформированный устройством управления электронный луч в результате детектирования преобразуется в световой сигнал.

Осциллографическая трубка - электронно-луче­вой прибор, предназначенный для отображения и регистрации в графической форме хода быстропротекающих процессов. Пример" ная схема осциллографической трубки приведена на рис. 1.11, а на 2.17 - упрощенная схема электронно-лучевого осциллографа на ее основе. Генератор развертки Г формирует импульсы заданной час­тоты типа «пила», которые через усилитель горизонтального откло­нения У х подается на горизонтальные отклоняющие пластины. Дл* исследования однократных или непериодически повторяющихся процессов генератор должен формировать единичные импульсы- Исследуемый сигнал поступает через усилитель У у на пластины * Сложение этих перемещений по осям х и у приводит к вычерчива- 60

нию осциллограммы физического процесса. Для калибровки мас­штаба времени в осциллограф встраивают генератор меток времени MB, генерирующий периодические сигналы заданной длительно­сти. Эти сигналы поступают через усилитель У г на модулирующий электрод трубки, который формирует метки. С их помощью стано­вится возможным определить длительность исследуемого процесса, а также отдельных его деталей.

Основными характеристиками осциллографической трубки яв­ляются полоса регистрируемых частот, чувствительность откло­няющей системы, скорость записи сигнала без его искажения. За­поминающие осциллографические электронно-лучевые приборы позволяют запоминать как однократные, так и непрерывно проте­кающие процессы. Скорость записи сигналов лежит в диапазоне до Ю 4 км/с, и они могут сохраняться часами и снова визуализировать­ся на экране. Созданы широкополосные и осциллографические трубки СВЧ-диапазона, позволяющие фиксировать сигналы в час­тотном диапазоне до 10 ГГц. Для этого вместо отклоняющих пла­стин стали использовать сигнальные отклоняющие системы типа бегущей волны.

Кинескоп (от греч. kinesis - движение и skopeo - смот­рю) - электронно-лучевой прибор, предназначенный для приема электрических сигналов и преобразования их в световое изображе­ние, например телевизионное. Различают кинескопы монохромные и цветовые.

В основе работы кинескопа лежит явление преобразования энергии электронного пучка в световой сигнал в результате като- долюминесценции. Рассмотрим конструкцию кинескопа, исходя из предложенной модели электровакуумного прибора.

Управление электронным пучком осуществляют как с помощью электростатических отклоняющих систем, так и с помощью двух пар отклоняющих магнитных катушек, насаженных на горловину кинескопа (рис. 2.18, а). Условное обозначение кинескопов доста­точно сложное. На рис. 2.18, б приведено такое обозначение для трехлучевого кинескопа отечественного производства. Яркость све­чения в определенной точке экрана определяется мгновенной ин­тенсивностью пучка, управляемого принимаемым телевизионным сигналом. Электропроводность люминофоров достаточна мала. Оседающие на экран электроны заряжают его отрицательным заря­дом, и поток электронного пучка на экран может прекратиться. Однако люминофоры обладают большим коэффициентом вторич­ной электронной эмиссии. Это явление используют для отвода за­рядов, покрывая внутреннюю сторону экрана проводящим слоем и подсоединяя его к аноду.

В цветном телевидении широко используют масочные кинеско­пы, экран которых образован узкими полосками люминофоров красного (К), зеленого (3) и синего (С) цветов свечения. Этот ма­сочный тип получил название щелевой теневой маски (рис. 2.19, а)- Три электронных прожектора формируют три сходящихся у экрана

электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение лю­минофора только одного цвета. При щелевой маске прожекторы располагаются в одной плоскости, а при использовании маски с круглыми отверстиями - по вершинам равностороннего треуголь­ника (рис. 2.19, б). Этот тип называют также дельтообразным рас­положением в одной плоскости.

Восприятие всей гаммы цветов обеспечивается на физиологиче­ском уровне - сложение излучений сразу трех люминофоров на сетчатке глаза. Интенсивность их возбуждения пропорциональна видеосигналу.

Дисплей (от англ. display - показывать) - устройство для визуального отображения информации, как правило, на экране электронно-лучевого прибора.

Информация на дисплей поступает непосредственно из компь­ютера, либо вводится оператором с клавиатуры пульта управления.

В состав дисплея входит пульт управления с клавиатурой и микро­контроллер для связи с компьютером.

Прибор типа свет - сигнал в основном служит для преобразо­вания изображения в последовательность электрических импульсов с целью их передачи на расстояние.

Иконоскоп (от греч. eikon - изображение и skopeo - смотрю) - первый из приборов этого типа. Принцип его работы основан на накоплении электрического заряда на мозаичной светочувстви­тельной мишени за счет процессов внешнего фотоэффекта.

Светочувствительная мишень иконоскопа представляет собой диэлектрическую подложку, на которую нанесен фоточувствитель- ный слой. На другую сторону подложки нанесен металлический слой, являющийся сигнальной пластиной (рис. 2.20)

Рис. 2.20. Схема иконоскопа:

/ - катод (электронный прожектор); 2 - откло­няющая система; 3 - объектив; 4 - коллектор фото- и отклоняющих электронов; 5- сигналь­ная пластина мозаичная; 6 - видеосигнал; 7 - фотомишень;

Проецируемое изображение создает на мозаике за счет фотоэф­фекта потенциальный рельеф, соответствующий распределению освещенности объекта. Электронный луч сканирует поверхность и заряжает все элементы мозаичного экрана в соответствии с ранее накопленным зарядом. Ток в цепи сигнальной пластины становит­ся промодулированным накопленными зарядами.

Дальнейшее развитие иконоскоп получил в супериконоскопе. В нем фоточувствительная мозаика заменена сплошным фотокато­дом и сплошной мишенью (чувствительность на порядок выше), которые разделены в пространстве. Накопление заряда и образова­ние потенциального рельефа происходит за счет вторичной элек­тронной эмиссии при бомбардировке мишени фотоэлектронами в процессе переноса электронного изображения.

Приборы с накоплением заряда.

Видикон (от лат. video - вижу и греч. eikon - изображение) - телевизионный передающий электронно-лучевой прибор с накоп­лением заряда, действие которого основано на внутреннем фото­эффекте.

Изображение, которое необходимо передать по телевизионному каналу, фокусируется на мишень видикона с помощью объектива (рис. 2.21). Мишень представляет собой тонкий слой полупровод­ника, нанесенный на прозрачную проводящую подложку - сиг­нальную пластину (рис. 2.21, б). Каждый перекрываемый пучком элемент можно представить как контур из емкости и светозависи- мого сопротивления между облучаемой электронным пучком по­верхностью и сигнальной пластиной.

Процесс формирования изображения происходит в виде созда­ния зарядовых пакетов. Элементарные емкости элементов мишени разряжаются через локальные сопротивления. Заметим, что чем выше локальная освещенность, тем меньше становится сопротив- 64

ление соответствующего участка и соответствующая емкость разря­жается сильней, чем у менее освещенных участков. Создается так называемый зарядовый рельеф.

При очередном цикле сканирования электронным пучком про­исходит подзарядка конденсаторов. Ток подзарядки зависит от сте­пени разрядки конденсатора. Таким образом, на пластине форми­руется видеосигнал U c .

Позднее появились видиконы, отличительной особенностью которых являлся состав мишени, определивший во многом харак­теристики видиконов.

Первые такие видиконы имели мишень из трехсернистой сурь­мы SbS3. Со временем появились разновидности видиконов.

Плюмбикон - видикон, мишень которого представляет собой слой оксида свинца РЬО, нанесенный на прозрачную пленку диок­сида олова Sn0 2 , служащую сигнальной пластиной. Он характери­зуется высокой чувствительностью к свету и малой инерционно­стью.

Кадмикон - видикон, мишень которого изготовлена на основе селенида кадмия CdSe.

Сатикон - видикон с аморфной мишенью на основе Se - As - Те.

Нъювикон - видикон с мишенью на основе соединения ZnS - Cd - Те.

Халникон - видикон на основе гетероперехода селенида кадмия CaSe.

Кремникон - приборы на основе мозаики />-я-переходов в крем­нии. В суперкремниконе используют высокоэнергетические электро­ны, которые ускоряются до 10 кВ.

Ребикон - видикон с обратным электронным пучком, в кото­ром электрический сигнал снимается с коллектора, принимающего модулированный поток вторичных электронов, усиленных вторич­но-электронным умножителем.

Секон - передающий электронно-лучевой прибор (разновид­ность видикона) с мишенью, действия которой основаны на явле­нии вторично-электронной проводимости. Секоны отличаются вы­сокой чувствительностью, малой инерционностью и малыми габа­ритными размерами, простотой и надежностью.

Ортикон - передающий электронно-лучевой прибор с накоп­лением заряда на мозаичной светочувствительной мишени и счи­тыванием изображения пучком медленных электронов. Название обусловленно ортогональным падением развертывающего элек­тронного луча на мишень. В основу работы ортикона положено физическое явление внешнего фотоэффекта.

Суперортикон. - высокочувствительный передающий телевизи­онный прибор с накоплением заряда, переносом изображения с фотокатода на двустороннюю мишень, со считыванием изображе­ния с мишени медленными электронами и последующим усилени­ем видеосигнала с помощью вторично-электронного умножителя. Суперортиконы работоспособны почти в полной темноте (при ос­вещенности автокатода 1 10~ 7 ...10 -8 лк). Недостатки: на большие габаритные размеры, большая масса и мощность и источников пи­тания.

Изокон - прибор класса суперортиконов, в котором имеется система разделения обратного луча, мишень, пропускающая рассе­янные электроны.

Контрасткон - ортикон с особым усилением контраста переда­ваемого изображения.

Для использования в цветном телевидении используются либо три видикона с соответствующими цветными фильтрами, либо один видикон со специальной конструкцией мишени. В мишень

вмонтированы структуры светофильтров, обеспечивающие кодиро­вание и разделение сигналов, соответствующих трем основным цветам.

Приборы без накопления заряда.

Диссекторы (от лат. dissector - рассекать) - передающий элек­тронно-лучевой прибор без накопления заряда, служащий для пре­образования оптического изображения в последовательность элек­трических сигналов (рис. 2.22). В основе работы прибора лежит внешний фотоэффект. Отсутствие принципа накопления заряда повышает быстродействие диссекторов, возможность их использо­вания в быстропротекающих процессах. Отечественной промыш­ленностью была разработана широкая номенклатура передающих электронно-лучевых приборов.

Приборы типа сигнал - сигнал - это электронно-лучевые пре­образователи электрических сигналов, позволяющие преобразовать последовательность входных электрических сигналов в модифици­рованную последовательность выходных электрических сигналов. Конструктивно эти приборы выполняют на основе осциллографи- ческой электронно-лучевой трубки. Вместо излучающего узла ис­пользуют функциональную матрицу с переменной электронной прозрачностью по облучаемой площади.

Ток, прошедший через эту матрицу, модулируется определенной функцией от двух переменных и далее усиливается коллектором. Можно мгновенно получать искомые значения необходимой линей­ной либо угловой поправки, упреждения, смещения. Точность рас­чета составляет менее 1 %, время расчета - микросекунды.

Приборы сигнал - сигнал позволяют преобразовывать аналого­вый сигнал в дискретный, запоминать сигнал с последующим вос­произведением, преобразовывать телевизионные сигналы по раз­личным стандартам и т.д.

В запоминающих приборах электронный пучок модулируется входным электрическим сигналом в процессе сканирования мише­ни, которая представляет собой диэлектрический слой на поверх­ности металла. Электронный луч формирует на поверхности ди­электрика потенциальный рельеф. Считывание осуществляется тем же или другим электронным лучом. Запоминающие преобразовате­ли позволяют многократно воспроизводить однократно записан­ную информацию.

К запоминающим преобразователям относят графекон, литокон, потенциалоскоп и другие пребразователи. В приборах этого типа широко использовались богатые функциональные возможности электронного луча.

В последние годы электровакуумные приборы типа сиг­нал - сигнал вытеснены приборами микро- и фотоэлектроники.

Приборы типа свет - свет - предназначены для преобразова­ния изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений и визуализации слабо светящихся объектов, недоступных прямому наблюдению глазом.

К приборам этого типа относят электронно-оптические преоб­разователи (ЭОП). В основе работы ЭОП лежит принцип преобра­зования оптического излучения в электронное, его усиление и об­ратное преобразование электронного изображения в оптическое (см. рис. 2.22). Усиление обеспечивают процессы ускорения элек­тронов сильным электрическим полем. При этом невидимое гла­зом изображение преобразуется в оптический спектр. Усиление оп­тического излучения может достигать несколько порядков. Созда­вая многокамерные ЭОП, можно достичь усиления до 10 7 раз. Это позволяет регистрировать каждый акт фотоэмиссии. В качестве фо- токатодов используют многощелочные сурьмьяно-цезивые или ки­слородно-цезиевые покрытия. Разрешающая способность N, харак­теризующаяся четкость изображения, ограничена аберрациями электронно-оптической системы. Обычно N * 25 штрих/мм. ЭОП широко применяют в ИК-технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике и т.д.

В последнее время для улучшения изображения используют микроканальные пластины, отличающиеся высоким коэффициен­том вторичной электронной эмиссии.

2.4. Фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронные приборы - электровакуумные приборы, пре­образующие электромагнитные сигналы оптического диапазона в электрические сигналы. К вакуумным фотоэлектронным приборам прежде всего относятся фотоэлементы и фотоумножители, в кото­рых используют внешний фотоэффект.

Вакуумный фотоэлемент состоит из фотокатода, анода и ваку­умного баллона (рис. 2.23). Фоточувствительный слой наносится либо непосредственно на стеклянный баллон (рис. 2.23, б, г), либо на поверхность специальной подложки, смонтированной внутри баллона (рис. 2.23, в). Световой поток Ф попадает на фотокатод и стимулирует фотоэлектронную эмиссию, в результате между фото­катодом и анодом создается поток свободных электронов.

Наибольшее распространение получили вакуумные фотоэле­менты с сурьмьяно-цезиевым, многощелочным или кислород- но-серебряно-цезиевые фотокатоды (рис. 2.23, г). Применение га­зонаполненных фотоэлементов ограничено их нестабильностью и нелинейностью их световой характеристики.

Фотоумножитель (ФЭУ) предназначен для усиления слабых фо­тотоков. Его работа основана на эффекте вторичной электронной эмиссии. ФЭУ состоит из фотокатода, каскада динодов, обеспечи­вающих умножение электронов за счет вторичной электронной эмиссии, анода и дополнительных электродов, помещенных в ва­куумный баллон (рис. 2.24).

Световой поток стимулирует фотоэлектронную эмиссию с фо­токатода. Электронно-оптическая система входной камеры направ­ляет эмиттированные электроны на систему динодного умножения электронов. На анод попадает поток умноженных каждым динодом вторичных электронов.

Конструкции фотоумножителей весьма разнообразны, однако принцип одинаков: умножение электронов происходит в системе

дискретных динодов. Они имеют корытообразную, коробчатую, торроидальную или жалюзийную форму с линейным либо круго­вым расположением. Фототок благодаря эффекту вторичной элек­тронной эмиссии может быть увеличен до 10 8 раз.

По функциональному назначению ФЭУ образуют две крупные группы: измерители предельно малых постоянных или медленно меняющихся световых потоков; регистраторы кратковременных слабых световых потоков.

ФЭУ широко используют для регистраций слабых излучений вплоть до одиночных квантов, а также в различной оптической ап­паратуре. Разработаны конструкции ФЭУ для работы в разных об­ластях спектра электромагнитного излучения.

Одноканальный электронный фотоумножитель представляет со­бой непрерывный динод или канал, к концам которого приложено напряжение примерно 1...3 кВ. На внутренней стороне поверхно­сти канала создан активный слой, обладающий вторичной элек­тронной эмиссией и распределенным электрическим сопротивле­нием. Перемещение вторичных электронов происходит под дейст­вием аксиального электрического поля. Усиление в таком ФЭУ достигает значений порядка 10 .

Вторично-электронный умножитель (ВЭУ) представляет собой ва­куумное электронное устройство, предназначенное для умножения вторичных электронов. ВЭУ без оболочки называют открытыми и используют в условиях естественного вакуумного пространства. ВЭУ с оболочкой или закрытого типа широко используют в различной научно-исследовательской и промышленной аппаратуре.

1. Что такое электронные лампы?

2. Какие параметры триода вы знаете?

3 q T 0 так ое клистрон и какие функции он выполняет? Опишите кон­струкцию клистрона.

4. Что такое лампа бегущей волны и как она устроена?

5. Что такое лампа обратной волны и как она устроена?

6. Что такое приборы М-типа и чем они отличаются от приборов О-типа?

7. Что такое магнетрон? Опишите конструкцию магнетрона.

8. Какие электронно-лучевые приборы вы знаете?

9. Что такое кинескоп и как он устроен?

10. Что такое иконоскоп и как он устроен?

11. Что такое видикон и какие разновидности видиконов вы знаете?

12. Что такое ЭОП и как он устроен?

13. Что такое фотоумножитель и какие физические явления положены в основу его работы?