Электровакуумные приборы и основы их конструирования - Гуртовник А.Г.

Author: Гуртовник А.Г.
Tags: электротехника электроника электровакуумные приборы
ISBN: 5-283-00518-6
Year: 1988
Similar
Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник
Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Часть 1
Электровакуумные и полупроводниковые приборы
Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Часть 2
Text
                    ББК 32.851
Г 95
УДК 621.385 (075.32)
Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук О. И. Бужинский, М. И. Барычева
Гуртовник А. Г. и др.
Г 95 Электровакуумные приборы и основы их конструирования:
Учебник для техникумов / А. Г. Гуртовник, Е. Г. Точинский,
Ф. М. Яблонский. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 424 с.: ил.
ISBN 5-283-00518-6
Излагаются физические основы, устройство, принцип действия,
основные характеристики и параметры, а также основы конструиро-
вания электровакуумных приборов. Указаны области применения и
функциональные возможности приборов, особое внимание уделено
наиболее перспективным электровакуумным приборам.
Для учащихся техникумов по курсу "Электровакуумные прибо-
ры и основы их конструирования”. Может быть полезна для инженер-
но-технических работников, занимающихся разработкой и примене-
нием электровакуумных приборов.
„ 2403000000-084 „	,	, , м
Г	101) 88—	ИН' С₽ед’ спец‘ Уче®‘ заведении 134-88 ББК 32.851
Учебник
ГУРТОВНИК Александр Григорьевич, ТОЧИНСКИЙ Евгений Георгиевич,
ЯБЛОНСКИЙ Феликс Максимович
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ И ОСНОВЫ ИХ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Редактор И. П. Башкатов. Редактор издательства Т. Н. Платова.
Художественные редакторы В. А. Гозак-Хозак, Г. И. Панфилова.
Художник переплета В. Ф. Громов. Технический редактор Г. И. Лядухина.
Корректор Н. А. Смирнова
ИБ № 1421
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригииала-макета 20.01.88.
Т-04696. Формат 60 х 88 1/16. Бумага офсетная N’ 2. Печать офсетная. Усл.
печ.л. 25,97. Усл.кр.-отт. 25,97. Уч.-издл. 27,44. Тираж 9000 экз. Заказ 6353.
Цена 1р. 10 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Отпечатано в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Зна-
мени МПО "Первая Образцовая типография имени А.А. Жданова” Союзполиграф-
промапри Госкомиздате СССР. 113054, Москва, М-54, Валовая, 28.
ISBN 5-283-00518-6
© Энергоатомиздат, 1988
I
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электронная промышленность, возникшая сравнительно недавно,
в настоящее время является одной из самых мощных отраслей про-
мышленности, в решающей мере определяющей темпы научно-техни-
ческого прогресса.
Развитие электронной промышленности в нашей стране непосред-
ственно связано с производством электронных приборов, среди кото-
рых важное место занимают электровакуумные. Производство электро-
вакуумных приборов оказывает большое влияние на ускорение науч-
но-технического прогресса, создает материальную базу для автоматиза-
ции производства и управления, развертывания научных исследований.
Несмотря на повышение роли полупроводниковых приборов в созда-
нии электронной техники, электровакуумные приборы отнюдь не утра-
тили своего значения.
В настоящее время электровакуумные приборы находят применение
почти во всех областях науки и техники: радиолокации, радиоастроно-
мии, вычислительной технике, связи, космической технике, медицине,
ядерной физике, в быту и т. п. Общая номенклатура электровакуум-
ных приборов велика — несколько тысяч наименований, а ежегодный
выпуск превышает миллиард единиц. Разработка, производство и при-
менение этих приборов в электронной аппаратуре, устройствах и си-
стемах, содержащих их в качестве основных элементов, требует под-
готовки высококвалифицированных специалистов данной отрасли про-
мышленности.
Необходимо отметить, что учебник для средних специальных учеб-
ных заведений по специальности ’’Производство электровакуумных
приборов” отсутствует. Единственное учебное пособие ’’Электронные
приборы” М. С. Кауфмана, К. И. Палатова, изданное в 1970 г. и сыграв-
шее в свое время положительную роль, в настоящее время устарело и
не соответствует действующей программе.
Предлагаемая читателям книга подготовлена в соответствии с про-
граммой курса, утвержденной МВ и ССО СССР для специальности ’’Про-
изводство электровакуумных приборов”. В ней сделана попытка систе-
матизировать большой материал по вопросам теории, устройства, прин-
ципам действия, применения и конструирования электровакуумных
приборов, а также включены материалы по современным ионным, фо-
3
тозлектронным, электронно-лучевым приборам и рассмотрены их па-
раметры.
Материал, изложенный в книге базируется на изученных учащимися
курсах математики, физики, химии, электротехники, ’’Материалы
электровакуумного производства”, ’’Основы вакуумной техники”.
Вместе с тем изучаемый предмет является базовым для таких дисцип-
лин, как ’’Промышленная электроника и микроэлектроника”, ’’Техно-
логия, оборудование и промышленные роботы производства электро-
вакуумных приборов”, ’’Надежность и испытание электровакуумных
приборов”, ’’Техника и приборы СВЧ”.
Книга состоит из шести частей. Для понимания физических процес-
сов, протекающих в электровакуумных приборах, необходимо знание
основ электронной теории. Этому вопросу посвящена первая часть
книги. Во второй, третьей, четвертой и пятой частях рассматриваются
конструкции, принципы действия, характеристики и параметры практи-
чески всех классов современных электровакуумных приборов, а также
вопросы их применения. Шестая часть книги посвящена основам расче-
та и конструирования электровакуумных приборов. Программное обес-
печение расчетов дано для программируемых микрокалькуляторов.
Для развития навыков самостоятельной работы и контроля усвое-
ния полученных знаний в конце каждой главы даны контрольные воп-
росы и задания.
Материал распределен между авторами следующим образом: преди-
словие, введение, гл. 1—4, 15—20, 22, 31 и 32 написаны А. Г. Гуртовни-
ком, гл. 5-14, 21, 23 — Е. Г. Точинским, гл. 24—30, 33 — Ф. М. Яблон-
ским.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность
рецензентам М. И. Барычевой и О. И. Бужинскому, а также редактору
И. П. Башкатову за ряд критических замечаний и полезных советов,
которые способствовали улучшению содержания учебника. Авторы при-
знательны В. Н. Бирюкову за помощь, оказанную им при работе над
рукописью.
Все замечания по учебнику следует направлять по адресу: 113114,
Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
ВЛ. Общие сведения об электровакуумных приборах
Электровакуумным прибором называется электронный прибор,
в котором проводимость осуществляется посредством электронов или
ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ. В соот-
ветствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы мож-
но разделить на электронные и ионные.
В электронных электровакуумных приборах прохождение электри-
ческого тока достигается только за счет свободных электронов. Давле-
ние остаточных газов в этих приборах составляет менее 100 мкПа. При
таком давлении соударения движущихся электронов с атомами или
молекулами остаточного газа происходят настолько редко, что не ока-
зывают существенного влияния на характер процессов в приборах.
В ионных электровакуумных приборах давление равно 133 • 1СГ3 Па
(1СГ3 мм рт. ст.) и выше. В этих приборах используются различные
формы электрических разрядов в газе. Прохождение тока в ионных
приборах обусловлено движением не только электронов, но и ионов,
причем их соударения с атомами и молекулами газа играют существен-
ную роль. Управление движением электронов в вакууме или возникно-
вением электрического разряда осуществляется с помощью электри-
ческих или магнитных Нолей.
Исходя из принципов действия и функционального назначения,
электровакуумные приборы можно разделить на следующие классы:
электронные лампы; фотоэлектронные приборы; электронно-луче-
вые приборы; ионные приборы.
Электровакуумный прибор представляет собой герметический бал-
лон, внутри которого размещаются источник электронов, приемник
электронов и ряд управляющих электродов. Электронные лампы яв-
ляются типичным примером такой конструкции прибора. Используе-
мые в них управляющие электроды воздействуют на поток электро-
нов от источника (катода) к приемнику (аноду), что позволяет гене-
рировать и усиливать электрические сигналы. Благодаря таким досто-
инствам, как широкий диапазон рабочих температур, радиационная
стойкость, высокие допустимые рабочие напряжения, электронные
лампы в ряде областей сохранили свои позиции. Широкое примене-
ние электронные лампы находят, в частности, в области энергетиче-
ской электроники.
5
В отличие от электронных ламп в электронно-лучевых приборах
ток переносится не широким потоком, а узким сфокусированным
электронным пучком, интенсивность которого и положение в простран-
стве могут изменяться; положение пучка в пространстве меняется с
помощью электрического или магнитного поля.
Наиболее распространенной группой электронно-лучевых приборов
являются приемные электронно-лучевые трубки — кинескопы. По-
скольку кинескопы являются основным элементом современных теле-
визоров, их выпуск достигает миллионов штук в год. Хотя кинескоп
был изобретен еще в начале XX в., процесс его совершенствования не
прекращается и сегодня.
Если кинескоп выполняет задачу преобразования электрических
сигналов в видимое изображение, то передающие электронно-лучевые
трубки производят обратное преобразование изображения в электриче-
ские сигналы. Наиболее существенные достижения в этой области были
получены в последнее время.
К электронно-лучевым приборам также относят запоминающие
трубки, способные сохранять информацию в течение длительного вре-
мени, и электронно-оптические преобразователи, преобразующие не-
видимое (ультрафиолетовое, рентгеновское или инфракрасное) изобра-
жение в видимое и усиливающие его во много раз. Большинство типов
электронно-лучевых приборов не имеет функциональных аналогов,
обладающих сравнимыми параметрами среди полупроводниковых
приборов. Исключением являются передающие трубки, с которыми
начинают интенсивно конкурировать различного рода полупроводни-
ковые преобразователи видеоизображения.
Основным назначением фотоэлектронных приборов является пре-
образование световых сигналов в электрические. Действие этих
приборов основано на возникновении электронной эмиссии из фотока-
тода. В фотоэлементах возникающий электронный поток непосред-
ственно собирается на аноде, в фотоэлектронных умножителях этот
поток усиливается внутри прибора благодаря использованию вторич-
ной электронной эмиссии. Многочисленные типы фотоэлектронных
умножителей до сих пор являются основным видом детекторов, ис-
пользуемых при регистрации элементарных актов взаимодействия в
ядерной физике, космических исследованиях и квантовой электро-
нике. Высокостабильные фотоэлементы применяются для фотометри-
рования источников излучения.
К электровакуумным приборам примыкает класс ионных (газо-
разрядных) приборов. Их можно разделить на следующие группы:
приборы тлеющего и коронного разрядов для стабилизации и преобра-
зования электрических сигналов; индикаторные приборы; выпрями-
тельные и импульсные приборы несамостоятельного дугового разряда;
выпрямительные и импульсные приборы самостоятельного дугового
разряда; разрядники.
6
Развитие средств отображения информации привело к бурному про-
грессу в области индикаторных ионных приборов. Появился целый
класс новых индикаторов - газоразрядные знакосинтезирующие экра-
ны. По своей информационной емкости и другим функциональным
возможностям они приближаются к приемным электронно-лучевым
трубкам, а иногда и превосходят их. В то же время газоразрядные
экраны имеют ряд достоинств по сравнению с трубками - плоские
конструкции, меньшие рабочие напряжения, цифровой способ управ-
ления.
В.2. Краткие сведения по истории развития
электровакуумных приборов
Прототип электровакуумного прибора появился еще в прошлом
веке. Это была электрическая осветительная лампа накаливания, изо-
бретенная в 1873 г. талантливым русским электротехником А. Н. Ло-
дыгиным. Ее открытие положило начало современной электровакуум-
ной технике.
Работы Эдисона, Ричардсона, Флеминга и других исследователей при-
вели к созданию первой электронной лампы — вакуумного диода
(1904 г.). В 1907 г. американский инженер Л. Форест ввел в лампу уп-
равляющий электрод-сетку, т. е. создал первый триод, обладающий
способностью генерировать и усиливать электрические сигналы.
Первые отечественные усилительные лампы были созданы в 1914—
1916 гг. независимо друг от друга Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруе-
вичем.
Широкое развитие отечественной электровакуумной промышленно-
сти в нашей стране началось после Великой Октябрьской социалистиче-
ской революции. В 1918 г. по инициативе В. И. Ленина была создана
Нижегородская радиолаборатория, которую возглавил М. А. Бонч-
Бруевич. Этой лабораторией, в которой активное участие принимали
Б. А. Остроумов, А. М. Кутушев, Н. А. Никитин, П. А. Остряков и
другие, было налажено изготовление мощных генераторных ламп. Та-
ких ламп за рубежом не было. Радиостанция им. Коминтерна, постро-
енная в 1922 г. и использующая электронные лампы конструкции
М. А. Бонч-Бруевича и его соратников, в то время была самая мощная
в мире (400 кВт). Позднее массовое производство электронных ламп
было организовано в Ленинграде и Москве.
Параллельно с совершенствованием электронных ламп разрабаты-
вались ионные приборы. В 1919 г. в Нижегородской лаборатории под
руководством В. П. Вологдина были созданы первые в мире мощные
ртутные выпрямители. В конце 30-х годов были разработаны двух-
электродные приборы — газотроны и трехэлектродные - тиратроны.
В 1907 г. профессор Петербургского технологического института
Б. Л. Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для
7
приема телевизионных изображений. В последующие годы им было
осуществлено практическое применение своей идеи — телевизион-
ная передача.
Работы известных ученых Г. Герца, А. Столетова, А. Эйнштейна
по исследованию внешнего фотоэффекта положили начало развитию
фотоэлектронных приборов. Теория внешнего фотоэффекта была раз-
вита советскими физиками П. И. Лукерским, И. С. Хлебниковым,
П. В. Тимофеевым и др. В 1934 г. Л. А. Кубецким был разработан
первый в мире фотоэлектронный умножитель, который находит широ-
кое применение и в настоящее время.
К 30-м годам относятся работы по созданию телевизионных пере-
дающих трубок. Большой вклад в разработку этих приборов внесли
А. А. Чернышев, А. П. Константинов, С. И. Катаев, П. В. Шмаков,
П. В. Тимофеев, Г. В. Брауде.
С 1960 г. начались разработки и серийное производство индикатор-
ных ионных приборов. Значительный вклад в разработку теории и
создание новых ионных приборов внесли И. Л. Каганов, Г. Е. Макар-
Лиманов, А. Б. Покрывайло и другие советские ученые.
В настоящее время электронная промышленность является одной
из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники, До-
стижения электронной промышленности оказывают большое влия-
ние на технический прогресс в народном хозяйстве нашей страны.
Часть первая
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ
Глава первая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОНАХ
1.1.	ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ
Для понимания физических явлений, происходящих в рабочем про-
странстве электронного прибора, необходимо иметь представления об
электронной теории строения вещества, физике твердого тела, природе
и механизмах излучения и поглощения света. Часть этих вопросов рас-
сматривается в курсе общей физики, поэтому в данной главе мы оста-
новимся только на тех положениях, которые представляются суще-
ственными с точки зрения изучения электровакуумных приборов.
Для понимания принципа действия этих приборов необходимо
знать, за счет чего генерируются электроны, используемые в качестве
носителей тока в приборах, как получить поток свободных электронов
и как управлять этим потоком. Эти теоретические вопросы рассмат-
риваются в гл. 1—4.
Ввиду специфики ионных приборов элементарные процессы взаи-
модействия между частицами в разряде, основные эмиссии в условиях
газового разряда и закономерности движения заряженных частиц в
газе рассматриваются в гл. 25.
По современным представлениям атом любого химического элемен-
та состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его отри-
цательно заряженных электронов. Электрон является стабильной эле-
ментарной частицей материи с отрицательным зарядом, равным е =
= 1,602 • КГ19 Кл. Масса покоя электрона равна те =9,1 • 1СГ31 кг.
Отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд) е/нге =
= 1,759 • 10*1 Кл/кг, что определяет высокую подвижность электрона.
Именно этим свойством объясняется безынерционность электрова-
куумных приборов.
Заряд электрона всегда остается неизменным. Масса электрона, дви-
жущегося со скоростью v, изменяется по закону
т = mehj 1 - (г/с) 2,	(1.1)
где с — скорость света.
Теоретически при скорости движения электрона, равной скорости
света с = 3 • Ю8 м/с, масса электрона должна стать бесконечно боль-
шой. В большинстве электровакуумных приборов скорость электронов
не превышает 0,1 с. При этом условии можно считать массу электро-
на постоянной, равной те.
9
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (в ядерной физике
они носят единое название — нуклонов), удерживаемых мощными
ядерными силами. Протон обладает положительным зарядом, равным
по абсолютному значению заряду электрона, и массой и 1836 раз боль-
ше массы электрона. Нейтрон представляет собой нейтральную элемен-
тарную частицу (заряд равен нулю) с массой в 1839 раз больше массы
электрона. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, ради-
ус которого около 1СГ13- 1СГ12 см. Ядро окружено облаком электро-
нов, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определя-
ются размерами его электронной оболочки и составляют 1СГ8 см, т. е. во
много раз превышают размеры ядра.
В обычных условиях атомы электрически нейтральны: число элект-
ронов оболочки равно числу протонов в ядре. При определенных усло-
виях атом может отдавать или присоединять дополнительные электро-
ны, нейтральность атома при этом нарушается, а атом превращается
в положительный или отрицательный ион.
Химическая природа атома однозначно определяется числом прото-
нов в ядре Z. Это число Z, называемое атомным номером, равно поряд-
ковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Они
определяют химическую активность вещества, его электропроводность,
некоторые другие свойства.
Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей и беспоря-
дочно передвигающиеся в междуатомном пространстве, называются
свободными. При наличии внешнего электрического поля движение
свободных электронов становится упорядоченным, направленным -
возникает электрический ток.
Электроны, расположенные в области действия электрических полей,
связывающих его с атомами или системой атомов, называются свя-
занными. Такие электроны в обычных условиях перемещаться не мо-
гут. От количества свободных электронов зависит электропроводность
вещества.
Рассмотренная выше планетарная модель атома, предложенная англий-
ским физиком Резерфордом, не способна была объяснить явления су-
ществования спектральных линий атомов и устойчивость самого атома.
Действительно, электрон, двигаясь с ускорением под действием
электростатического притяжения к ядру, должен по законам классиче-
ской электродинамики непрерывно излучать электромагнитные волны
и вследствие этого терять свою энергию. Радиус его орбиты должен не-
прерывно уменьшаться и в течение короткого времени электрон дол-
жен был бы упасть на ядро.
На самом деле практика показывает, что атомы устойчивы и их на-
блюдаемый оптический спектр не непрерывен, а состоит из закономер-
но чередующихся узких линий, которым соответствуют определенные
частоты, характерные для данного химического элемента.
10
Таким образом, законы классической механики и электродинамики
не могут объяснить поведение элементарных частиц в атоме. Объясне-
ние новых физических явлений дала квантовая теория строения ве-
щества.
1.2.	ЭЛЕКТРОНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем -
основной процесс в электровакуумных приборах. Законы движения
электронов в электрических, а также в магнитных полях будут рас-
смотрены позже. В этом параграфе мы познакомимся с изменением
скорости и энергии свободных электронов, движущихся в электриче-
ском поле.
Допустим, что свободный электрон помещен в однородное электри-
ческое поле, т. е. в поле, напряженность которого одинакова в любой
точке как по значению, гак и по направлению. На рис. 1.1 изображено
электрическое поле между двумя параллельными пластинами большой
протяженности. Последнее обстоятельство позволяет пренебречь крае-
вым эффектом. Если разность потенциалов между электродами U, а
расстояние между ними d, то напряженность поля
Е = U/d.	(1.2)
На электрон, помещенный в таком поле, будет действовать сила, равная
F=-eE.	(1.3)
Знак минус в правой части (1.3) указывает, что сила направлена проти-
воположно вектору напряженности поля Е. Под действием силы F
электрон будет перемещаться из точки В (рис. 1.1) с потенциалом
Ug в точку А с более высоким потенциалом UA. Поэтому поле в данном
случае является ускоряющим.
Обозначим скорость электрона в точке В через vg, а в точке А -
vA. Тогда при перемещении электрона из точки В в точку А его энер-
гия увеличится на mevA/2 — mevgj2. На основании закона сохранения
энергии приращение кинетической энергии электрона должно равняться
работе, затраченной электрическим полем на перемещение электрона,
mev2!2 - mevgl2 = e(UA~ Ug).
Если электрон, обладая начальной скоростью v0, а значит, и началь-
ным запасом энергии движется в направлении вектора Е, то он совер-
шает работу против сил поля и запас его кинетической энергии умень-
шается. Такое электрическое поле для электрона является тормозя-
щим. Следовательно, в зависимости от направления начальной скоро-
сти электрона электрическое поле может быть ускоряющим или тор-
мозящим.
11
Рис. 1.1. Движение электрона в однородном электри-
ческом поле (начальная скорость электрона направле-
на навстречу вектору напряженности поля)
Предположим, что в начале пути в точке В
скорость электрона равна нулю, тогда
mev2/2 = е U,
(1.4)
где U— разность потенциалов начала и конца пути электрона, т. е.
U=UA- UB
откуда
V = y/2(e/me)U.
(1-5)
Подставляя в (1.5) значение е/те - 1,759 • 1011 Кл/кг и U в вольтах,
получаем значение скорости
v = V2 • 1,759 • 1011 t/ « 600x/t/км/с.	(1.6)
Выражение (1.4) позволяет сделать следующие выводы: кинетиче-
ская энергия электрона зависит только от разности потенциалов, ко-
торую электрон прошел, и не зависит от формы пройденного пути;
пройденная разность потенциалов может служить мерой энергии
электрона. Если электрон прошел разность потенциалов 1 В, то его
энергия равна
eU= 1,602- 10-19 Кл • 1 В = 1,602- 10'*9 Дж.
Эту единицу для измерения энергии назвали электрон-вольтом (эВ).
1.3.	ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Под квантовой механикой понимают физическую теорию, описываю-
щую законы движения и взаимодействия элементарных частиц в масшта-
бе атома. В основу квантовой теории положены работы блестящей плея-
ды ученых разных стран: М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, В. Гейзен-
берга, Луи де Бройля и др.
В 1900 г., изучая тепловое излучение тел, М. Планк принял гипотезу,
в соответствии с которой электромагнитное излучение испускается и
поглощается определенными порциями (квантами). Энергия квантов
W пропорциональна частоте излучения v
W = hv,	(1.7)
где h — постоянный коэффициент (постоянная Планка), равный
6,62 • 1СГ34 Дж • с, имеющий размерность энергии, умноженной на время.
12
Гипотеза Планка противоречила основным положениям классиче-
ской теории о непрерывном испускании электромагнитных волн, но
позволяла хорошо описать экспериментальные данные.
Существенный шаг в развитии квантовой теории был сделан Н. Бо-
ром в 1913 г. Исходя из классических представлений о модели атома
и теории световых квантов, Н. Бор сформулировал три постулата:
существуют стационарные состояния атома, не изменяющиеся - во
времени без внешних воздействий. Этим состояниям соответствуют
стационарные орбиты, по которым движутся электроны и при этом
атом не излучает и не поглощает энергии;
в стационарном состоянии атома электроны, двигаясь по круговым
орбитам, имеют дискретные, квантованные значения момента им-
пульса:
' mevr = nh( (2тг),
где п — главное квантовое число, указывающее номер орбиты и при-
нимающее только целые значения (1, 2, 3 . . .); h — постоянная План-
ка; те — масса электрона; v — скорость движения электрона по ор-
бите п; г - радиус орбиты;
при переходе атома из одного стационарного состояния в другое
испускается или поглощается квант энергии. Излучение энергии про-
исходит при переходе атома из состояния с большей в состояние с
меньшей энергией, поглощение энергии атомом — из состояния с мень-
шей в состояние с большей энергией.
Например, если энергия атома в исходном (начальном) состоя-
нии Wn, а в конечном состоянии Wm, то разность энергий начального
и конечного состояний (Wn> Wm) будет излучена в виде кванта энер-
гии h v = W„ - Wm. Обратный переход электрона с более низкого уров-
ня Wm на более высокий уровень Wn связан с поглощением такой же
энергии.
В. Гейзенбергом был сформулирован принцип неопределенности
(1927 г.), в соответствии с которым электрон не может одновременно
иметь точные значения координат центра инерции и импульса Рх, рав-
ного mevx.
Соотношение неопределенностей записывается в виде
Ах&Рх >h.
Формула показывает, что чем точнее определена одна из величин х,
тем неопределеннее будет другая - Рх. Поэтому не имеет смысла гово-
рить о круговой орбите и траектории, по которой электрон движется
в атоме. С точки зрения квантовой теории боровские орбиты представ-
ляют собой геометрические места точек, в которых с наибольшей ве-
роятностью может быть обнаружен электрон. Именно этот физический
смысл мы будем иметь в виду, употребляя термин ’’орбита” для траек-
тории электрона в атоме.
13
В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что, не только
кванты света (фотоны), но и частицы вещества, в частности электроны,
наряду с корпускулярными свойствами (заряд, масса) обладают также
волновыми свойствами. Согласно этой гипотезе движению электрона
или любой другой частицы может быть приписана соответствующая
длина волны, равная
\=h/mev,	(1.8)
где X - длина волны микрочастицы; те - масса частицы; v ~ ско-
рость движения частицы; h - постоянная Планка.
На основе выдвинутой теории де Бройль сумел объяснить, что
электромагнитная энергия не излучается электроном, движущимся по
орбите, только в том случае, если на ней укладывается целое число
длин волн иХ, т. е. когда возникает стоячая волна.
Главное квантовое число п характеризует энергию электрона в атоме
и его удаление от ядра. Как было указано выше, оно может принимать
только целые значения 1, 2, 3 и т. д. Состояния электрона, определяе-
мые значениями квантового числа п, называют энергетическими уров-
нями. Значению п ~ 1 соответствует первый, ближайший к ядру энерге-
тический уровень. Его называют Х^-уровнем. На этом уровне электрон
обладает минимальной энергией. Остальные уровни обозначают бук-
вами L, М, N.
Кроме главного квантового числа, состояние электрона в атоме ха-
рактеризуется еще тремя квантовыми числами.
Орбитальное или побочное квантовое число I определяет момент
количества движения вокруг центра орбиты и может принимать зна-
чения целых чисел 0, 1, 2 . . ., меньших чем п (I < и), т. е. / = 0, 1, 2,
3,.. ., п - 1.
Энергетическим состояниям электрона, характеризующимся орби-
тальным числом I, присвоены следующие обозначения: I = 0 — s; I =
= 1 -р; I =2 -d- 1=3 -f.
Магнитное квантовое число m определяет ориентацию плоскости
орбиты в пространстве, оно может принимать значения в пределах
—I	< +1, г. е. пг = 0, ±1, ± 2 .. . ± (/ — 1), I.
Спиновое квантовое число s (или кратко спин) характеризует мо-
мент количества движения вокруг собственной оси. Спин электрона
может принимать только два значения (+ !/2 и —Ч2). Этим числом
определяется ориентация собственного механического момента элект-
рона относительно нормали к плоскости орбиты.
Вольфганг Паули в 1925 г. установил один из важнейших принци-
пов квантовой теории — принцип Паули, согласно которому в атоме не
может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокуп-
ностью квантовых чисел. Поэтому электроны в соответствии с их со-
стоянием в атоме каждого элемента распределены как бы по этажам
14
и образуют систему электронных оболочек. Количество электронных
оболочек в атомах различных элементов разное. Но количество элект-
ронов в одних и тех же заполненных оболочках атомов всех элемен-
тов одинаково. Так, в первой оболочке К может находиться только
2 электрона, во второй L - 8, в третьей М - 18, в четвертой N -
32 электрона. Максимальное число электронов, заполняющих каждую
из четырех оболочек, определяется по формуле
Nmax =2(ri)2.	(1.9)
В качестве примера рассмотрим распределение электронов в атоме
по возможным квантовым соотношениям для трех элементов периоди-
ческой таблицы Менделеева.
Заполнение электронных оболочек в атомах подчиняется двум огра-
ничениям: согласно принципу Паули в атоме не может быть двух
электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел п, I, т, s;
в нормальном состоянии атома каждый электрон занимает квантовое
состояние с наименьшей возможной, энергией.
Первый элемент — водород (Z = 1). В невозбужденном состоянии
его единственный электрон располагается на первом энергетическом
уровне, для которого п = 1. Тогда /=0,wi=0hs = + 1/2. Таким обра-
зом, электрон водорода может оказаться в любом из двух состояний:
п - 1,1 = 0, т = 0, s = 1/2 и п = 1, / =0, т = 0, s = —1/2. Два различных
одноквантовых состояния электрона в атоме водорода кратко мож-
но записать: 1s1, где 1 - номер энергетического уровня; s — состояние
электрона на этом уровне; 1 — количество электронов в данном
состоянии.
Два электрона в атоме гелия (Z = 2) заполняют оба одноквантовых
состояния; один в состоянии, определяемом квантовыми числами п =
= 1,1 = 0,т =0, s = 1/2, другой — п= 1,1 =0, т =0, s =-1/2, что соот-
ветствует записи: 1s2.
В атоме лития (Z = 3) два электрона могут занять оба состояния s
так же, как и электроны атома гелия, но третий электрон в соответ-
ствии с принципом Паули уже не может находиться в этом энергетиче-
ском состоянии и принужден занять следующее, более высокое энер-
гетическое состояние с п = 2. Для него и = 2, I = 0,m=0,s = 1/2. Кратко
квантовые состояния атома лития можно записать в виде. Is 2s •
1.4. ДИАГРАММА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ АТОМА
Согласно квантовой теории электроны в атоме могут иметь вполне
определенные (дискретные или квантованные) значения энергии. В си-
лу этого электроны могут двигаться вокруг ядра только по определен-
ным орбитам. Каждой орбите соответствует строго определенная энер-
гия электрона или разрешенный энергетический уровень. Разрешенные
15
Рис. 1.2. Диаграмма уровней энергии ато-
ма водорода
энергетические уровни отделены друг
от друга запрещенными интервалами.
На рис. 1.2 схематически изображен
энергетический спектр электронов в
атоме водорода. По оси ординат от-
кладывается значение энергии в элект-
рон-вольтах. Уровни, соответствующие
различным квантовым числам, изобра-
жены горизонтальными линиями. Са-
мый нижний уровень (и = 1) соответствует состоянию атома с наимень-
шей возможной энергией, он называется основным. Верхний уровень (и =
= °°) соответствует энергии ионизации W = 13,53 эВ. Такую энергию
необходимо затратить для отрыва от ядра электрона, находящегося на
основном уровне. Уровни с w > 2 называются возбужденными. При
отсутствии внешних воздействий атом находится в основном (невоэ-
бужденном) состоянии и его электрон расположен на ближайшей к
ядру орбите.
Поглощение энергии атомом сопровождается переходами электро-
на на один из возбужденных уровней. Подобные переходы электрона
называются возбуждением, а сам атом возбужденным. В возбужденном
состоянии атом находится очень короткое время, приблизительно 1СГ8 с,
после чего электрон возвращается непосредственно на основной уро-
вень или, задерживаясь на промежуточных уровнях, испускает при
этом энергию в виде фотонов.
1.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Наши рассуждения относились к изолированному атому, в котором
электрон может занимать один из ряда дискретных энергетических
уровней. При объединении N атомов (например, для образования кри-
сталла) между ними возникает сильное взаимодействие, которое при-
водит к расщеплению энергетических уровней. Из каждого энергетиче-
ского уровня, соответствующего квантовому числу и, получается поло-
са близко расположенных уровней (по числу N взаимодействующих
атомов — следствие принципа Паули). Совокупность группы этих близ-
ко расположенных уровней образует энергетическую зону.
Таким образом, вместо системы дискретных энергетических уровней
атома в кристалле появляется система энергетических зон (рис. 1.3).
В кристалле твердого тела объемом 1 см3 содержится приблизитель-
но 10“ — 1023 атомов. Учитывая, что ширина энергетической зоны не
16
Рис. 1.3. Энергетические уровни атома и энергети-
ческие зоны кристалла
Рис. 1.4. Схематическое изображение структуры энергетических зон твердого тела
превышает единиц электрон-вольт, можно считать, что соседние уровни
отличаются по энергии примерно на 1CF22 эВ. Следовательно, энергети-
ческие уровни образуют в зоне практически непрерывный спектр.
Разрешенные энергетические зоны отделены интервалами энергий,
которые электрон не может иметь. Эти интервалы энергий называются
запрещенными энергетическими зонами. Ширина запрещенных зон оп-
ределяется природой атомов, образующих кристалл, а также строением
и состоянием атомов, образующих монокристалл.
На рис. 1.4 показано схематическое изображение энергетических зон
твердого тела при температуре абсолютного нуля.
1 — разрешенная энергетическая зона, называемая заполненной.
В этой зоне все уровни заняты электронами. Верхнюю часть заполненной
зоны называют валентной Is.
3 — разрешенная энергетическая зона незаполненных уровней, назы-
ваемая свободной зоной. Нижняя часть этой зоны, на уровнях которой
при возбуждении могут находиться электроны, носит название зоны
проводимости З'. Между нижним уровнем (дном) зоны проводимости
Wc и верхним уровнем (потолком) валентной зоны Wv расположена
зона запрещенных энергетических уровней {запрещенная зона) 2.
Ширина запрещенной зоны ДИ7 является одним из важнейших пара-
метров, определяющих электрические свойства твердого тела, напри-
мер его электропроводность.
Для изображения энергетических зон твердого тела (проводников,
полупроводников и диэлектриков) воспользуемся упрощенными диаг-
раммами (рис. 1.5), на которых указаны валентная, запрещенная зоны
и зона проводимости. Нижняя часть заполненной зоны на диаграммах
не показана, так как электроны, Находящиеся в этой области, участия
в электропроводности не принимают.
17
Рис. 1.5. Диаграммы энергетических зон проводника (в), диэлектрика (б), полу-
проводника (в):
1 — валентная зона; 2 — запрещенная зона; 3 — зона проводимости
В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются и
электроны из валентной зоны могут легко переходить в зону проводи-
мости при любой температуре, т. е. могут участвовать, в процессе
электропроводности.
В диэлектриках и полупроводниках валентная зона отделена от зо-
ны проводимости запрещенной зоной AW. При температуре абсолютного
нуля в зоне проводимости этих веществ электронов нет и, следователь-
но, электропроводность отсутствует.
У диэлектриков ширина зоны AH' велика (не менее 3 эВ). Поэтому
в обычных условиях переход электронов в зону проводимости мало-
вероятен. Такие тела не способны проводить электрический ток и явля-
ются изоляторами.
В полупроводниках ширина запрещенной зоны относительно мала
(около 0,5—3 эВ). При таком значении AW и температуре, отличной от
абсолютного нуля, возможен переход некоторого числа электронов из
валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны обусловливают
в полупроводнике электронную проводимость, или проводимость п-
типа (от латинского слова negative — отрицательный). Одновременно
в валентной зоне из-за ухода электронов появляются свободные уров-
ни (электронные вакансии). Соседний электрон в валентной зоне может
занять этот уровень, создав тем самым новый вакантный энергетиче-
ский уровень и т. д. Смещение электронов в валентной зоне эквивалент-
но движению в противоположном направлении некоторой частицы -
’’дырки”, имеющей по отношению к электрону положительный заряд.
Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то
перемещение дырки станет направленным. Этот вид проводимости
полупроводника называется дырочной, или проводимостью р-типа
(от латинского слова positive — положительный).
Процесс одновременного образования электрона и дырки называ-
ется генерацией электронно-дырочных пар. Обратный процесс соеди-
нения электрона с дыркой называется рекомбинацией.
В химически чистом полупроводнике концентрация дырок в валент-
ной зоне равна концентрации электронов проводимости. Электропро-
18
Рис. 1.6. Энергетические диаграммы полупроводника:
а - с донорной примесью; б - с акцепторной примесью (7 - валентная зона;
2 - запрещенная зона; 3 - зона проводимости; 4 — валентные уровни донорных
атомов; 5 - свободные уровни акцепторных атомов)
водность, обусловленная одновременным участием в проводимости
электронов и дырок, называется собственной проводимостью полу-
проводника i-типа (от слова intrinsic — собственный).
Равенство концентраций электронов и дырок может нарушиться
из-за наличия атомов примесей. Если преобладает концентрация одного
из типов носителей заряда (электронов или дырок), то электропровод-
ность полупроводника называется примесной проводимостью. При-
меси бывают двух видов: донорные и акцепторные. Донорные при-
меси (доноры) отдают свои электроны и создают в кристалле полу-
проводника электронную проводимость (полупроводник типа и). Энер-
гетические уровни, создаваемые донорными примесями, располагаются
в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 1.6, а).
Атомы акцепторной примеси принимают на свои уровни валентные
электроны и тем самым обусловливают появление дырок. В результате
создается дырочная проводимость полупроводника (полупроводники
типа р). Свободные энергетические уровни, создаваемые акцепторной
примесью, расположены в запрещенной зоне вблизи потолка валентной
зоны (рис. 1.6,6).
Для ионизации примесных атомов требуется значительно меньшая
энергия, чем для перехода электронов из валентной зоны в зону про-
водимости.
1.6. РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ
Согласно квантовой статистике Ферми—Дирака функция распределе-
ния электронов металла по энергиям имеет вид, показанный на
рис. 1.7. По оси абсцисс отложена энергия электронов W, по оси орди-
нат — количество электронов А; на рис. 1.7 обозначено: Ир - уровень
(энергия) Ферми — максимально возможная энергия электронов в
металле при температуре абсолютного нуля.
19
Рис. 1.7. Распределение свободных электро-
нов в проводнике по энергиям
Из рис. 1.7 видно (кривая 1), что при температуре абсолютного нуля
наибольшее число электронов в проводнике имеет максимально возмож-
ную энергию Wp. Энергия Ферми зависит от концентрации электронов
проводимости в металле и определяется выражением:
где h — постоянная Планка; те — масса электрона; число свобод-
ных электронов в 1 см3 металла.
В зависимости от числа W энергия Wp принимает значения от еди-
ниц зВ (цезий, калий, натрий) до десятка эВ (алюминий, вольфрам
и др.).
Несмотря на то что электроны внутри металла обладают при тем-
пературе абсолютного нуля значительными энергиями, выхода их за
поверхность металла не наблюдается. Выходу электронов из металла
препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом.
Электроны, двигаясь в металле за счет собственной энергии, пере-
мещаются к поверхности, те, что обладают достаточной собственной
энергией, могут на короткое время выйти за пределы кристалличе-
ской решетки (не более 1СГ8 см). В этом случае у поверхности метал-
ла за счет вышедших электронов образуется электронный заряд, ко-
торый вместе с положительными зарядами, образовавшимися в ре-
зультате ухода электронов, создают двойной электрический слой
(рис. 1.8). Электрическое поле этого слоя препятствует выходу
электронов из металла, так как оно является тормозящим для них.
Если предположить, что некоторое количество электронов, обладаю-
щих энергией больше И)?, все же вышло за пределы в вакуум (на рас-
стояние, значительно превышающее междуатомное), то по законам
электрической индукции в металле должен быть наведен положитель-
ный заряд на том же расстоянии х от поверхности металла (рис. 1.9).
Между электроном и индуцированным зарядом (зарядом зеркаль-
ного изображения) действует сила взаимного притяжения, направ-
ленная внутрь металла и препятствующая их выходу. Следовательно,
для отрыва от поверхности металла электрону нужно сообщить до-
полнительно к его максимальной энергии Wp энергию К,, т. е. неко-
торую полную энергию или полную работу выхода Wa = Wp + Wo •
Энергия Wo = Wa - IVp, необходимая для переноса в бесконеч-
ность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Фер-
20
Рис. 1.8. Двойной электрический слой на поверхности про-
водника
Рис. 1.9. Образование силы, обусловленной наличием зеркально наведенного заряда
у поверхности металла
ми в данном материале, называется работой выхода. Затрата энергии
на перемещение электрона из металла в окружающее пространство
равна произведению заряда электрона е на пройденную разность по-
тенциалов в тормозящем поле <р0. Поэтому 1VO = е<р0, измеряется в
электрон-вольтах.
Работа выхода зависит в основном от междуатомного расстояния
твердого тела: чем расстояние больше, тем работа выхода меньше. На-
пример, у щелочных и щелочноземельных металлов (цезий, барий,
стронций и т. д.), имеющих большие расстояния между атомами в кри-
сталлической решетке, работа выхода невелика — около 1,8—2,5 эВ,
а у таких металлов, как молибден, вольфрам, платина, — 4—5,3 эВ,
т. е. почти в 2 раза больше.
Тормозящая разность потенциалов для вылетающих с поверхности
металла электронов представляет своего рода барьер, называемый
потенциальным или энергетическим. Энергетический барьер у поверх-
ности металла показан на рис. L10. По оси ординат отложена энергия
W, а по оси абсцисс — расстояние от поверхности металла х. Если поль-
зуются понятием потенциального барьера, то по оси ординат откладыва-
ют потенциал, равный у = W/e. В целом кривая показывает, какую ра-
боту надо совершить, чтобы переместить электрон на расстояние х от
поверхности тела. Участок аЬ соответствует максимальной энергии
электрона в металле Ир, высота барьера cd определяет полную энергию
Wa, необходимую электрону для выйета из металла в вакуум, раз-
ность энергий IVa и И'| — работу выхода электрона е <р0.
Работу выхода можно значительно изменить, если на поверхность
металла нанести тонкий одноатомный слой другого вещества. Если на
поверхности основного металла расположены атомы вещества, отдаю-
щие электроны данному металлу, то наблюдается уменьшение работы
выхода. Такие атомы вещества называются электроположительными
относительно основного металла (рис. 1.11,а).
21
Рис. 1.10. Энергетический барьер у поверхности металла
Рис. 1.11. Электроположительные (а) и электроотрицательные (б) атомы вещества
на поверхности металла
Объясняется это тем, что атомы, отдающие часть электронов основ-
ному металлу, превращаются в положительные ионы, которые совмест-
но с отрицательным зарядом основного металла создают двойной
электрический слой. Электрическое поле этого слоя является уско-
ряющим для выходящих из металла электронов, т. е. уменьшает работу
выхода. Так, одноатомная пленка тория снижает работу выхода воль-
фрама до 2,63 эВ.
Атомы вещества, отбирающего у основного металла электроны и
превращающиеся в отрицательные ионы (рис. 1.11, б), называются
электроотрицательными относительно основного металла. Слой таких
атомов на поверхности металла приводит к увеличению работы вы-
хода. Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличи-
вают работу выхода на несколько электрон-вольт.
Выход электронов возможен также «из полупроводников и диэлект-
риков. В этом случае необходимо затратить полную энергию, равную
сумме энергии для перевода электронов из валентной зоны в зону про-
водимости и энергии для выхода электронов проводимости за поверх-
ность полупроводника в вакуум. Работа выхода некоторых примесных
полупроводников может составлять около 1 эВ.
Контрольные вопросы и задания
1.	Назовите основные свойства электрона.
2.	Объясните связь энергии электрона с напряжением, ускоряющим
его. В каких единицах принято измерять эту энергию?
3.	Назовите основные положения теории атома по Бору.
4.	В чем заключается двойственность природы электрона?
22
5.	Объясните понятие ’’дискретность” для энергетических уровней
электронов в атоме.
6.	Как влияет на энергетические уровни взаимодействие отдельных
атомов при образовании кристалла?
7.	Что вы понимаете под разрешенными и запрещенными энергетиче-
скими эонами?
8.	В чем отличие валентной эоны от зоны проводимости?
9.	Объясните различие между металлами и полупроводниками?с доч-
ки зрения проводимости.
10.	Почему при температуре абсолютного нуля не наблюдается выход
электронов из металла?
Глава вторая
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
2.1.	ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Выше указывалось, что для выхода из вещества электрон должен
совершить работу выхода. Для этого электрону необходимо сообщить
извне дополнительную энергию. Явление испускания электронов с по-
верхности вещества в окружающее пространство называется электрон-
ной эмиссией. Электрод электровакуумного прибора, являющийся
источником электронной эмиссии, называется эмиттером или катодом.
В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии электро-
нам различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную элект-
ронную и электростатическую эмиссию.
2.2.	ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Термоэлектронная эмиссия — явление выхода электронов из нагре-
тых тел. Эта эмиссия в настоящее время широко используется как в
вакуумных, так и ионных приборах. С повышением температуры энер-
гия электронов проводимости эмиттера увеличивается и может оказать-
ся достаточной для совершения работы выхода. Чем выше температура
эмиттера, тем большее число электронов имеет энергию, достаточную
для того, чтобы покинуть эмиттер. Следовательно, с повышением тем-
пературы увеличивается количество испускаемых электронов, т. е.
ток электронной эмиссии с поверхности эмиттера.
Для вычисления тока термоэлектронной эмиссии необходимо опре-
делить число электронов, поступающих в единицу времени к поверх-
ности тела и обладающих энергией, достаточной для преодоления по-
тенциального барьера.
23
Рис. 2.1. Кривые распределения электронов по энергиям при различных темпера-
турах металла:
1 - Г =0 К; 2 - Г>0К; 5 - изображение потенциального барьера у поверх-
ности эмиттера
Рис. 2.2. Построение прямой Ричардсона
Согласно условию Ферми—Дирака распределение электронов в ме-
талле по энергиям определяется формулой
и/а -
ехр ---т---- + 1
г кТ
где dn — число электронов в 1 см3 металла, имеющих при Т = О К энер-
гию в интервале dW\ Т - термодинамическая температура; Wa - пол-
ная энергия электрона; — уровень Ферми; к — постоянная Больц-
мана; А — постоянный коэффициент.
Графическая зависимость отношения dn/dW от W получила назва-
ние дифференциальной кривой распределения энергии (рис. 2.1). На
этом же рисунке показан потенциальный барьер у поверхности тела
(эмиттера).
При температуре Т = О К (кривая 1) внутри металла электроны
имеют энергию, не превышающую Wp — эцергию Ферми.
При разогреве эмиттера до температуры Т > 0 часть электронов
имеет энергию больше WF и может покинуть металл (кривая 2).
Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяют по урав-
нению Ричардсона—Дэшмана:
J3 = АТ2ехр(-Ь/Т),	(2.1)
где А и b — постоянные термоэлектронной эмиссии, зависящие от
природы и чистоты поверхности металла;
А = 1200 А/(см2 К2); b = -е*0/к-,
D — проницаемость потенциального барьера для электронов; еср0 —
24
работа выхода, эВ; Т - термодинамическая температура эмиттера;
к - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 1(Г2 3 Дж/К.
Уравнение (2.1) показывает, что плотность тока термоэлектрон-
ной эмиссии J3 с поверхности металла зависит от работы выхода и
температуры. При данной температуре J3 определяется постоянны-
ми А и Ь. Последние можно определить, если уравнение записать в
логарифмической форме:
ln|J3/r2| = 1п|Л I -Ъ/Т.	(2.2)
Выражение (2.2) показывает, что In | J3/ Г2| зависит линейно от
величины 1/ Т и при построении должно дать прямую линию (прямую
Ричардсона). Определив экспериментальным путем значение плотности
тока при различных температурах и построив зависимость 1п| J3/T2\ —
= f (ЦТ) (рис. 2.2), найдем постоянные коэффициенты А и Ь. Прямая
КМ отсекает на оси ординат отрезок ОК =1пЛ, а тангенс угла наклона
прямой определяет коэффициент Ь, т. е. работу выхода, деленную на
постоянную Больцмана:
tg/3 = Ь = е<р0/к.
2.3.	ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
НА ТЕРМОЭЛЕКТРОННУЮ ЭМИССИЮ
Выше было рассмотрено уравнение для плотности тока термоэлект-
ронной эмиссии (2.1) в предположении, что внешнее электрическое
поле в вакууме отсутствует. Однако исследования показали, что внеш-
нее ускоряющее электрическое поле, приложенное между катодом и
анодом любого электровакуумного прибора, увеличивает электрон-
ную эмиссию. Это явление получило название эффекта Шоттки, суть
которого поясняется на рис. 2.3.
Кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой <ра, соответ-
ствующей полной работе выхода Wa при отсутствии внешнего электри-
ческого поля, линия 2 — распределение
потенциала внешнего электрического по-
ля для плоскопараллельных электродов.
Результирующая кривая 3 получена пу-
тем алгебраического сложения ординат
кривых 1 и 2. Из нее видно, что высота
потенциального барьера снижается на Д<р,
т. е. v’a'	следовательно, элект-
рону приходится совершать работу Wa,
меньшую чем Wa.
Рис. 2.3. Влияние внешнего электрического
поля на потенциальный барьер
25
С учетом эффекта Шоттки выражение для плотности тока термоэлект-
ронной эмиссии имеет следующий вид:
/э' =/эе4’39£,2/г,	(2.3)
где J3 определяется по (2.1); Е - напряженность электрического поля.
Формула (2.3) показывает, что плотность тока термоэлектронной
эмиссии катода увеличивается при наличии внешнего ускоряющего по-
ля. Эта формула справедлива только для катодов, имеющих идеально
гладкую поверхность. Для катодов с шероховатой поверхностью, где
напряженность поля меняется от точки к точке, ток эмиссии может
значительно возрасти.
2.4.	ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) — эмиссия
электронов из вещества под действием падающего на его поверхность
излучения. Фотоэффект был открыт Г. Герцем, фундаментальные ис-
следования этого явления выполнены А. Столетовым, а теоретические
объяснения с точки зрения квантовой теории света даны А. Эйнш-
тейном.
В электровакуумных приборах практическое применение имеет фо-
тоэлектронная эмиссия с поверхности твердьтх тел (металлов, полупро-
водников, диэлектриков) в вакуум. Рассмотрим основные закономер-
ности фотоэлектронной эмиссии.
Ток эмиссии Iф прямо пропорционален падающему потоку излу-
чения Ф при условии неизменности его спектрального состава (закон
Столетова)
/ф = 5Ф,
где S — коэффициент пропорциональности, называемый чувствитель-
ностью фотоэмиттера.
Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхно-
сти и температуре Т = О К существует минимальная частота v0 или мак-
симальная длина волны Хо (’’красная граница”) спектра излучения,
за которой фотоэлектронная эмиссия не наблюдается. Максимальную
длину волны Ко называют длинноволновым порогом фотоэффекта,
а соответствующую частоту v0 =с/Х0 - пороговой частотой.
Энергия фотонов в электрон-вольтах и длина волны излучения в
нанометрах связаны соотношением
hv= hc/X= 1236/X.
Зная длинноволновый порог фотоэффекта, можно найти наименьшую
энергию фотонов, при которой возникает фотоэлектронная эмиссия
hv0 = 1236/Хо-
26
Рис. 2.4. К объяснению явления фотоэлектрон-
ной эмиссии из металлов
Твердое тело Вакуум
Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов,
покидающих твердое тело, линейно возрастает с частотой излучения
и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).
Закон Эйнштейн# представляет собой частный случай закона со-
хранения и превращения энергии для одного элементарного акта фо-
тоэффекта. Объяснение закономерностей фотоэлектронной эмиссии
базируется на следующих положениях. Каждый фотон, энергия кото-
рого равна hv, проникая в твердое тело, взаимодействует только с
одним свободным электроном. Электрон с энергией W, поглотив один
фотон, увеличивает свою энергию на hv, т. е.
We = W + hv.
Электроны, энергия которых We больше полной работы выхода
Wa, а скорость направлена в сторону поверхности твердого тела, мо-
гут преодолеть потенциальный барьер и покинуть тело. При этом сле-
дует учитывать, что на пути к поверхности часть энергии электрона
может рассеяться.
Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии яв-
ляется квантовый выход Y, под которым понимают отношение числа
вылетевших электронов к числу падающих на фотокатод фотонов
У=ЛГе/ЛГф.	(2.4)
Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энер-
гии фотонов.
Составим уравнение баланса энергии электрона, участвующего в
эмиссии (рис. 2.4):
W + hv — ЛМ — Wa = mv212,
где ДИ7 — энергия, рассеянная электроном на пути к поверхности твер-
дого тела.
Очевидно, что максимальной энергией (mv212) будут обладать те
электроны, которые до поглощения энергии фотона имели максималь-
ную энергию Wmax.
Разность Wa - Wmax равна энергии, которую нужно сообщить
электрону, имевшему максимальную энергию при Т = О К, для того
чтобы он мог покинуть твердое тело. Очевидно, что эта энергия, назы-
ваемая работой выхода при внешнем фотоэффекте или фотоэлектрон-
21
ной работой выхода, равна hv0. Тогда выражение для максимальной
энергии вылетающих электронов может быть записано в виде
(mv2/2)mex = hv — hv0.	(2.5)
Уравнение (2.5) является математическим выражением закона
Эйнштейна.
При Т = О К наивысший заполненный уровень W'meJC в металле со-
впадает с уровнем Ферми WF, поэтому для металла
h v0 = е <р0.
В полупроводниках работа выхода е<р0 может значительно отли-
чаться от фотоэлектронной работы выхода hve. Это различие зави-
сит от ширины запрещенной зоны и типа проводимости полупро-
водника.
Следует отметить, что внешнее ускоряющее поле, как и в случае
термоэлектронной эмиссии, увеличивает фотоэмиссию за счет сниже-
ния потенциального барьера эмиттера.
2.5.	ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Вторичная электронная эмиссия (вторичная эмиссия) — эмиссия
электронов, обусловленная бомбардировкой поверхности эмиттера
электронами или ионами. Электроны, бомбардирующие поверхность
эмиттера, принято называть первичными, а испускаемые телом —
вторичными.
Предположим, что поток иэ п} первичных электронов эмитиру-
ется катодом и под действием ускоряющего напряжения направляется
Рис. 2.5. Схематическое изображение траекторий движения электронов в объеме
эмиттера
28
к эмиттеру (вторично-электронному катоду). Часть первичных
электронов Пу испытывает упругое отражение (рис. 2.5), другая часть
проникает внутрь тела и отдает там свою энергию электронам эмит-
тера. При этом одни первичные электроны могут полностью рассеять
свою энергию и остаться в эмиттере, другие, затратив часть энергии и
испытав неупругое отражение, выйти из эмиттера — «н- Внутренние
вторичные электроны возникают на различных расстояниях от поверх-
ности эмиттера. Получив избыточную энергию от первичных электро-
нов они движутся в различных направлениях объема тела, рассеивая
энергию. Те из них, которые сохраняют при движении к границе тело-
вакуум энергию, достаточную для преодоления потенциального барье-
ра, и покидают эмиттер, составляют поток истинно вторичных элект-
ронов и„)В. На рисунке сплошной линией показаны примерные траек-
тории движения в объеме эмиттера первичных электронов, тонкой ли-
нией - вторичных электронов, а кружками обозначены места их за-
рождения.
Таким образом, поток вторичных электронов не однороден по со-
ставу и включает в себя поток истинно вторичных электронов «и1В,
упруго- и неупругоотраженных электронов (Иу и соответственно):
«2 = «и,в + Пу + Пн.
Вторичная эмиссия количественно характеризуется коэффициен-
том вторичной эмиссии а, представляющим собой отношение числа
вторичных электронов «2 к числу первичных «1 или отношение вто-
ричного тока 1г к первичному Ц :
а = Дг/гч =	•
Коэффициент а зависит от материала эмиттера, состояния его по-
верхности, структуры и плотности, энергии первичных электронов
и угла их падения.
Зависимость а от напряжения ускорения первичных электронов по-
казана на рис. 2.6. При увеличении ускоряющего напряжения (энергии
первичных электронов), коэффициент а в начале плавно возрастает, пе-
реходит через максимум, а затем медленно падает. Значения отах и
Umax зависят от материала эмиттера. Рост коэффициента а объясняется
тем, что при увеличении скорости первичных электронов возрастает их
глубина проникновения в эмиттер. Поэтому увеличивается и число вто-
ричных электронов, вылетающих с данной глубины. При дальнейшем
29
Рис. 2.7. Условия выхода вторичных электронов в зависимости от угла падения
(Л1, йг — длина пробега первичных электронов)
Рис. 2.8. Относительное распределение вторичных электронов по энергиям
увеличении ускоряющего напряжения первичные электроны проника-
ют на глубину, превосходящую некоторую предельную ho. для данного
вещества, и а уменьшается. Выход вторичных электронов с глубин,
больших предельной, затруднен из-эа рассеяния энергии при много-
численных столкновениях с электронами эмиттера.
Для большинства чистых металлов значение отах невелико (0,5—
1,8). В фотоэлектронных умножителях для получения больших зна-
чений Отах применяют полупроводниковые материалы и окисленные
сплавы, например AlMg, AgMg, CuBe.
Зависимость коэффициента о от угла падения показана на рис. 2.7.
Угол падения отсчитывается от нормали к поверхности эмиттера до
направления движения первичных электронов. Установлено, что при
увеличении угла падения <р значение а возрастает. Чем больше угол па-
дения <р, тем ближе к поверхности образуются вторичные электроны
и, следовательно, больше вероятность их выхода.
Распределение вторичных электронов по энергиям при энергии пер-
вичных электронов, равной 150 эВ, показано на рис. 2.8. Область I
соответствует истинно вторичным электронам, начальные энергии кото-
рых распределены в диапазоне 0-50 эВ. Максимальное число вторич-
ных электронов обладает энергией около 5—15 эВ. Значительное число
электронов покидает эмиттер со скоростью, примерно равной скорости
первичных электронов (область III), — это упругоотраженные пер-
вичные электроны. Электроны, покидающие эмиттер с энергиями 50—
150 эВ (область II), составляют группу неупругоотраженных первич-
ных электронов.
Следует отметить, что прямой зависимости между коэффициентом о
и работой выхода материала эмиттера нет. Основными процессами в
явлении вторичной эмиссии являются процессы внутри объема эмит-
тера — образование и движение к поверхности вторичных электронов.
Эти процессы зависят в основном от атомно-молекулярной структуры
эмиттера и других факторов, указанных выше.
30
Вторичная электронная эмиссия лежит в основе работы фотоэлект-
ронных умножителей, приемных, передающих, запоминающих трубок
и других приборов. Вторичная эмиссия может происходить также при
бомбардировке поверхности эмиттера тяжелыми частицами — ионами.
Такая эмиссия наблюдается иэ катодов при некоторых видах электри-
ческого разряда в газе (см. §25.2).
2.6.	ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
Электростатической (автоэлектронной) эмиссией называют эмис-
сию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного
электрического поля (напряженность Е» 108 В/см).
Явление автоэлектронной эмиссии не может быть объяснено с по-
мощью законов классической механики и электродинамики, базирую-
щихся на представлении электрона в виде частицы. Объяснение дает
квантовая механика на основе изучения волновых свойств элект-
рона.
При сильном внешнем электрическом поле потенциальный барьер
понижается и становится узким (рис. 2.9). При таких узких барьерах
существует некоторая вероятность проникновения электронов туннель-
ным способом — не над потенциальным барьером, а сквозь него. Со-
гласно квантовомеханическим представлениям эта, вероятность ста-
новится значительной, когда длина волны электрона становится соиз-
меримой с шириной потенциального барьера.
Плотность тока автоэлектронной эмиссии для металлов (Г = 0 К)
выражается формулой Фаулера—Нордгейма:
/э,э = ^41£'2ехр(-51/£),	(2.6)
где А! и 51 — универсальные постоянные, куда входит работа выхода;
Е - напряженность электрического поля.
Рис. 2.9. К пояснению электростати-
ческой эмиссии
Рис. 2.10. Зависимость тока электростатической эмиссии от напряженности поля
31
Автоэлектронные катоды имеют, как правило, весьма малую эмит-
тирующую поверхность и обеспечивают при этом плотность тока эмис-
сии до 108 А/см2.
Как и для термоэлектронной эмиссии, уравнение (2.6) после пре-
образования запишем в логарифмической форме:
1п|J3,3/E*\ = InMJ -BJE.
Зависимость ln| J3,3/E\ = /1 1/F| на рис. 2.10 изображена прямой
линией. Постоянная Аг определяется отрезком ординаты 1п|Л]|, а
вг -ымн/а/я) =tgp.
Электростатическая эмиссия лежит в основе работы некоторых
ионных приборов (экситронов, игнитронов и др). В отдельных слу-
чаях эта эмиссия оказывает вредное влияние на работу электрова-
куумных приборов и ее следует учитывать.
Контрольные вопросы и задания
1.	Как связана плотность тока термоэлектронной эмиссии с темпе-
ратурой и работой выхода? Какой из этих двух факторов являются
определяющим?
2.	Почему ускоряющее электрическое поле, приложенное между
катодом и анодом электровакуумного прибора, увеличивает плот-
ность тока термоэлектронной эмиссии?
3.	Назовите основные законы фотоэлектронной эмиссии.
4.	Что вы понимаете под длинноволновым порогом фотоэффекта?
5.	От каких факторов зависит максимальная энергия вылетающих
электронов из эмиттера при внешнем фотоэффекте?
6.	Что вы понимаете под коэффициентом вторичной электронной
эмиссии? От каких факторов он зависит?
7.	Сравните уравнения для плотности тока при термоэлектронной
и электростатической эмиссиях.
Глава третья
ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
3.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫХ КАТОДОВ
В подавляющем большинстве электровакуумных приборов в каче-
стве источника свободных электронов используются термоэлектрон-
ные катоды (термокатоды).
Терллокатоды принято классифицировать по способу нагрева и виду
эмиттирующей поверхности. По способу нагрева катоды можно разде-
лить на прямоканальные и подогревные (косвенного накала). В прямо-
32
канальных конструкциях нагрев катода осуществляется непосредствен-
нь1м пропусканием тока по телу катода, а в подогревных — при помощи
подогревателя, расположенного в полости катодного керна и изоли-
рованного от него.
По виду эмиттирующей поверхности современные термокатоды
условно делят на следующие группы: металлические (вольфрамовые,
танталовые, молибденовые и т. д.); пленочные (торированный воль-
фрам, карбидированный торированный вольфрам); полупроводнико-
вые (в основном оксидные катоды и их варианты); специальные типы
эффективных катодов (металлопористые, прессованные, пропитанные
или импрегнированные и подобные им катоды).
При работе в электровакуумных приборах катоды должны обеспе-
чивать следующие требования:
эмиттировать необходимый поток электронов в течение всего срока
службы;
быть устойчивыми к бомбардировке нейтральными и заряженными
частицами;
эмиссионный материал катода должен обладать достаточно высокой
температурой плавления, допускающей его обработку при температурах
выше рабочей во время откачки прибора в целях обезгаживания и очист-
ки от поверхностных загрязнений;
иметь необходимую электрическую проводимость, низкую скорость
испарения, высокую механическую прочность.
3.2.	ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОКАТОДОВ
Различные типы катодов сравнивают между собой по следующим
параметрам: удельной эмиссии, удельной мощности накала, эффектив-
ности, рабочей температуре и долговечности.
Удельная эмиссия (плотность тока эмиссии) 73, А/см2, — ток элект-
ронной эмиссии с 1 см2 поверхности катода. Удельная эмиссия зависит
от температуры и работы выхода катода и определяется выражением
(2.1). У современных катодов удельная эмиссия составляет приблизи-
тельно 0,1-0,5 А/см2.
Удельная мощность накала Рн — мощность, Вт, затрачиваемая на
1 см2 рабочей поверхности катода. Удельная мощность накала является
характеристикой потребления энергии катодом.
Для нагрева катода затрачивается мощность источника питания,
зависящая от температуры, свойств материала и размеров катода.
Если к катоду подвести определенную мощность, то температура его
будет расти до тех пор, пока не установится равенство подводимой
и отдаваемой мощностей.
Подводимая к катоду мощность накала расходуется на излучение
энергии в окружающее пространство, эмиссию электронов, а также
часть мощности теряется из-за теплопроводности держателей катода.
2-6353	33
Доля излучаемой мощности Р^, Вт/см2, может быть определена в
соответствии с уравнением Стефана—Больцмана:
Р* =еоТ4,
где а = 5,67 • 1(Г12 Вт/(см2 К4) - постоянная Стефана-Больцмана;
е — коэффициент излучения, равный отношению излучательной спо-
собности данной поверхности к излучательной способности абсолютно
черного тела. Для абсолютно черного тела е = 1, а для всех реальных'
тел е < 1. Из формулы следует, что охлаждение катода будет тем мень-
ше, чем меньше коэффициент излучения.
Потеря мощности за счет эмиссии электронов и теплоотвода держате-
лями катода (для катодов из длинных тонких проволок или лент) ма-
ла по сравнению с потребляемой катодом мощностью. Для массивных
катодов потери мощности на теплоотвод держателями могут составить
несколько десятков процентов. Для катодов, у которых можно пре-
небречь теплоотводом по сравнению с излучаемой мощностью, прибли-
женно можно считать, что всю потребляемую энергию катод отдает в
виде энергии излучения, т. е.
Р> Р» = е°Т4.
Эффективность катода Н, мА/Вт, — ток электронной эмиссии 1Э
на 1 Вт мощности, затраченной на разогрев катода:
Я= 1Э/РН.
Эффективность является наиболее важным параметром катода,
оценивающим его экономичность. Чем меньше мощность цепи накала,
при которой можно получить необходимый ток, тем выше эффектив-
ность. Эффективность катодов составляет приблизительно 2—120 мА/Вт.
Рабочая температура Траб, К, - это температура, при которой дости-
гается требуемая удельная эмиссия. Чем ниже рабочая температура ка-
тода, тем меньшую мощность нужно затрачивать на его нагрев и, следо-
вательно, экономичность катода выше. Температура катода определяет
также тепловой режим электродов прибора и баллона. С этих точек зре-
ния целесообразно применять в приборах катоды, дающие необходимую
удельную эмиссию при возможно более низкой рабочей температуре.
В ряде случаев наряду со сравнительно низкотемпературными (Траб =
= 1000 •г 1100 К) применяют и высокотемпературные катоды (Траб =
= 2400 -г 2600 К), более устойчивые к неблагоприятным воздействиям.
Долговечность катода - время непрерывной работы в часах при нор-
мальных условиях эксплуатации, в течение которого катод сохраняет
свои основные параметры в пределах нормируемых. Долговечность
современных катодов составляет 500—10000 ч.
Эмиссионные свойства катодов характеризуются эмиссионной ха-
рактеристикой, представляющей собой зависимость тока эмиссии от
34
Рис. 3.1. Эмиссионная 1Э = f(UH) и накальная
/н = характеристики катода
температуры катода. Измерение темпе-
ратуры катода в готовых приборах со-
пряжено с определенными трудностями,
проще контролировать ток или напряже-
ние накала. Поэтому в качестве эмисси-
онных характеристик используют зависи-
мости Z3 =/(17н) или 1Э -f (ZH) (рис. 3.1).
Кривые снимают при постоянном анодном напряжении, обеспечивающем
попадание всех эмиттируемых электронов на анод прибора. На рис. 3.1
представлена также накальная характеристика /н = / (17н), снятая при
анодном напряжении, равном нулю. Нелинейность накальной характери-
стики объясняется ростом сопротивления нити накала при ее разогреве.
3.3.	ВОЛЬФРАМОВЫЕ КАТОДЫ
В настоящее время наиболее распространенным металлическим ка-
тодом является вольфрамовый (рис. 3.2), обладающий высокой тем-
пературой плавления [ (3683 ± 20) К], достаточной технологичностью
(ковкостью и тягучестью). Последнее свойство позволяет изготовлять
из него проволоку толщиной от единиц микрона до нескольких милли-
метров. Рабочая температура катода составляет 2370—2600 К. Причем
эффективность его мала и меняется от 2 до 10 мА/Вт. Это является
основным недостатком вольфрамового катода. При температуре като-
да около 2500 К долговечность составляет более 1000 ч при плотности
тока эмиссии до 0,5 А/см2.
Рис. 3.2. Конструкции вольфрамовых катодов прямого накала:
а — для цилиндрических систем электродов; б - идя плоских систем элект-
родов
35
Важным свойством вольфрамового катода является стабильность
эмиссии, способность хорошо работать при небольших разрежениях
(10~3 Па), устойчивость к ионной бомбардировке под воздействием
сильных электрических полей. Эти положительные свойства позволяют
использовать вольфрамовые катоды в мощных высоковольтных лам-
пах и рентгеновских трубках.
3.4.	ПЛЕНОЧНЫЕ КАТОДЫ
Пленочные катоды представляют собой металлическую поверхность,
покрытую атомным или молекулярным слоем другого электроположи-
тельного вещества. Выше указывалось, что подобные системы имеют
существенно меньшую работу выхода электронов, чем катоды из чис-
тых металлов (см. § 1.6).
К пленочным катодам относится торированный и карбидированный
торированный вольфрам (карбидированный катод) (рис. 3.3). Катоды
из торированного вольфрама в настоящее время полностью вытеснены
карбидированными и полупроводниковыми катодами из-за недолговеч-
ности ториевой пленки (активного слоя) на поверхности вольфрама
при применении высокого анодного напряжения.
Устойчивость работы торированного катода повышается при его
карбидировании, которое заключается в обработке вольфрамовой про-
волоки с примесью оксида тория в количестве 0,5-2% в парах углево-
дорода (например, бензола) при температуре около 1600 К. При разло-
жении бензола выделяется углерод, который диффундирует в глубь
вольфрама и вступает в химическое соединение с ним. В результате на
поверхности катода образуется карбид вольфрама W2C (рис. 3.3, б).
Экспериментальным путем установлено, что доля поперечного сечения
проволоки, превращенного в карбид, должна составлять 30%. Дальней-
шее увеличение процента карбидирования приводит к повышению хруп-
кости катода.
Процесс активирования катода происходит в вакууме в два этапа
при температуре около 2800 К в течение 1—2 мин и при пониженной
температуре (2000—2300 К) в течение 15—20 мин. В результате акти-
вирования происходит формирование одноатомной пленки тория на
слое карбида.
[отоогототототоото^тотоззд
[о1о:о:оюжо:о»:одо1о:оо1о]
-Th

а)
Рис. 3.3. Структура торированного (а) и карбидированного (6) катодов
36
Присутствие слоя карбида вольфрама увеличивает прочность сцеп-
ления пленки тория с поверхностью подложки (W2C) по сравнению
с поверхностью чистого вольфрама, повышает устойчивость катода к
ионной бомбардировке при высоких анодных напряжениях.
К недостаткам данного типа катода следует отнести хрупкость, а
также склонность покрываться трещинами при многократном нагреве
и охлаждении иэ-эа различия коэффициентов расширения вольфрама
и карбида вольфрама. Рабочая температура катода приблизительно
2000—2600 К, удельная эмиссия 1,0—2,0 А/см2, эффективность 50—
70 mA/Вт. Конструкции карбидированных катодов аналогичны воль-
фрамовым.
3.5.	ОКСИДНЫЕ КАТОДЫ
i
Из оксидных катодов наибольшее распространение получили като-
ды на основе оксидов щелочноземельных металлов и оксидно-то-
риевые.
Катоды иа основе оксидов щелочноземельных металлов представля-
ют собой (после операции активирования) металлический керн (под-
ложку), поверхность которого покрыта окислами щелочно-земель-
ных металлов - бария, стронция и иногда кальция. Эти оксиды хими-
чески нестойки, вступают в реакцию с влагой и углекислым газом.
По этой причине их наносят на керн катода в виде карбонатов.
Применение других химических соединений щелочноземельных ме-
таллов нецелесообразно по разным причинам. Например, азотнокислые
соли, разлагаясь, выделяют вредные активные газы, окисляющие дета-
ли прибора и сам керн катода.
Рассмотрим один из способов изготовления оксидных катодов.
Основой катода является металлический керн различной конструкции.
В качестве материалов керна чаще всего используют различные сорта
никеля, вольфрама или их сплавов с присадками (магний, вольфрам,
кальций, цирконий и др.). Присадки служат активаторами, способствую-
щими образованию свободного бария в оксидном покрытии.
На обработанный керн катода наносят карбонатную суспензию (Ва,
Sr)CO3 — двойной карбонат или (Ba, Sr, Са)СО3 — тройной карбонат,
замешанную на связующем органическом веществе — биндере
(рис. 3.4,а).
После нанесения карбонатной суспензии и последующей сушки каче-
ство катода контролируют, т. е. определяют массу, толщину и состоя-
ние поверхности покрытия катода. Затем заготовку катода монтируют
в прибор и дальнейшую обработку ее ведут на вакуумной установке,
где она подвергается обеэгаживанию, а затем активированию.
Обезгаживание производится прокаливанием катода. При этом про-
исходит разложение карбонатов на оксиды и газ СО2, который удаля-
37
Рис. 3.4. Структура оксидного катода:
а - после нанесения карбонатного покрытия; б - после разложения карбонат-
ного покрытия; в — после активирования катода; 1 — керн; 2 — карбонатное по-
крытие; 3 - оксиды щелочноземельных металлов; 4 - запирающий слой; 5 - ато-
мы свободного бария
ется во время откачки. Структура катода после обезгаживания пред-
ставляет собой твердый раствор (Ba, Sr, Са) (рис. 3.4, б).
Активирование катода заключается в кратковременном нагреве его
до температуры 1250—1300 К при одновременной подаче на анод поло-
жительного напряжения. При этом в толще оксидного слоя образуются
атомы свободного бария.
В процессе формирования структуры оксидного катода протекают
следующие реакции:
при высокой температуре й высоком вакууме термическая диссо-
циация окисла бария
2ВаО -* 2Ва + О2;
восстановление бария из окиси в результате воздействия активи-
рующих присадок керна
2ВаО + Si -* 2Ва + SiO2;
взаимодействие окислов бария с углеродом или окисью углерода
2ВаО + С -* 2Ва + СО2;
электролиз окиси бария при прохождении сквозь оксидный слой
тока
ВаО -> Ва++ + О-.
Введение присадок в материал керна наряду с улучшением про-
цесса активирования дает нежелательный эффект. За счет образования
оксидов и солей присадок, в частности Ba2SiO4, в приграничном слое
керн—оксид создается запирающий слой (рис. 3.4, в), обладающий зна-
чительным омическим сопротивлением и препятствующий отбору тока.
38
Для окончательного активирования катод в готовом приборе подвер-
гается специальной электрической обработке — тренировке, в результате
которой катод приобретает стабильную высокую эмиссию. Оксидный
катод в готовом приборе после операции активирования и тренировки
представляет собой металлический керн, на поверхности которого на-
ходится твердый раствор оксидов бария, стронция и кальция. Атомы
бария, равномерно распределяясь в толще и на поверхности слоя окси-
дов, превращают последний в примесный полупроводник n-типа. При-
сутствие окиси стронция и кальция в трехкомпонентном оксиде спо-
собствует увеличению эмиссионной способности катода и его прочности.
В некоторых приборах эмиссия с оксидных катодов происходит в
течение коротких импульсов, что достигается импульсной подачей
анодного напряжения. В таком режиме при длительности импульса
около 10 мкс и скважности 100 плотность тока может достигать 15—
20 А/см2. Возможно получение плотности тока до 100 А/см2 при дли-
тельностях импульсов не более 1—2 мкс (с таких же катодов в
непрерывном режиме получают плотность тока 0,5 А/,см2).
Резкое увеличение эмиссионной способности оксидного катода в
импульсном режиме объясняется наличием у поверхности катода внеш-
него ускоряющего электрического поля. С увеличением длительности
импульсов и частоты посылок плотность тока уменьшается и приближа-
ется к плотности тока, соответствующей непрерывному режиму. За
время паузы катод восстанавливает свои эмиссионные свойства. Умень-
шение тока эмиссии оксидного катода в течение действия импульса
происходит в основном из-за наличия запирающего слоя на границе
оксид—керн.
Оксидный катод получил наиболее широкое распространение в
электровакуумных приборах — электронных лампах, приборах СВЧ,
электронно-лучевых и газоразрядных приборах.
Основными преимуществами оксидного катода являются малая ра-
бота выхода (1,1—1,2 эВ), высокая эффективность (около 100мА/Вт),
высокая эмиссионная способность при относительно низкой рабочей
температуре — приблизительно 900—1100 К.
Из недостатков оксидного катода следует отметить: отравление его
остаточными газами (О2, СО, Н2О) и как результат снижение эмиссион-
ной способности; недостаточно прочное сцепление оксидного слоя с
керном катода; разрушение оксидного слоя под действием сильных
электрических полей и при бомбардировке его ионами; повышенное
сопротивление запирающего слоя, которое может привести к искре-
нию, пробоям и соответственно превышению температуры и разрушению
катода.
Для увеличения поверхности контакта оксидного покрытия с кер-
ном катода ее покрывают губкой, поры которой заполняет активное
эмиссионное вещество. Такие катоды называют синтерированными
или металлогубчатыми. Основным материалом губки, используемым
39
для изготовления синтерированных катодов, является порошок никеля
с размером частиц от 20 до 200 мкм.
Применение чистых сортов никелевых сплавов (не более 0,015%
примесей) для изготовления керна катода и губки предотвращает обра-
зование запирающего слоя.
Оксидно-ториевые катоды представляют собой керн из тугоплав-
кого металла, на поверхности которого находится спеченная губка,
как правило, из такого же материала, что и керн. В порах губки рас-
пределена окись тория и атомы свободного тория.
К оксидно-ториевым катодам предъявляется ряд специальных тре-
бований, связанных с условиями их эксплуатации в приборах СВЧ,
генераторных лампах и других приборах: большие плотности тока в
непрерывном и импульсном режимах, устойчивость активного слоя к
электронной и ионной бомбардировке, отсутствие распыления актив-
ного слоя при высокой рабочей температуре, устойчивость к отравлению
и искрению.
При изготовлении оксидно-ториевых катодов в качестве материалов
керна катодов используют тугоплавкие чистые металлы: тантал (ТВЧ),
молибден (МЧ), вольфрам (ВА-Зи), рений.
Для улучшения сцепления активного слоя с керном катода послед-
ний покрывают порошком тугоплавкого металла (губчатое по-
крытие) .
После операции спекания в губчатое покрытие методом пульвери-
зации или катафореза вводят активное вещество — окись тория. Окись
тория устойчива на воздухе в отличие от оксидов щелочноземельных
металлов. Поэтому эти катоды первоначально обычно обезгаживаются
до монтажа катода в прибор, что сокращает время откачки прибора.
Активирование оксидно-ториевого катода производится в приборе
и заключается в восстановлении атомов тория из оксида при медленном
повышении температуры. Максимальная температура активирования
для катодов косвенного накала около 1800 К и приблизительно 2400 К
для прямоканальных.
При нагревании катода до указанных температур происходят следую-
щие процессы:
восстановление свободного тория вольфрамом
ThO2 + W-> Th + WO2;
образование свободного тория в процессе термической диссоциа-
ции оксида тория
ThO2^Th+ О2.
Оксидно-ториевый катод, так же как и оксидный, является полупро-
водником с электронной проводимостью (рис. 3.5). Достоинством
оксидно-ториевого катода является: стойкость активного вещества к
40
Рис. 3.5. Конструкция оксидно-ториевых катодов:
а,б- катоды косвенного накала; в - катод прямого накала
отравлению, электронной и ионной бомбардировкам, отсутствие ис-
крения.
6 нем отсутствует запирающий слой, вследствие чего такие катоды
могут работать в импульсном режиме при больших плотностях тока
катода.
В непрерывном режиме эти катоды обеспечивают плотность тока
до нескольких ампер на 1 см2, а в импульсном — до 20 А/см2. Работа
выхода оксидно-ториевого катода около 2,5-2,7 эВ, а рабочая тем-
пература 1600-1800 К.
3.6.	СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ЭФФЕКТИВНЫХ КАТОДОВ
Металлокапиллярные катоды (£-катоды) относятся к пленочным
термокатодам, в которых одноатомная пленка бария непрерывно по-
полняется за счет поступления атомов бария из специальной камеры с
большим запасом активного вещества (рис. 3.6). Катод состоит из
молибденового корпуса 1, в камере которого содержится активное
вещество 2 — карбонат бария или двойной карбонат бария-стронция.
Сверху в корпус запрессован колпачок или цилиндр из пористого воль-
фрама (губки) 3, изготовленного из порошка марки ВЧДК. Толщина
губки не превышает 1 мм, а размер ее пор около 0,8-1,2 мкм. Нагрев
катода до требуемой температуры осуществляется подогревателем 4.
Изготовление Z-катодов сводится к получению пористой вольфра-
мовой губки, формированию молибденового корпуса, сочленению его
с вольфрамовым колпачком (цилиндром), термическому обезгажи-
ванию и активированию.
К достоинствам L -катодов следует отнести высокую надежность
и электрическую прочность, устойчивость к ионной бомбардировке,
большую плотность тока как в непрерывном, так и в импульсном
режиме.
Недостатками являются сложность изготовления, интенсивное испа-
рение активного вещества и напыление его на электроды, что приводит
к нежелательной эмиссии с их поверхностей. L -катоды используют в
41
Рис. 3.7. Пропитанный катод:
Рис. 3.6. Схема Z-катода
1 - молибденовый корпус; 2 - подогреватель; 3 - губка; 4 - донышко
приборах СВЧ, некоторых типах электронно -лучевых приборов. Рабо-
чая температура Z-катода лежит в интервале 1350-1420 К, долговеч-
ность достигает 5000 ч при плотности тока порядка 2 А/см2.
В металлопористых, прессованных и пропитанных катодах в отличие
от L -катодов запас активного вещества помещается не в специальной
камере, а в порах самой губки. Исходными компонентами прессован-
ных катодов являются тугоплавкий металлический порошок (обычно
вольфрам) и активное вещество — алюминаты или вольфраматы ба-
рия и кальция. Эти компоненты после тщательного перемешивания
спрессовывают при удельном давлении (15 -г 20)  104 Н/см2.
У пропитанных, или импрегнированных, катодов пористая вольфра-
мовая губка пропитана алюминатами, вольфраматами и силикатами
щелочноземельных металлов (рис. 3.7).
Технология изготовления таких катодов заключается в следующем.
Из вольфрамового порошка изготовляют штабики. Для улучшения
механической обработки их меднят, после чего из них вытягивают
катоды требуемой формы, вытравливают и испаряют медь.
Пропитка губки активным веществом производится в водороде
при температуре 2000—2100 К. После очистки губки от избытка актив-
ного вещества ее закрепляют пайкой, злектронно-лучевой сваркой
или другими способами. Как и L -катоды, прессованные и пропитанные
катоды обладают стойкостью к тепловым перегрузкам, ионной бомбар-
дировке и остаточным газам, что является ценным при использовании
в СВЧ-приборах.
К недостаткам прессованных и пропитанных катодов следует отне-
сти большую скорость испарения активных веществ и высокую рабо-
чую температуру. Рабочая температура прессованных и пропитанных
катодов около 1400 К, их долговечность достигает нескольких тысяч
часов при удельной эмиссии 6 А/см2. Рассмотренные катоды применя-
ются в основном в приборах СВЧ.
Катоды на основе иттрия и редкоземельных элементов — разновид-
ность оксидно-ториевых катодов. Активным веществом этих катодов
42
3	2	7
Рис. 3.8. Конструкция металлокерамического катода:
1 - молибденовый керн; 2 - металлокерамические
шайбы; 3 - молибденовое кольцо
Рис. 3.9. Прямонакальный гексаборидный катод:
1 - танталовая лента; 2 - эмиссионное покрытие
являются оксиды редкоземельных элементов груп-
пы'лантаноидов: лантана, лютеция, гадолиния, а
также иттрия.
Исследования оксидов редкоземельных элемен-
тов показали их повышенную стойкость при вы-
соких температурах к электронной и ионной бом-
бардировкам и достаточно высокие эмиссионные
свойства по сравнению с торием.
Как и у оксидно-ториевых катодов, активное вещество вводят в губ-
чатую поверхность катода. Рабочая температура катодов на основе ок-
сидов лютеция и гадолиния около 1400 К, лантана несколько ниже,
а иттрия примерно 1600—1700 К.
Металлокерамические катоды (керметкатоды) изготовляют из по-
рошков вольфрама, оксидов тория, иттрия и редкоземельных элементов
методами металлокерамики, т. е. путем прессования заготовок тре-
буемых размеров и последующего спекания в атмосфере водорода при
высокой температуре (рис. 3.8).
В процессе активирования на поверхности катода образуется моно-
атомная равномерная пленка тория или редкоземельных металлов.
Удельная эмиссия составляет в непрерывном режиме 0,5 А/см2, в им-
пульсном — до 15 А/см2. Долговечность металлокерамических катодов
при температуре 1500—1900 К достигает нескольких тысяч часов.
Эти катоды по сравнению с губчатыми имеют более гладкую по-
верхность и, следовательно, менее подвержены искрению. Наличие
большого запаса активного вещества на большой глубине увеличи-
вает долговечность этого катода. Керметкатоды применяют в СВЧ-
приборах типа М.
Гексаборидные катоды представляют собой соединения бора с ред-
коземельными элементами. Чаще всего применяют катоды, активная
поверхность которых состоит из гексаборида лантана. Губчатые катоды
изготовляют путем нанесения порошка гексаборида лантана на металли-
ческую подложку, например тантал или молибден. Эти металлы меньше
43
других взаимодействуют с гексаборидами. Прессованные катоды полу-
чают из порошков гексаборида лантана и вольфрама. При рабочей тем-
пературе 1700—1900 К эффективность составляет 30—50 мА/Вт.
Ценным свойством гексаборидных катодов является стойкость ра-
боты при повышенных давлениях остаточного газа (до 10Г1 Па). Ка-
тоды на основе гексаборида лантана применяют в разборных электрон-
но-лучевых установках, а также в манометрических датчиках.
Основным недостатком гексаборидных катодов является высокая
рабочая температура (около 1920 К), обусловливающая высокую ис-
паряемость активного вещества, из-за чего их долговечность не пре-
вышает 500 ч.
Пример конструкции гексаборидного катода показан на рис. 3.9.
3.7.	КОНСТРУКЦИИ КАТОДОВ
Как уже указывалось, в электровакуумных приборах применяются
два типа конструкций катодов: прямонакальные и подогревные.
Прямонакальные катоды применяются в основном в мощных гене-
раторных лампах и приборах СВЧ. Основные виды таких катодов
изображены на рис. 3.2. Для увеличения змиттирующей поверхности
катодам придают петлевую конструкцию, форму спиралей или лент
(рис. ЗЛО). Прямонакальные катоды характеризуются высокой эконо-
мичностью и коротким временем разогрева.
Недостатком прямонакальных катодов является их незквипотенци-
альность, т. е. неравномерное распределение потенциала по длине като-
да из-за падения напряжения, создаваемого протекающим по нему то-
ком. При питании таких катодов переменным током неэквипотенциаль-
ность приводит к возникновению фона переменного тока в цепи анода
лампы.
Катоды прямого накала могут быть из чистого металла (вольфра-
мовые) и активированными (оксидные, оксидно-ториевые и др.).
Большинство современных катодов подогревные (рис. 3.11). Они
имеют одинаковый потенциал по всей поверхности, т. е. являются экви-
потенциальными, имеют большую массу и, следовательно, большую теп-
ловую инерцию, что позволило осуществить питание подогревателя пере-
менным током. К недостаткам подогревного катода следует отнести
большее время разогрева и меньшую эффективность, чем у прямона-
кальных катодов.
Керны катодов электронных ламп изготовляют в виде трубок круг-
лого, овального или прямоугольного сечения.
В электронно-лучевых трубках, где требуется получить узкий на-
правленный пучок электронов, керн катода представляет собой цилиндр,
на который наносится оксидное покрытие (рис. 3.12).
В газоразрядных приборах катоды работают при давлениях 1—10 Па.
В этих приборах наибольшее распространение получили оксидные ка-
44
Рис. 3.10. Прямонакальные полостные (а) и металлопористые (б) катоды:
1 — ленточный; 2 и 3 — спиралевидные; 4 — ленточный, навитый на ребро;
5 - спиральный плоский; 6 - петлевой; 7 - спиральный цилиндрический; 8 - ци-
линдрический с прорезями
тоды. В целях увеличения эмиссионной способности катоды выполняют
из толстой проволоки или ленты, свертываемых обычно в бифилярную
спираль, или изготовляют в виде цилиндров с ребрами. Мощные катоды
для уменьшения тепловых потерь снабжают металлическими экранами
(рис. 3.13).
45
Рис. 3.11. Конструкции оксидных
подогревных катодов:
а — плоский; б — цилиндрический;
в - консольный
Рис. 3.13. Катод водородного тиратрона:
I - экран с ламелями; 2 - импрегнированный катод
Рис. 3.12. Катодный узел электронно-лучевых трубок:
1 - подогреватель; 2 — керн катода; 3 - керамическое основание
Подогреватель представляет собой керн из тугоплавкого металла,
применяемый для нагрева катодов косвенного накала. Подогреватели
должны обеспечивать в течение установленного срока службы следую-
щие основные требования: малое время разогрева, определяющее вре-
мя готовности прибора; высокую механическую прочность керна и изо-
лирующего покрытия; выдерживать превышение температуры при ак-
тивировке катода; иметь минимальный разброс по току накала при
заданном напряжении накала; иметь долговечность, не меньшую дол-
говечности катода.
46
Рис. 3.14. Конструкции подогревателей:
а - складчатый; б, в - спиральные; г - бифилярный; д - би филярная спираль;
е - спиральный, складчатый; ж - гребешковый неалундированный; з - стержне-
вой неалундированный
Основными параметрами подогревателей являются: рабочая темпе-
ратура, мощность накала и теплопроводность покрытия. Рабочая тем-
пература подогревателя задается, исходя из требуемой температуры
катода, и обычно превышает ее на 300-450 К. Для увеличения эффек-
тивности передачи тепла подогревателя катоду производят чернение его
поверхности или заполняют промежуток катод—подогреватель тепло-
проводным составом.
В качестве материалов кернов подогревателей используют металлы
и сплавы, имеющие достаточно большое удельное электрическое сопро-
тивление, высокую температуру плавления и рекристаллизации, малую
скорость испарения и удельную теплопроводность. Кроме того, зти
материалы должны обладать пластичностью в холодном состоянии и
не взаимодействовать с изоляционным покрытием в горячем состоя-
нии. Этим требованиям удовлетворяют: вольфрам с присадками окис-
лов алюминия, кремния, щелочных металлов (марка ВА), сплавы воль-
фрама с рением ВР-20, ВАР-20 и особенно ВАР-5 и ВАР-10, сплавы воль-
фрама с молибденом МВ-50, МВ-20 и ВАМ-5.
Для изоляции керна подогревателя от керна катода используют плав-
леную окись алюминия (алунд), обладающую хорошими изоляцион-
ными свойствами, высокой механической прочностью при высоких тем-
пературах.
Для нанесения алундового покрытия практически используются те
же методы, что и при нанесении карбонатных покрытий на керны ка-
тодов.
Основные типы конструкций подогревателей приведены на рис. 3.14.
Выбор конструкции подогревателя определяется формой и размером
керна катода.
47
При напряжениях накала 1-12 В применяются петлевые (склад-
ные) подогреватели (рис. 3.14, а-г), спиральные, спирально-петлевые
и бифилярные. Последние обеспечивают равномерный нагрев катода
и устраняют влияние магнитного поля тока накала на ток с катода.
В высоковольтных подогревателях (50 В и более) применяют бифи-
лярные подогреватели из спирализованной проволоки (рис. 3.14, 3).
В отдельных случаях используют непокрытые подогреватели, которые
вставляются в тонкостенные керамические трубочки, плотно входящие
в гильзу катода.
Для торцевых катодов, как правило, используемых в электронно-
лучевых приборах, применяются подогреватели петлевые и биспираль-
ные с бифилярной навивкой.
Контрольные вопросы и задания
1.	Назовите основные параметры катодов, по которым оцениваются
их свойства.
2.	Для какой цели производят карбидирование тарированного воль-
фрама?
3.	Как устроен оксидный катод и каковы его свойства?
4.	Какова цель активирования оксидного катода?
5.	Чем отличается синтерированный оксидный катод от обычного
оксидного катода?
6.	Чем отличаются металлопористые, прессованные и пропитанные
катоды от L -катодов? Назовите их основные свойства.
7.	Объясните, почему рабочая температура подогревателей должна
превышать температуру катода.
Глава четвертая
ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
4.1.	ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
Для понимания работы электровакуумных приборов, особенно
злектронно-лучевых, важно знать законы движения заряженных частиц
(электронов и ионов) в электрических и магнитных полях.
Изучение характера взаимодействия заряженных частиц с этими
полями, формирование, фокусировка и отклонение электронных
пучков являются предметом изучения электронной оптики.	.
В настоящем изложении мы ограничимся рассмотрением геометриче-
ской электронной оптики, под которой будем понимать описание дви-
жения электронов в условиях, когда практически не проявляются их
волновые свойства и электрон можно рассматривать как материальную
частицу. Между распространением световых лучей в оптических средах
48
Рис. 4.1. Аналогия между законом преломле-
ния светового (в) и электронного (б) луча
и движением заряженных частиц в электрических и магнитных полях
имеется значительная аналогия. Эта аналогия не случайна, она базирует-
ся на общности законов распространения световых лучей в оптических
средах и движения электронов в электрических и магнитных полях.
Для иллюстрации аналогии рассмотрим движение светового луча из
среды с показателем преломления в среду с показателем
(рис. 4.1, л) и электрона в электрическом поле (рис. 4.1,6).
В соответствии с законом геометрической оптики при переходе
светового луча через границу раздела двух сред с различными показате-
лями преломления (рис. 4.1, а) происходит его преломление, причем
отношение синусов углов падения и преломления равно обратному от-
ношению показателей преломления, т. е.
sinac/sin0c = п^п^,	(4.1)
где яс и 0С — углы падения и преломления светового луча.
Несложно показать, что оптический закон преломления (4.1) справед-
лив также для электронного луча, проходящего из области потенциала
Ui в область потенциала U2 (рис. 4.1,6). Пусть электрон (электронный
луч) падает на границу раздела областей под углом а и со скоростью
v t. При переходе в область с потенциалом U2 электрон приобретает
скорость v2. Разложим векторы скоростей и v2 на составляющие
vih> v 1 т, v2h> ?2т-Индекс ”н” показывает, что составляющие направ-
лены нормально к границе между областями, а индекс ”т” — парал-
лельно. В окрестности границы действует электрическая сила, направ-
ленная по нормали к поверхности раздела. Следовательно, при переходе
границы изменения может претерпевать лишь нормальная к ней компо-
нента скорости электрона, а тангенциальная (параллельная) составляю-
щая скорости остается неизменной, т. е.
1 т ~ ^2т-	'
Из рис. 4.1,6 следует, что
v1I=ViSina и v2T=v2sin0,
откуда
Visina = v2sin0.	(4.2)
49
Скорость электрона (при условии, что начальная скорость равна ну-
лю) связана с потенциалом пространства выражением (1.6):
v « 600\fU.
Подставляя значения v в формулу (4.2), получаем:
sina/sin|3= \fU2/.
(4.3)
Сравнивая (4.1) и (4.3), приходим к выводу, что углы а и 0 эквива-
лентны соответственно световым углам падения ас и преломления 0С,
а величины \Гй2 и y/U2 - показателям преломления светового луча,
т. е. выражение (4.3) указывает на глубокую аналогию с геометриче-
ской световой оптикой.
Из (4.3) видно, что при движении электрона в ускоряющем поле
(U2 > угол преломления 0 будет меньше угла падения а, поэтому
электрон будет отклоняться в сторону нормали и, следовательно, элект-
рическое поле будет препятствовать рассеиванию электронного пучка.
В тормозящем электрическом поле (U2 < C7j) угол (3 будет больше
угла а, электроны будут сильнее отклоняться от нормали и электрон-
ный пучок в таком поле рассеивается. Очевидно, задавая значения потен-
циала в пространстве движения электронного луча, можно определить
его траекторию в электрических полях.
Следует отметить, что аналогия со световой оптикой простирается
и на движение электронов в магнитных полях, однако зто утверждение
требует более детального рассмотрения, выходящего за рамки данной
книги.
Как отмечалось выше, между световой и электронной оптикой суще-
ствует достаточно глубокая аналогия. Однако полного совпадения нет.
Отметим основные различия:
Световая оптика
Энергия фотонов при прохождении
через линзы остается неизменной
Показатель преломления на границе
двух сред изменяется скачком
Показатель преломления изменяется
незначительно (от 1 до 3)
Формы преломляющих поверхностей
н показатель преломления не связа-
ны между собой
Лучи в световом пучке практически
независимы, т. е. не взаимодействуют
Перечисленные различия между
необходимо учитывать.
50
Электронная оптвка
Энергия электронов, движущихся
в электрическом поле, изменяется
Потенциал эквивалентный
показателю преломления, изменя-
ется непрерывно
Потенциалы на электродах могут
изменяться в 10 н более раз
Показатель преломления и форма
преломляющих (эквипотенциаль-
ных) поверхностей, как правило,
не могут быть изменены незави-
симо
Электроны в пучке всегда взаимо-
действуют между собой
световой и электронной оптикой
4.2.	ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
В § 1.2 было показано, что скорость электрона в ускоряющем поле
определяется пройденной разностью потенциалов и не зависит от тра-
ектории его движения. При изучении электровакуумных приборов,
в частности электронно-лучевых, важно знать траектории движения
электронов в междуэлектродном пространстве. Пример (см. рис. 1.1),
когда направление скорости движения электрона параллельно сило-
вым линиям однородного электрического поля, является частным
случаем.
Рассмотрим более общий случай, когда электрон влетает в одно-
родное электрическое поле в начале системы координат 2ГУ под углом
а к оси X (рис. 4.2).
Сргласно (1.3) сила, действующая на электрон вдоль оси У,
Fj, = -еЕ.
На основании второго закона Ньютона под действием постоянно-
действующей силы электрон движется равноускоренно с ускорением
а у = Еу/те = ^еЕ/те.	(4.4)
Уравнение равноускоренного движения электрона с начальной ско-
ростью г0>, имеет вид
y = voyt+ ayt2j2.	(4.5)
Подставив в (4.5) выражение для ау из (4.4), получим
(4.6)
В направлении оси X потенциал не меняется, поэтому движение электро-
на по этой оси будет равномерным с постоянной скоростью vox. За вре-
мя t электрон переместится на расстояние
х= voxt.	(4.7)
Начальную скорость электрона v0 разложим на две составляющие:
vox, перпендикулярную силовым линиям (по оси X), и voy, направлен-
ную вдоль силовых линий (по оси У).
Из уравнения (4.7) выразим t и подставим в (4.6), получим урав-
нение' траектории результирующего движения электрона
(4.8)
Vox 2mevQx
Это уравнение показывает, что электрон, влетающий в однородное
51
Рис. 4.2. Движение электрона в однородном электрическом поле (начальная ско-
рость электрона направлена под углом а к силовым линиям поля)
Рис. 4.3. Движение электрона в однородном электрическом поле (начальная ско-
рость электронов направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
электрическое поле с начальной скоростью v0, описывает между плас-
тинами параболическую траекторию.
Для анализа работы электровакуумных приборов особый интерес
представляют следующие частные случаи: 1) vOx=O, vOy = 0; 2) Vox =
=0, vOy = v0; 3) Vox ~ Po> voy = 0.
В первом случае уравнения (4.6) и (4.7) принимают вид
X=Q <49)
и свидетельствуют, что электрон будет двигаться равноускоренно вдоль
оси у.
Во втором случае эти уравнения принимают вид
еЕ 2	_
м' ' х~°
Электрон движется вдоль оси у равномерно ускоренно или равномерно
замедленно в зависимости от знака v0.
В третьем случае начальная скорость электрона v0 перпендикулярна
вектору напряженности поля Е. Поэтому после подстановки Vox и Voy
в (4.8) получаем выражение
которое показывает, что электрон в этом случае описывает параболиче-
скую траекторию (рис. 4.3), отклоняясь под действием поля в сторону
положительного потенциала. Если известна начальная скорость v0, на-
пряженность поля, длина пластин L, то, используя формулы механики,
можно определить направление и значение результирующей скорости.
52
На основании изложенного в § 1.2 и 4.2 можно сделать вывод, что
электрическое поле изменяет энергию и траекторию движущегося в
нем электрона.
Электрическое поле в электровакуумных приборах, как правило,
неоднородное. При переходе от одной точки к другой оно изменяется
по значению и направлению. Поэтому изучение движения электронов
в приборах сопряжено со значительными трудностями и выходит за рам-
ки книги.
В большинстве случаев для определения траекторий электронов в
готовых или вновь разрабатываемых приборах пользуются приближен-
ными расчетными, графическими и экспериментальными методами опре-
деления полей и траекторий электронов в этих полях.
4.3.	ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
Й ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Влияние магнитного поля на движущийся электрон можно уподо-
бить действию этого поля на проводник с током. Из электродинамики
известно, что если элементарный отрезок проводника длиной Д/ с то-
ком i поместить в магнитное поле с индукцией В, составляющей с эле-
ментом тока угол а, то на элемент будет действовать сила F, определяе-
мая по формуле Ампера :
F = iAZBsina.	(4.11)
Если через поперечное сечение проводника за время t проходит один
электрон с зарядом е, то этим электроном создается ток, равный i =
=е/1. Подставляя это значение тока в формулу (4.11), получаем:
F = — (е//) Д/Bsina.
Отношение Д//1 есть скорость электрона v0, поэтому сила, с которой
однородное магнитное поле воздействует на движущийся в нем
электрон, равна:
F = —e[v0B]sina.	(4.12)
Из (4.12) следует, что покоящийся или движущийся вдоль силовых
линий электрон не испытывает воздействия со стороны магнитного поля,
поскольку при этом F = 0. На электрон, движущийся перпендикулярно
вектору магнитной индукции, действует сила
F = +e[v0B],	(4.13)
знак которой определяется знаком sin а.
Вектор F перпендикулярен векторам v0 и В (рис. 4.4), другими
словами, он перпендикулярен плоскости, проходящей через векторы
v0 и В. Направление силы F определяется правилом левой руки.
53
Рис. 4.4. Движение электрона в однородном магнитном поле (начальная скорость
электрона направлена перпендикулярно силовым линиям поля)
Рис. 4.5. Движение элктрона в однородном магнитном поле (начальная скорость
электрона v0 направлена под углом а к силовым линиям поля)
Так как в (4.13) все величины, стоящие в правой части, постоянны,
то и F постоянна и вызывает постоянное ускорение, перпендикулярное
скорости v0. В результате электрон движется в магнитном поле по кру-
говой траектории с постоянной линейной скоростью v0, лежащей в плос-
кости, перпендикулярной силовым линиям поля (рис. 4.4).
Радиус окружности можно определить из равенства центростреми-
тельной силы, равной mev^lR, и силы F для случая
mev*/R = ev0B,
откуда радиус траектории электрона
R=mev0/eB.	(4.14)
Период обращения и частота вращения электрона по окружности
соответственно равны:
Т= 2itR/v0 = litmg/eB',	(4.15)
w = 2я/Т= еВ/me.	(4.16)
Отметим, что период и частота вращения электрона по окружности
не зависят от скорости электрона, а определяются только индукцией
магнитного поля В и массой электрона.
Рассмотрим более общий случай движения электрона, когда вектор
начальной скорости v0 направлен под некоторым углом а к силовым
линиям поля, т. е. О < а < 90° (рис. 4.5). Разложим вектор v0 на со-
ставляющие v0 || и v0 j_, одна из которых перпендикулярна вектору
магнитной индукции, а другая параллельна ему. Движение электрона
в направлении, перпендикулярном вектору, рассмотрено выше.
В этом случае электрон движется по окружности. Под действием со-
ставляющей v0 у электрон будет равномерно по инерции перемещать-
54
ся вдоль вектора В. В результате действия обеих составляющих элект-
рон будет вращаться по винтовой линии (спирали) с радиусом R и
шагом h.
Радиус спирали
R = (mevleB) sin а;	(4.17)
шаг спирали
h = Tv cos а.	(4.18)
Подставляя значение Т из формулы (4.15), получаем
h = (Innigl eB}v cos а.	(4.19)
Подчеркнем, что магнитное поле в отличие от электрического дей-
ствует на электрон только в том случае, если при своем движении он
пересекает силовые линии поля. Магнитная сила всегда перпендикуляр-
на скорости электрона и поэтому не совершает никакой работы. Она
может изменить только направление движения электрона.
Действие электрического и магнитного полей на движущийся элект-
рон широко используется в электронных приборах. Например, в телеви-
зионных трубках фокусировка и управление электронным потоком
осуществляется с помощью электрических и магнитных полей.
4.4.	ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ
Общие сведения. В большинстве электронно-лучевых приборов для
фокусировки электронных пучков используются электрические и маг-
нитные поля, которые обладают симметрией вращения, т. е. симметрич-
ны относительно некоторой оси. Такие неоднородные аксиально-сим-
метричные поля называются электронными линзами. Их фокусирую-
щее действие аналогично действию светооптических линз с осевой сим-
метрией на пучок световых лучей. В качестве линз используют также
аксиально-симметричные однородные магнитные поля.
Аксиально-симметричные электрические поля могут быть созданы
комбинацией электродов (имеющих общую ось симметрии), на кото-
рые подаются различные потенциалы. Форма электродов может быть
весьма разнообразной, например в виде полых цилиндров, диафрагм
(круглых дисков с центральным отверстием).
Магнитные электронные линзы могут быть созданы катушками,
обтекаемыми током, или постоянными магнитами.
Электростатические линзы. Электронные линзы по характеру
электростатических полей можно классифицировать на следующие
типы: линзы-диафрагмы, одиночные, иммерсионные линзы и иммер-
сионный объектив.
Линзы-диафрагмы — линзы по обе стороны которых находятся обла-
сти с однородным полем; имеющие разные потенциалы. Эквипотенци-
55
Рис. 4.6. Примеры линз-диаф-
рагм:
а - собирающая линза; б -
рассеивающая линза
альные поверхности и при-
мерное распределение потен-
циалов в линзе показаны на
рис. 4.6.
Используя соотношение
(4.3), можно показать, что
диафрагма с отверстием мо-
жет быть собирающей и рас-
сеивающей линзой. В nep-
fl 0 +Ui о +и1	+и2
вом случае (рис. 4.6, а) электроны движутся в электрическом поле от
низшего потенциала к высшему и пересекают эквипотенциальные по-
верхности, отклоняясь в сторону нормалей этих поверхностей. Во вто-
ром случае (рис. 4.6, б) электроны движутся от высшего потенциала
к низшему и отклоняются от нормалей.
Фокусное расстояние подобной линзы можно определить по прибли-
женной формуле
f « (4U2)/(E2- Et),
(4.20)
где .б)	и E2 = (U3 ~U2)/d2 — напряженности поля слева и спра-
ва от диафрагм.
Особенность этой линзы заключается в том, что к диафрагме по край-
ней мере с одной стороны, должно примыкать электростатическое по-
ле, которое является средой с непрерывно изменяющимся показате-
лем преломления. В силу этого линза-диафрагма самостоятельно не
применяется, но входит в состав более сложных линз.
Одиночные линзы образуются тремя электродами, диафрагмами или
цилиндрами. Крайние электроды имеют одинаковые потенциалы, отлич-
ные от потенциала среднего электрода. На рис. 4.7 изображена одиноч-
ная линза и ее оптический аналог. На этом же рисунке показано рас-
пределение потенциала вдоль оси линзы и изображение траектории
электронов.
Рассмотрим действие сил электрического поля на электрон на участ-
ках a , b, с, dt е линзы. Разложим вектор напряженности электриче-
ского поля Е в точке А на две составляющие (рис. 4.7, б) : продольную
Епр и радиальную Ег и определим направление силы Fr . На участке
ab сила направлена от оси, в то время как на участках Ьс и cd она на-
правлена к оси линзы. На последнем участке de направление силы Fr
56
а) линзы
аналогично участку ab. Таким образом, в области поля, прилегающей
к средней диафрагме (участок bed), электрон получает ускорение, на-
правленное к оси, а в крайних областях (участки ab и de) — от оси.
Поэтому центральную область поля следует рассматривать как собираю-
щую линзу, а крайние области — рассеивающие линзы. Поскольку в
центральной области скорость электронов мала, а в крайних велика,
то общее действие этой линзы будет собирающим. Отметим, что одиноч-
ная линза действует как собирающая независимо от знака потенциала
среднего электрода по отношению к крайним.
Иммерсионные линзы — линзы, по обе стороны которых лежат обла-
сти постоянных, но разных по значению потенциалов. Свое название
они получили по аналогии с оптическими линзами, помещенными на
границе двух различных сред, например воздуха и какой-либо иммер-
сионной жидкости (воды или масла). Подобные линзы образуются
обычно двумя диафрагмами, двумя цилиндрами или их комбинацией.
Характер распределения потенциала вдоль оси линзы приведен на
рис. 4.8. Общее действие иммерсионной линзы на электронный пучок
является собирающим, как и при использовании одиночной линзы,
электроны проходят фокусирующую область линзы медленнее, чем
рассеивающую.
Разновидностью иммерсионной линзы является иммерсионный объек-
тив (рис. 4.9). Он состоит из катода и двух электродов. Первый к като-
ду электрод М имеет отрицательный потенциал относительно катода
и называется модулятором. Изменение потенциала модулятора позво-
ляет изменять ток с катода, а следовательно, и ток электронного пуч-
ка. Второй электрод У имеет положительный потенциал и называется
ускоряющим электродом или анодом.
Учитывая, что скорости электронов в рассеивающей области I линзы
намного меньше, чем в собирающей области II, фокусирующее дей-
57
Рис. 4.8. Иммерсионная линза
Рис. 4.9. Иммерсионный объектив:
а - схема расположения электродов;
б — примерное распределение потенциа-
ла вдоль оси
ствие первой преобладает. Следовательно, в целом иммерсионный
объектив действует как собирающая линза.
Фокусное расстояние является основным параметром линзы. Если
известен этот параметр, а также положение и размеры объекта относи-
тельно линзы, можно, пользуясь методами световой оптики, построить
изображение предмета. Проще всего эти построения осуществить для
тонкой линзы, т. е. линзы, толщина которой мала по сравнению с
расстоянием от средней плоскости MN до фокусов f\ и f2 (рис. 4.10).
Фокусное расстояние электронных линз связано с расстояниями от
средней плоскости линзы до объекта и изображения 12 выраже-
нием:
f i/h +(4.21)
Если fl = f2 = f (для одиночной линзы), уравнение (4.21) может
быть приведено к виду:
1/G + 1//2 = 1// или /= -	(4.22)
01 + h)
Величина 1// называется оптической силой линзы. Чем меньше f,
тем сильнее преломляющее действие линзы и больше ее оптическая
сила.
Магнитные линзы. Длинная магнитная линза представляет собой ка-
тушку цилиндрической формы (соленоид), длина которой значитель-
но больше ее диаметра. Если через катушку пропустить постоянный
ток, то вокруг ее витков образуется магнитное поле. Можно считать*
что внутри катушки в области, достаточно удаленной от ее концов,
магнитное поле будет однородным.
58
Рис. 4.10. Построение изображения в тонкой
линзе
Пусть в области однородного поля из точки А вылетают электроны
с одинаковыми скоростями. Рассмотрим движение так называемых
параксиальных электронов, т. е. электронов, мало удаленных от оси
симметрии и имеющих скорости, почти параллельные ей (рис. 4.11).
РазлЪжим начальную скорость электрона v на две составляющие, из
которых одна vnp параллельна силовым линиям поля, а другая vp
перпендикулярна им. Под действием радиальной скорости vp элект-
рон будет вращаться по окружности в плоскости, перпендикулярной
оси. Кроме этого движения из-за наличия скорости vnp электрон
будет смещаться с постоянной скоростью вдоль оси. Результирующая
траектория электрона представляет собой винтовую линию. Как было
показано в § 4.3, радиус, шаг и период этой траектории определяются
по формулам (4.17) - (4.19).
Рис. 4.11. Движение электронов в поле длинной магнитной линзы:
а - проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярную оси
трубки; б — траектории электронов (1-3) и их проекции
59
Рис. 4.12. Магнитная линза, образованная полем короткой катушки:
а — траектория электрона; б — проекция траектории на плоскость, перпенди-
кулярную оси
Полагая для параксиальных электронов cos« * 1, получаем значе-
ние для шага
h = 2itmev/eB,
одинаковое для всех электронов. Таким образом, все электроны пучка,
вылетевшие иэ точки А через время Т (один период), соберутся в точ-
ке С, образуя изображение объекта А.
Следовательно, однородное магнитное поле длинной катушки явля-
ется своеобразной линзой, отличающейся по характеру своего дейст-
вия от обычных линз. Она осуществляет перенос изображения, не меняя
его масштаба. Изображение получается прямым, а не перевернутым в
отличие от рассмотренных выше линз. Такие линзы широко применяют-
ся в электронно-лучевых приборах, в частности некоторых передающих
трубках.
Короткая магнитная линза образуется неоднородным аксиально-
симметричным полем катушки, длина которой намного меньше ее
диаметра (рис. 4.12). Рассмотрим движение электрона, влетающего со
скоростью v в область поля такой линэы.
Пока электрон не влетает в поле линзы, он движется прямолинейно.
По мере захода в область линзы электрон начинает взаимодействовать
с полем. Допустим, что электрон пересекает силовую линию поля в
точке Р. Разложим скорость электрона v и вектор В соответственно
на составляющие: vp, vnp и Вр, Впр. Так как
VnplBp и vplBnp,
то на электрон будут действовать‘силы Fi и F2, равные:
Fi =-e[vnpBp]; F2 = —e[vpBnp].
60
Эти силы направлены в одну сторону перпендикулярно плоскости чер-
тежа. Составляющая
vp < vnp,
так как рассматривается движение параксиальных электронов, то
F2 « Fn
т.е. F2 можно пренебречь.	;
В результате действия силы Fi появляется тангенциальная состав-
ляющая скорости vT, перпендикулярная вектору Впр. Взаимодействие
этой составляющей скорости с продольной составляющей магнитного
поля приведет к появлению новой силы
F = -e[BnpvT], .	(4.23)
Эта сила будет отклонять электрон к оси, и в точке О' он пересечет ее.
При этом изображение будет повернуто вокруг оси ца некоторый угол
(рис. 4.12, б). Изменяя ток в фокусирующей катушке и,следователь-
но, индукцию магнитного поля, можно добиться пересечения траекторий
электронов с осью трубки в плоскости экрана, т. е. обеспечить фокуси-
ровку электронов.
Оптическая сила короткой магнитной линзы и угол поворота изобра-
жения вокруг оси определяются соотношениями:
1// =	f B2dz-
8weC/a_oo г
= /те 77 Bzdz-
у/ »теиа _оо
(4.24)
(4-25)
Значения f и могут быть определены, если известно распределение
индукции магнитного поля вдоль оси линзы. Распределение индукции
определяется силой тока в обмотке катушки, размерами и формой
катушки.
Для практических расчетов удобно пользоваться формулами:
1//= (0,022 -10-4/Е7а) I B*dz-, ^ = -2^/ Bzdz, (4.26)
_оо 2	уба-оо
где В выражено в теслах; Ua — ускоряющее напряжение, В; f и z —
в сантиметрах; у - в радианах.
Выражения (4.24) и (4.25) позволяют сделать следующие выводы:
оптическая сила электронной линзы тем больше, чем меньше ско-
рость электронов на входе линзы и чем больше площадь, ограниченная
кривой квадрата индукции магнитного поля на оси линзы;
61
Рис. 4.13. Фокусирующая система с магнитопрово-
дом:
1 - обмотка; 2 - каркас; 3 - магнитопровод
(Л - ширина каркаса; D\ - внутренний, - на-
ружный диаметры намотки)
фокусное расстояние линзы зависит от за-
ряда и массы частиц. Из этого следует, что
электроны и ионы будут фокусироваться
неодинаково. Отрицательные ионы, как бо-
лее тяжелые частицы, практически фокуси-
роваться не будут;
линза осуществляет поворот изображения,
угол которого зависит от индукции магнит-
ного поля, заряда, массы частиц и скорости
электронов;
оптическая сила линзы всегда положи-
тельна (линза всегда собирающая) и не за-
висит от направления магнитного поля.
Выражение (4.22) справедливо и для магнитных линз. Так же как
и для электростатических линз, зная положение средней плоскости
линзы и фокусное расстояние, можно построить электронное изобра-
жение объекта, пользуясь методами световой оптики.
Магнитодвижущую силу фокусирующей катушки можно определить
приближенным выражением:
Fm ~ lOx/W,
где R - радиус среднего витка катушки, см; U — в вольтах; f - в сан-
тиметрах.
Обьино фокусирующие катушки помещают в магнитопровод из
ферромагнитного материала, имеющий узкую кольцевую щель
(рис. 4.13). Применение магнитопровода позволяет уменьшить рассеи-
вание и резко повысить напряженность поля на небольшом участке
в районе щели и соответственно увеличить оптическую силу линзы.
При этом существенно уменьшается мощность, потребляемая фоку-
сирующей системой, и ослабляется воздействие внешних магнитных
полей.
Магнитодвижущая сила катушки с магнитопроводом вычисляется
по формуле
Fm ~ 10^,Kx<W>	(4.27)
где R — внутренний радиус магнитопровода; £ф,к — коэффициент фор-
мы катушки, равный 0,6—0,75.
62
Объект Бочкообразная Подушкообразная
Рис. 4.14. Виды аберраций в электронных линзах:
а - хроматическая; б - сферическая; в - образование комы; г - астигматизм
поля; д - дисторсия
В отличие от электростатических линз магнитные имеют большие
габаритные размеры и массу, а также требуют затраты энергии, т. е.
они менее экономичны.
Фокусирующее поле может быть создано также постоянными маг-
нитами. При этом энергия на фокусировку не затрачивается, но регу-
лирование оптических параметров механическим путем представляет
определенные неудобства. По этой причине постоянные магниты, об-
разующие магнитостатические линзы, получили ограниченное приме-
нение.
Аберрации электронных линз. Электронным линзам, как и свето-
оптическим линзам, всегда свойственны аберрации (искажения), воз-
никающие из-за непараксиальности и немонохроматичности электрон-
ных пучков, нарушений симметрии линзы и других причин. Извест-
ны следующие аберрации электронных линз: хроматическая, сфери-
ческая, аберрации косых пучков (астигматизм, кома, дисторсия).
Хроматическая аберрация обусловлена разбросом начальных ско-
ростей электронов. Электроны, исходящие из одной точки с различ-
ными скоростями, фокусируются в различных точках оси пучка
(рис. 4.14, а). Известно, что фокусное расстояние любой электрон-
ной линзы зависит от скорости электронов. Оно возрастает с увели-
чением скорости электронов, поэтому быстрые электроны фокуси-
63
руются дальше от линзы, чем медленные. В результате на экране
вместо точечного изображения получится кружок рассеяния.
Сферическая аберрация проявляется в том, что электроны соби-
раются тем ближе к линзе, чем дальше от оптической оси лежат их
траектории. В результате изображение точки на экране будет выгля-
деть в виде размытого диска определенного диаметра (рис. 4.14, б).
Эта аберрация определяется размерами объекта и имеет место для
непараксиальных траекторий. Рассмотренные виды искажений изобра-
жения в электронных линзах являются наиболее часто встречающимися
в электронно-лучевых приборах.
Аберрациям вида кома и астигматизм присущи только точки объек-
та, лежащие не на оси.
Происхождение комы объясняется асимметрией электронного пуч-
ка, выходящего из точки предмета, не лежащей на оси (рис. 4.14, в).
Фигура рассеяния имеет кометообразную форму.
Астигматизм обусловлен тем, что лучи, выходящие из точки пред-
мета и идущие в разных плоскостях, фокусируются в различных мес-
тах. Точки на плоскости изображения выглядят в виде эллипсов
(рис. 4.14, г).
Дисторсия проявляется в искажениях масштаба и геометрии изобра-
жения (рис. 4.14, Э).
В магнитных линзах добавляются аберрации, обусловленные враще-
нием электронов в магнитном поле. Несмотря на это, магнитные лин-
зы создают изображения с относительно меньшими аберрациями.
Объясняется это тем, что фокусирующие катушки надеваются на
горловину трубки и, следовательно, размеры магнитных линз по срав-
нению с электростатическими возрастают.
Контрольные вопросы и задания
1.	В чем проявляется аналогия между электронной и световой оп-
тикой?
2.	Назовите основные различия между световой и электронной
оптикой.
3.	В чем отличие магнитного и электрического действий поля на
помещенный в эти поля электрон?
4.	Почему в иммерсионной и одиночной линзах собирающее дейст-
вие поля сильнее рассеивающего?
5.	В чем различие между длинной и короткой магнитными лин-
зами?
6.	За счет какой компоненты скорости электрона происходит фоку-
сировка в тонкой магнитной линзе?
7.	Сравните между собой системы магнитной и электростатической
фокусировки. Назовите достоинства и недостатки каждой системы.
8.	Назовите основные виды аберраций электронных линз и причи-
ны их возникновения.
Часть вторая
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Глава пятая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ
5.1.	НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Электронной лампой называется электровакуумный прибор, рабо-
та которого основана на управлении током с помощью изменения
потенциалов электродов. Выполняемые электронными лампами функ-
ции многообразны, однако можно выделить два основных назначе-
ния этих приборов. Первое — преобразование электрической энергии,
например преобразование постоянного тока источника питания в пере-
менный и, наоборот, переменного в постоянный. Второе — преобра-
зование электрических сигналов: усиление, изменение спектра и т. п.
Во многих областях электроники, радиотехники и автоматики
электронные лампы были обоснованно вытеснены полупроводнико-
выми и микроэлектронными приборами, имеющими меньшие габа-
ритные размеры и массу, более высокий коэффициент полезного дей-
ствия. Однако в ряде случаев электронные лампы обладают преиму-
ществами по сравнению с полупроводниковыми приборами, а иногда
являются вообще незаменимыми на данном этапе приборами. Широ-
кий диапазон рабочих температур, доходящий до нескольких сотен
градусов, высокая радиационная стойкость, стабильность характери-
стик, высокие допустимые напряжения обусловливают дальнейшее
развитие этих приборов.
5.2.	УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Устройство электронных ламп рассмотрим на примере триода, по-
казанного на рис. 5.1. Триод включает в себя следующие узлы и де-
тали: систему электродов, баллон, крепежные детали, ножку и газо-
поглотитель. Система электродов состоит из катода — источника
электронов, анода — приемника электронов и сетки — управляющего
электронным потоком электрода. В конструкцию многоэлектрод-
ных и специальных ламп могут входить несколько сеток, а также
другие электроды. Катоды электронных ламп были рассмотрены
в гл. 3.
Сетки электронных ламп обычно имеют вид спирали из тонкой про-
волоки, навитой для жесткости на два стержня, называемых травер-
зами (рис. 5.2, а). Форму сетки стараются сделать подобной форме
катода, что обеспечивает постоянство расстояния между катодом и
3-6353	65
Рис. 5.1. Конструкция сверхминиатюрного триода
сеткой, а следовательно, более однородное поле
у катода. На рис. 5.2, б приведены основные виды
поперечного сечения сеток с расположенными в
них траверзами. В некоторых лампах сетка пред-
ставляет собой штампованную из листа металла
рамку с приваренными проволочками (рис. 5.2,в).
Иногда сетка изготовляется из материала самой
рамки с большим количеством отверстий или из
ячеистой металлической ткани.
Аноды электронных ламп малой и средней
мощности представляют собой боковую поверх-
ность прямого цилиндра либо часть цилиндриче-
ской поверхности с основанием различной формы.
Типичные конструкции анодов таких ламп приве-
дены на рис. 5.3. Материалом анодов служат алю-
минированные никель или железо, молибден и
другие металлы.
Крепежные детали электронных ламп обеспечивают необходимое
взаимное расположение электродов и придают конструкции лампы до-
статочную механическую прочность. Эти детали изготовляют из метал-
ла или диэлектрика. В маломощных лампах крепление электродов,
как правило, обеспечивается изоляционными дисками из слюды с отвер-
стиями для катода, траверз сетки и пластин анода (рис. 5.4). В более
мощных лампах для крепления электродов часто применяют специаль-
ную керамику.
а - сетка с витками, запрессованными в траверзы; б - поперечные сечения
сеток; в - рамочная сетка
66
Рис. 5.3. Конструкции анодов
Электроды и крепежные детали электронных ламп помещаются в
баллон, из которого откачивается воздух. Степень разрежения в бал-
лонах составляет приблизительно 0,001—0,0001 Па. Повышение остаточ-
ного давления в баллоне приводит к резкому ухудшению ряда пара-
метров электронных ламп, в частности сокращению срока службы.
Баллоны электронных ламп изготовляют из газонепроницаемых
материалов: стекла, керамики, металла. Они могут иметь различные
размеры и форму (рис. 5.5). Иногда баллон лампы включает в себя
Рис. 5.4. Конструкции изоляторов:
а - слюдяные; б - керамические
67
Рис. 5.5. Конструкции баллонов электронных ламп
детали из разных материалов, например специальную керамику в со-
четании с металлическими деталями.
Для соединения электродов с внешней электрической цепью ис-
пользуют металлические проводники — вводы, которые впаиваются
в оболочку баллона лампы. Технологически удобно пропускать вво-
ды через специальную деталь, называемую ножкой, которая при изго-
товлении лампы герметически сваривается с баллоном. На рис. 5.6
приведены конструкции двух типов ножек: гребешковой и плоской.
Вводы ножки приваривают к соответствующим электродам лампы.
Наружные части вводов используют для соединения с электрической
схемой. В сверхминиатюрных лампах обычно применяют неразбор-
ные соединения, когда гибкие вводы непосредственно впаиваются в
электрическую схему. При разборном соединении со схемой вводы пе-
реходят в жесткие штырьки, которые вставляются в гнезда ламповой
панели, находящейся на плате электрической схемы.
Для поддержания высокого
вакуума в баллоне электронной
лампы в процессе ее эксплуата-
ции используется газопоглотитель.
При работе лампы происходит
сильный нагрев электродов, в ре-
зультате чего в баллоне могут по-
явиться дополнительные газы,
снижающие степень разрежения.
Чистая поверхность активного ме-
Рис. 5.6. Конструкции ножек:	,
а — гребешковая; б - плоская
68
талла газопоглотителя взаимодействует с газовой атмосферой, что при-
водит к улучшению вакуума в баллоне лампы.
Газопоглотители бывают распыляющиеся и нераспыляющиеся.
В маломощных лампах газопоглотитель наносится на часть внутрен-
ней поверхности баллона. Зеркальная металлическая поглощающая
поверхность создается путем испарения таблетки газопоглотителя,
нагретой индукционными токами высокой частоты. Пары материала
газопоглотителя оседают на холодной стенке баллона. В качестве
поглощающего материала используются барий, магний, а также спла-
вы этих металлов с другими металлами.
В миниатюрных и металлокерамических лампах применение распы-
ляемых газопоглотителей недопустимо из-за малого расстояния меж-
ду электродами. Слой распыленного металла может вызвать короткое
замыкание электродов. Для исключения этого применяется нераспы-
ляемый газопоглотитель, который может быть как отдельным элемен-
том конструкции лампы, так и материалом покрытия электродов.
Материалами нераспыляемых газопоглотителей являются тантал, цир-
коний, титан и др. Примеры конструкций газопоглотителей приведены
на рис. 5.7.
5.3.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Управление током в электронной лампе осуществляется путем из-
менения электрических полей, создаваемых ее электродами. Напряже-
ния между электродами лампы создаются внешними электрическими
цепями. Для удобства расчетов потенциал катода принимается рав-
ным нулю, а напряжением на каком-либо электроде лампы считается
разность потенциалов между этим электродом и катодом (напряжение
69
анода, напряжение сетки и т. д.). Каждый электрод лампы имеет свою
электрическую цепь, в которой протекает ток этого электрода (анод-
ный ток, катодный ток и т. д.). Цепи электродов могут содержать пас-
сивные радиотехнические элементы (резисторы, колебательные кон-
туры, трансформаторы) и активные элементы (электровакуумные и
полупроводниковые приборы), а также источники питания.
Свою электрическую цепь имеет подогреватель катода. С помощью
цепи накала, которая обеспечивает нагрев катода, путем изменения
температуры катода также можно управлять током через лампу, од-
нако этот принцип управления током практически никогда не ис-
пользуется.
Совокупность значений факторов, воздействующих на электрон-
ную лампу, определяет ее режим работы. Параметрами режима назы-
ваются величины, характеризующие данный режим. Так, электриче-
ский режим определяют значения напряжений на электродах и токи в
их цепях.
Режимы электронных ламп различают как по характеру воздей-
ствий на прибор (электрический, тепловой, механический режимы),
так и по значению этих воздействий (номинальный и предельный
режимы).
Электрические режимы работы лампы разделяются в зависимости
от длительности прикладываемых к электродам напряжений. Если
все параметры электрического режима постоянны, то режим работы
называется статическим.
Квазистатическим называют режим, в котором параметры режи-
ма меняются настолько медленно, что свойства прибора практически
не отличаются от свойств в статическом режиме. Если прикладываемые
к электродам переменные напряжения изменяются настолько быст-
ро, что это сказывается на свойствах прибора, имеет место динамиче-
ский режим работы прибора.
5.4.	ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АНОДОВ
На анод электронной лампы подается положительное напряжение
Ua. Вылетающие из катода электроны разгоняются в ускоряющем по-
ле и приобретают кинетическую энергию eUa. При бомбардировке
анода эта энергия передается материалу анода в виде тепла. Мощность,
выделяемая на аноде за счет электронной бомбардировки,
Pa = neU^,
где п — количество электронов, прилетающих на анод в единицу вре-
мени.
Учитывая, что пе является анодным током лампы 1а, получаем
рл = 1ЛиЛ.
70
Одновременно с нагревом анода электронной бомбардировкой про-
исходит его охлаждение за счет'излучения энергии или принудитель-
ного воздушного или водяного охлаждения. В лампах малой и сред-
ней мощности основную роль играет излучение энергии. Рассеивае-
мая анодом мощность за счет излучения определяется законом Стефа-
на-Больцмана:
^а,изл — ЩеоГа,
где Па - площадь излучающей поверхности анода; е — коэффициент
излучения; а — постоянная Стефана-Больцмана; Тл — температура
анода.
Тепловой режим анода определяет стационарное значение его тем-
пературы, при которой подводимая мощность становится равной рас-
сеиваемой мощности Ра = Ра,изл- Отсюда установившаяся темпе-
ратура анода
Следует отметить, что при расчетах нужно учитывать также мощ-
ность теплового излучения катода, поглощаемую материалом анода.
Допустимая температура анода ограничивается процессом газовы-
деления с анода, что может привести к отравлению катода и снижению
его эмиссионных свойств, а в результате к сокращению срока службы
лампы. Мощность, рассеиваемая анодом, приводите^ в паспортах
электронных ламп, и превышать ее в процессе эксплуатации прибора
недопустимо. Особенности теплового режима мощных электронных
ламп рассматриваются в гл. 9.
5.5.	КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Электронные лампы классифицируют по различным признакам.
1.	По виду преобразования электрической энергии выделяют лампы:
выпрямительные (для преобразования переменного тока в посто-
янный) ;
генераторные и модуляторные (для преобразования энергии источ-
ника постоянного тока или напряжения в энергию переменного тока
специальной формы);
усилительные (для преобразования энергии источника постоянного
тока или напряжения в энергию переменного тока, по форме совпа-
дающего с усиливаемым сигналом);
частотно-преобразовательные и смесительные (для преобразования
спектрального состава сигнала, т. е. энергии переменного тока одной
частоты в энергию переменного тока другой частоты).
71
2.	По количеству электродов среди электронных ламп различают:
диоды (лампы с двумя электродами);
триоды (трехэлектродные лампы);
тетроды (четырехэлектродные лампы);
пентоды (пятиэлектродные лампы) и т. д. Следует отметить, что
электронные лампы имеют разное количество сеток, так как катод и
анод обязательно присутствуют в каждой лампе.
3.	Различие по мощности обусловлено конструктивными особен-
ностями электронных ламп. Критерием является максимальная до-
пустимая мощность, рассеиваемая анодом лампы. Существуют лам-
пы малой, средней и большой мощности.
4.	По конструктивному оформлению лампы могут быть стеклян-
ные, металлические, миниатюрные, сверхминиатюрные и т. д.
5.	По частотному диапазону работы электронные лампы делят на
низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
В справочниках по электронным лампам применяется смешанная
классификация по перечисленным признакам, показывающая кон-
кретное назначение данного типа приборов. Например, существуют
лампы для усиления напряжения низкой частоть! в выходных кас-
кадах, лампы для выпрямления высокого напряжения и т. д.
Вместе с тем имеется ряд электронных ламп, не подходящих ни
под один из приведенных признаков классификации, такие как
механотроны (датчики механического смещения), электронно-свето-
вые индикаторы напряжения.
Каждый тип электронных ламп имеет сокращенное условное обо-
значение, регламентируемое общесоюзным стандартом.
Контрольные вопросы и задания
1.	Какими достоинствами обладают электронные лампы?
2.	Перечислите узлы и детали, из которых состоят электронные лам-
пы; поясните их назначение.
3.	Какие бывают режимы работы электронных ламп?
4.	Чем определяется значение допустимой мощности, рассеиваемой
анодом электронной лампы?
5.	Какими факторами ограничивается допустимая температура
анода?
6.	Перечислите основные классификационные признаки электрон-
ных ламп.
Глава шестая
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
6.1.	ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИОДЕ
Диодом называется простейшая электронная лампа, содержащая
два электрода — анод и катод. Физические процессы в диоде удобно
рассматривать с помощью потенциальных диаграмм, показывающих
распределение потенциала в пространстве между электродами лампы.
Для простоты будем считать электроды диода параллельными беско-
нечными плоскостями. Если катод не нагрет и термоэлектронная эмис-
сия с его поверхности отсутствует, то в пространстве между катодом
и анодом не будет свободных носителей заряда - электронов. При по-
даче на анод положительного напряжения относительно катода (по-
тенциал катода принимается равным нулю) электрическое поле диода
будет однородным, как в плоском конденсаторе. Вектор напряженности
поля в любой точке пространства перпендикулярен электродам. Рас-
пределение потенциала между электродами будет линейным (рис. 6.1,
кривая 7).
При нагреве катода возникает термоэлектронная эмиссия с его по-
верхности. Эмиттируемые катодом электроны через определенное вре-
мя достигают анода. Таким образом в междуэлектродном промежутке
возникает отрицательный объемный заряд, который приводит к пони-
жению потенциала во всех точках пространства. Степень снижения
потенциала определяется количеством испускаемых катодом электронов
в единицу времени и скоростью их движения между электродами. Ско-
рости электронов зависят, в свою очередь, от напряжения анода.
При невысокой температуре катода, а следовательно, небольшом
количестве испускаемых в единицу времени электронов потенциал в
междуэлектродном пространстве, снижаясь, остается положительным.
На электроны везде действует электрическое поле, ускоряющее их по
направлению к аноду (рис. 6.1, кривые 2 и 3), поэтому все эмиттиро-
ванные катодом электроны достигают анода. Ток анода равен току
эмиссии.
Когда температура катода достигает некоторого определенного
значения, снижение потенциала пространства достигает такой степени,
что поле у поверхности катода становится нейтральным, т. е. потен-
циал равен нулю (рис. 6.1, кривая 4). При удалении от катода поле
остается ускоряющим, т. е. потенциал пространства положительный.
Дальнейшее повышение температуры катода приводит к такой плот-
ности объемного заряда, что потенциал пространства около катода,
где скорость электронов мала, становится отрицательным по отноше-
нию к катоду (рис. 6.1, кривые 5 и 6). В промежутке от поверхности
катода до минимума потенциала на электроны, вылетающие из катода,
действует тормозящее поле, а далее от минимума потенциала до ано-
73
Рис. 6.1. Распределение потенциала в диоде при различных температурах катода и
постоянном анодном напряжении
Рис. 6.2. Распределение потенциала в диоде при различных анодных напряжениях
и постоянной температуре катода
да — ускоряющее. Для того чтобы змиттированным катодом электро-
нам попасть в область ускоряющего поля, а затем на анод, им необхо-
димо сначала преодолеть тормозящее поле объемного заряда. Выле-
тающие из катода электроны имеют различную начальную кинетиче-
скую энергию, и только часть из них в состоянии преодолеть возник-
ший потенциальный барьер. Остальные электроны возвращаются на
катод. Анодный ток в этом случае составляет только часть тока
эмиссии.
При постоянной температуре катода, а следовательно, постоянном
токе эмиссии катода распределение потенциала между электродами
зависит от анодного напряжения (рис. 6.2). Из сравнения рис. 6.2 и 6.1
видно, что здесь также имеют место два случая. Первый — поле во
всем пространстве между электродами ускоряющее (кривая 4). По-
тенциал всех точек междуэлектродного промежутка положительный.
Второй — в пространстве между электродами имеется область с отри-
цательным потенциалом. Поле от катода до минимума потенциала тор-
мозящее, а от минимума до анода ускоряющее (кривые 1, 2). Пере-
ход от первого случая ко второму (кривая 5) происходит при опре-
деленном анодном напряжении £7анас •
В первом случае ток анода не зависит от значения анодного напря-
жения, он равен току эмиссии катода, т. е. определяется его темпе-
ратурой. Такой режим работы диода называется режимом ограниче-
ния тока температурой катода или режимом насыщения.
Во втором случае наблюдается резкая зависимость тока анода of
анодного напряжения. Это объясняется тем, что от анодного напря-
74
жения зависит глубина минимума потенциала, т. е. потенциальный
барьер, который должны преодолеть электроны. Поэтому значение
анодного напряжения определяет количество электронов, прошед-
ших минимум потенциала и составивших анодный ток диода. Такой
режим работы лампы называется режимом ограничения тока объем-
ным зарядом или просто режимом объемного заряда. В режиме
объемного заряда анодный ток слабо зависит от температуры катода.
Таким образом, режим работы диода определяется значением анод-
ного напряжения и температурой катода (или напряжением накала).
Переход из одного режима в другой может быть вызван изменением
любого из указанных параметров. Однако напряжение накала обыч-
но является фиксированным для каждой лампы, поэтому считают, что
режим работы диода зависит только от значения анодного напряжения.
В подавляющем большинстве случаев в диодах используется режим
объемного заряда.
6.2.	СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ДИОДА
Физические процессы в диоде, рассмотренные в предыдущем пара-
графе, позволяют легко объяснить закономерности основных харак-
теристик прибора.
На рис. 6.3 приведено семейство эмиссионных характеристик, пред-
ставляющих зависимость анодного тока диода от напряжения накала
7а = /(Ц<) при неизменном для каждой отдельной характеристики
анодном напряжении. При небольших напряжениях накала (до UH,
ии" и 1/„") диод работает в режиме насыщения и все эмиттированные
катодом электроны попадают на анод, т. е. /а = /э. Анодный ток рас-
тет при увеличении напряжения накала по закону, определяющему за-
висимость тока эмиссии от температуры катода. При напряжениях на-
кала, превышающих С7Н', U„ и U„", диод переходит в режим объемного
заряда, характеризующийся слабой зависимостью тока анода от напря-
жения накала, т. е. /а < /э. Увеличение анодного напряжения приводит
к увеличению значения напряжения накала, при котором происходит
переход диода в режим объемного заряда.
Основной характеристикой диода является зависимость анодного
тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала -
анодная характеристика 1Л~ f(Ua). Анодный ток диода связан с на-
пряжением анода законом степени трех вторых.
Для вывода этого закона необходимо ввести некоторые упрощающие
задачу предположения. Катод и анод считаем плоскими параллельными
безграничными пластинами, что позволяет пренебречь краевыми эффек-
тами и поле между электродами считать однородным. Предполагаем,
что катод находится в области минимума потенциала. Тогда напря-
женность электрического поля около катода равна нулю. Скорость
75
2	Ua>u'a ₽ис. 6.3. Семейство эмиссионных характеристик
—----диода
V а * U а
/ электронов в области минимума потенциа-
______________— ла меньше начальных скоростей электронов
при термоэлектронной эмиссии, поэтому их
для удобства будем считать также равны-
______„ ми нулю.
ии и„ и„'	ин в большинстве режимов работы диодов
расстояние от минимума потенциала до ка-
тода гораздо меньше междуэлектродного расстояния, а глубина миниму-
ма по абсолютному значению существенно меньше анодного напряже-
ния, поэтому считаем ха - xmin « ха и ил - Umin & ил.
Электрическое поле между плоскими электродами, находящимися
в вакууме при наличии объемного заряда, описывается уравнением
Пуассона
d^U/dx1 = — р/е0,	(6.1)
где р - плотность объемного заряда; е0 — электрическая постоянная.
Известно, что плотность заряда связана с плотностью тока следую-
щим соотношением:
Р = -J/v,
где v — скорость носителей заряда — электронов.
В любой точке междуэлектродного пространства скорость электро-
нов может быть найдена из выражения
mev2/2 = eU,
где U — потенциал в точке определения скорости; те — масса элект-
рона.
Отсюда
v = V 2е/7/ те.
Плотность объемного заряда связана с потенциалом междуэлектрод-
ного пространства в диоде выражением
p = -J
V те12е
(6.2)
Подставив (6.2) в уравнение Пуассона (6.1), получим
сРи
Л2
j у/ те/2е
Со у/й~
(6.3)
76
Умножим обе части уравнения (6.3) на 2dU/dx:
„ dU d2U „ J у/те/2е dU
2__________= 2--------------------
dx dx2 ео \JU
или
2	—--
4 / du\ л J те d гу-
-— / — ) = 4 — / — — v U.
dx \ dx ! е0 V 2е dx
Интегрируя от 0 до х, получаем
. ч 2	)------
(dU \	J / те
—г- I — 4— / т" U.
\dx )	е0 V 2е
(6-4)
Постоянные интегрирования равны нулю, так как при х = О U = 0 и
dU/dx = 0.
Извлечем корни из обеих частей равенства (6.4), разделим пере-
менные и затем, повторно интегрируя, получим
4 4 ।—г	,----- 4 /---
— yjU3 =	J/е0 v те!2е х.
Отсюда находим соотношение между плотностью анодного тока и
потенциалом в точке х
4е0
9
Подставив числовые значения Со и е/те, приняв х = ха в сантимет-
рах и U = Ua в вольтах, окончательно получим выражение для плотно-
сти тока у поверхности анода, А/см2,
J = 2,33 • 10’6 и31г1х\.
Если площадь поверхности анода, принимающая электроны, рав-
на Па, то анодный ток
/а= 2,33- КГ6 (Па/х2а) и3'2.
(6-5)
Закон степени трех вторых обычно записывают в виде
fa = GU3al\
где G — сомножитель, зависящий только от конструкции диода, так
называемый первеанс лампы. Для диода с плоскопараллельной кон-
фигурацией электродов
G = 2,33 • 10“б Па/х2.
(6-6)
11
Рис. 6.4. Цилиндрическая конструкция электродов диода:
1 - катод; 2 - анод
Рис. 6.5. График функции /З2 =
Первеанс диода с цилиндрической конфигурацией электродов, схе-
матически представленных на рис. 6.4, равен
. 2ттга7а
0=2,33-10‘6—(6.7)
ГаР
где /З2 - функция отношения радиуса анода к радиусу катода. Зависи-
мость (З2 от rJrK приведена на рис. 6.5. При Гд/гк = 10 можно счи-
тать /З2 = 1.
На рис. 6.6 изображено семейство анодных характеристик диода
/а = /(Оа) при постоянном для каждой отдельной характеристики
напряжении накала. До определенного напряжения анода 77а' 77а и
характеристики подчиняются закону степени трех вторых. Если анод-
ные напряжения больше указанных значений, диод переходит в режим
насыщения и анодный ток не зависит от анодного напряжения.
На рис. 6.7 приведены реальная анодная характеристика диода с
вольфрамовым катодом 6Д2С (кривая 7) и теоретическая характери-
стика (кривая 2), рассчитанная по закону степени трех вторых с уче-
том геометрических размеров электродов этой лампы.
Сравнение кривых 7 и 2 показывает, что реальная характеристика
отличается от теоретической. Это объясняется тем, что при выводе за-
кона степени трех вторых был сделан ряд предположений, упрощаю-
щих задачу. Анодный ток на реальной характеристике начинается при
небольшом отрицательном напряжении на аноде, что связано с наличи-
ем начальных скоростей электронов. Начальная кинетическая энергия
некоторых эмиттированных электронов позволяет им преодолевать
небольшое тормозящее поле анода.
Более пологий ход реальной характеристики объясняется неравно-
мерным распределением температуры по поверхности катода. Концы
78
Рис. 6.7. Реальная (/) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым
катодом 6Д2С
Рис. 6.6. Семейство анодных характеристик идеализированного диода
катода, находящиеся в местах закрепления в дисках изоляторов, име-
ют более низкую температуру, чем средняя его часть. Этой же причи-
ной объясняется плавный переход в режим насыщения ламп с вольфра-
мовым катодом. Участки катода, имеющие различную температуру,
переходят в режим насыщения при разных анодных напряжениях. Дру-
гой причиной плавного перехода в режим насыщения является неэкви-
потенциальность поверхности прямонакальных катодов. Падение на-
пряжения на катоде при протекании тока накала приводит к тому, что
разность потенциалов между анодом и различными участками катода
не будет одинаковой.
На рис. 6.8 представлена теоретическая (кривая 7) и реальная (кри-
вая 2) характеристики диода с оксидным катодом 6Х2П. Как видно
из характеристики, у ламп с оксидным катодом нет резко выраженно-
го участка насыщения. С ростом анодного напряжения продолжается
рост анодного тока, что объясняется проявлением эффекта Шоттки
(см. § 2.3).
Для оценки свойств диода при его практическом применении исполь-
зуются два основных параметра, показывающие, как меняются анодный
ток при изменении анодного напряжения: крутизна анодной характери-
стики и внутреннее сопротивление диода.
Крутизна S в заданной точке характеристики определяется как тан-
генс угла а наклона касательной в этой точке к оси абсцисс (рис. 6.9)
S = dIJdUb.
Крутизна имеет размерность проводимости и обычно указывается
в миллиамперах на вольт. Ввиду того что анодная характеристика дио-
да нелинейна, крутизна характеристики не является постоянной, а зави-
сит от анодного напряжения. Эта зависимость может быть получена из
79
Рис. 6.8. Теоретическая (7) и реальная (2) характеристики диода с оксидным ка-
тодом 6Х2П
Рис. 6.9. Определение статических параметров диода по анодной характеристике
закона степени трех вторых дифференцированием выражения (6.5)
s=(3/2m1/2.
Практически крутизна может быть определена по анодной характе-
ристике как отношение приращения тока к приращению напряжения
вблизи заданной точки
С/а'- I/" Д1/а ‘
В справочниках крутизна указывается для номинального режима
работы лампы.
Внутреннее сопротивление R. - величина, обратно пропорциональ-
ная крутизне,
R. = 1/5.
Крутизна и внутреннее сопротивление являются дифференциальны-
ми параметрами лампы и указывают проводимость и сопротивление
диода переменному току с малой амплитудой.
6.3. РАБОТА ДИОДА С НАГРУЗКОЙ
Обычно в анодную или катодную цепь диода включается сопротив-
ление нагрузки. Такой режим работы лампы называется рабочим. Рас-
смотрим простейший случай, когда нагрузкой диода является актив-
ное сопротивление Ra (рис. 6.10). Напряжение на диоде в рабочем ре-
80
Рис. 6.10. Схема включения диода с
нагрузкой в анодной цепи
Рис. 6.11. Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямая
жиме будет меньше напряжения источника питания на значение падения
напряжения на нагрузке при протекании анодного тока
ил = £и - /аЛа.	(6.8)
При определенном напряжении источника питания Еи падение напря-
жения на лампе будет зависеть от значения анодного тока. Для опреде-
ления тока через диод при заданных значениях напряжения источника
питания и сопротивления нагрузки построим статическую анодную
характеристику диода и нагрузочную прямую. Построить нагрузочную
прямую можно с помощью уравнения (6.8) по двум точкам. Эта пря-
мая проходит на оси абсцисс через точку Ua = Еи (при /а =0), а на
оси ординат через точку /а = Е„/Ra (при Ua =0). Ток в диоде и на-
грузке протекает общий, поэтому рабочей точкой А будет точка пере-
сечения анодной характеристики диода с нагрузочной прямой
(рис. 6.11). Эта точка является решением уравнения (6.8). Проекция
рабочей точки на ось абсцисс позволит определить падение напряжения
на диоде Ua и на сопротивлении нагрузки UR = IaRa.
Применение диодов. Односторонняя проводимость диодов лежит
в основе их применения для выпрямления переменного тока. Диоды,
предназначенные для этой цели, носят название кенотронов. При вы-
прямлении напряжений до десяти киловольт в настоящее время полу-
проводниковые диоды практически полностью вытеснили вакуум-
ные. Однако при напряжениях, составляющих несколько десятков ки-
ловольт, и небольших токах успешно применяются вакуумные диоды.
Маломощные высоковольтные выпрямители на диодах применяются,
например, в схемах питания электронно-лучевых приборов.
На нелинейности характеристики диодов основано их применение
для преобразования высокочастотных сигналов: детектирование, пре-
образование частоты. В этом случае важным параметром диода явля-
ется междуэлектродная емкость, образованная металлическими элект-
родами и вакуумным промежутком между ними. Емкостная проводи-
мость на высоких частотах становится соизмеримой с проводимостью
самого диода, что отрицательно сказывается на его свойствах. По-
81
этому конструкция диодов в основном определяется их наз
чением.
Контрольные вопросы и задания	/
1.	Как влияют на распределение потенциала между электродами
диода температура катода и значение анодного напряжения?
2.	Что представляют собой режим объемного заряда и режим йасы-
щения? Чем определяются указанные режимы работы диода?
3.	Приведите аналитическое выражение зависимости анодного тока
диода от напряжения анода.
4.	Поясните основные причины отличия реальной анодной характе-
ристики диода от теоретической.
5.	Что называется крутизной анодной характеристики диода и как
ее определить по указанной характеристике?
6.	Как найти ток диода при заданных напряжениях источника пита-
ния и сопротивлении нагрузки?
7.	Укажите области применения диодов.
Глава седьмая
ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
7.1.	ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИОДЕ
Триодом называется трехэлектродная электронная лампа, имеющая
кроме анода и катода третий электрод — сетку. Введение сетки позво-
ляет управлять током в лампе без изменения анодного напряжения.
Сетка расположена между анодом и катодом триода.
Анод триода имеет положительньш потенциал относительно катода.
Сетка может иметь как отрицательный, так и положительный потен-
циал. Результирующее поле у поверхности катода определяется поля-
ми сетки и анода. Управляющее действие сетки основано на изменении
электрического поля у поверхности катода, от значения которого за-
висит анодный ток лампы. Одна из схем включения триода показана
на рис. 7.1.
Для понимания физических процессов в трехзлектродной лампе рас-
смотрим электрическое поле и распределение потенциала в междуэлект-
родном промежутке. Для простоты будем считать катод и анод плоско-
параллельными пластинами, между которыми помещена сетка в виде
параллельных этим пластинам стержней (витков) (рис. 7.2).
На рис. 7.3 показаны эквипотенциальные линии и графики распре-
деления потенциала между электродами при различных напряжениях
на сетке и постоянном анодном напряжении триода. Катод триода бу-
дем считать ’’холодным”, поэтому пространственный заряд в между-
82
Рис. 7.1. Одна из схем включения триода
Рис. 7.2. Схематическое изображение
плоской системы электродов триода:
1 - катод; 2 - сетка; 5 - анод
электродном пространстве отсутствует. Графики на рисунке показы-
вают распределение потенциалов в сечении 1—1, проходящем от катода
к аноду через витки сетки, и в сечении 2—2, проходящем в середине меж-
ду витками.
При значительном отрицательном напряжении на сетке потенциал
всего пространства у поверхности катода отрицательный (рис. 7.3, а).
Области отрицательных потенциалов относительно катода заштрихо-
ваны на рисунке. Если не учитывать начальные скорости, то электроны,
вышедшие из катода, не могут преодолеть тормозящее поле. Анодный
ток в этом случае равен нулю — лампа заперта.
Картина поля на рис. 7.3, б соответствует напряжению на сетке, при
котором потенциал у катода в сечении 2—2 становится положительным.
Электроны с точек поверхности катода, которые лежат в этом сечении,
могут попасть на анод. Напряжение сетки или анода, превышение ко-
торого вызывает появление анодного тока, носит название напряжения
запирания. Очевидно, что при меньших напряжениях на указанных
электродах ток в лампе отсутствует.
Дальнейшее повышение потенциала сетки приводит к росту разме-
ров тех участков катода, поле перед которыми ускоряющее (рис. 7.3, в).
В этом случае анодный ток образуется только за счет электронов, вы-
шедших с отдельных участков катода (островков), расположенных
между витками сетки. Размеры островков зависят от значения сеточ-
ного напряжения. Это явление называется островковым эффектом.
При некотором потенциале сетки в формировании анодного тока
участвует уже вся поверхность катода. Потенциал пространства у по-
верхности всего катода положительный (рис. 7.3, г). Если потенциал
сетки совпадает с потенциалом пространства между ее витками, кар-
тина поля становится такой же, как в диоде с ’’холодным” катодом
(рис. 7.3, <)). Сетка в этом случае не влияет на картину поля. На рис. 7.3,е
показана картина поля при большом положительном напряжении
сетки.
83
О 20 40 60 80 100	0 20 40 60 80 1U0
Рис. 7.3. Эквипотенциальные пинии и графики распределения потенциала в плоском
триоде по виткам сетки в сечении 1—1 (кривые 1) и между витками в сечении 2—2
(кривые 2)
В реальном триоде с накаленным катодом электрическое поле опре-
деляется как напряжениями сетки и анода, так и объемным зарядом
электронов в междуэлектродном промежутке. В режиме насыщения
84
Рис. 7.4. Триод и эквивалентный ему диод
от катода отбираются все электроны и катодный ток практически не
зависит от значения напряжения на сетке, если не принимать во внима-
ние эффект Шоттки. Поэтому эффективное управление анодным то-
ком возможно только в режиме объемного заряда, т. е. при наличии
минимума потенциала у поверхности катода. Именно глубину этого
минимума регулирует напряжение на управляющем электроде — сетке.
Следует обратить внимание на то, что режим объемного заряда трио-
да сохраняется и до определенного положительного напряжения сетки.
При положительном напряжении сетки часть электронов из объемного
заряда попадает на ее витки, образуя сеточный ток. Однако площадь
витков сетки существенно меньше площади межвиткового простран-
ства, поэтому большая часть электронов проходит на анод триода.
Анодный ток триода, как правило, значительно больше сеточного. Та-
ким образом, в общем случае в триоде существуют три тока: катод-
ный, анодный и сеточный (рис. 7.1)
/к ~ 1ц + 7С.
При отрицательном потенциале сетки ее ток практически равен
нулю и 7к 7а. Чтобы определить катодный ток триода, можно вос-
пользоваться законом степени трех вторых, полученным для диода.
Для этого триод представляют в виде эквивалентного диода. Сплошной
анод эквивалентного диода расположен в плоскости сетки триода
(рис. 7.4). Анодное напряжение эквивалентного диода, при котором
его анодный ток равен катодному току триода, называется действую-
щим напряжением. Другими словами, действующее напряжение анода
эквивалентного диода воздействует на прикатодную область так же,
как совместно воздействуют поля анода и сетки триода. Выразив это
напряжение через напряжения анода и сетки триода, можно рассчи-
тать катодный ток триода.
В связи с тем, что токи реального триода и эквивалентного диода
равны, будут равны в этих лампах и напряженности полей у поверх-
ности катода. Заряды, наводимые на катоде анодом и сеткой триода,
будут соответственно равны
q ~ Ся кия; q -с U
пт,а а»к а’ хт,с vc,Kiyc>
где Са>к — емкость между анодом и катодом триода; СС1К — емкость
между сеткой и катодом триода (рис. 7.4).
85
Суммарный заряд на катоде триода
<?т = ^т,а + ^т,с ~ ^а.к^а + ^с.к^с-
Заряд, наводимый на катоде анодом эквивалентного диода,
q =CU„,
Чд Д’
С - емкость между анодом и катодом эквивалентного диода; Ua -
действующее напряжение.
Заряды на катодах триода и эквивалентного диода должны быть
равны <?д = <?т, тогда
СС/д = CCKUc + CaKUa.
Откуда
ия = (Сс>кис + Са,киа)/с.
Площадь анода эквивалентного диода больше поверхности витков
сетки, поэтому С > СС)К. Для упрощения получаемого выражения
можно считать
СС(К + Са,к.
Тогда
у _ ^с,к^с + Са>кС^а
Д Сс>к + Са>к
Разделив числитель и знаменатель на Сс>к и обозначив отношение
Са>к/СС)к = О, получим
UR=(UC+ DUa)/(A+ D).	(7.1)
Величина D называется проницаемостью сетки, она показывает, на-
сколько слабее воздействие потенциала анода на поле перед катодом
по сравнению с воздействием потенциала сетки. Чем гуще намотаны
витки сетки и чем ближе она расположена к катоду, тем сильнее ска-
зывается ее экранирующее действие, т. е. тем меньше проницаемость
сетки.
Проницаемость сетки для большинства триодов значительно мень-
ше единицы, поэтому в знаменателе (7.1) величиной D можно прене-
бречь. В результате получается простое выражение для действующего на-
пряжения
UR= Uc+DVa.	(7.2)
Зная значение действующего напряжения, можно рассчитать токи
в триоде. По определению эквивалентного диода его анодный ток
равен катодному току триода, поэтому закон степени трех вторых для
86
триода может быть записан в виде
/к = /а + /с= g'и3'2,
14 о v	Д’
или
IK = G'(UC+ DUa)3l2.	(7.3)
Для плоской системы электродов по аналогии с выражением (6.6)
G' = 2,33 Ю'6 ПС)Эф/х2>к,	(7.4)
где хс,к — расстояние между катодом и сеткой триода, равное расстоя-
нию между катодом и анодом эквивалентного диода; Псэф — эффек-
тивная поверхность анода эквивалентного диода - сплошного электро-
да, находящегося на месте сетки триода.
Для цилиндрической системы электродов согласно выражению (6.7)
G* = 2,33 • 10-6 Пс эф/(г2/32),	(7.5)
где гс — радиус сетки; Пс>Эф — площадь поверхности сплошного ци-
линдра, находящегося на месте сетки триода, Псэф = 2тггс/; I — длина
системы электродов; /3 — функция отношения радиуса сетки к радиусу
катода.
7.2.	СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ТРИОДА
Катодный, анодный и сеточный токи триода, как следует из выраже-
ния (7.3), определяются значениями напряжений на аноде и сетке лам-
пы. Напряжение накала будем считать постоянным, поэтому
/к = Ж: Ua); Ia = f(Ue, СЛа); /С = ЖС; иа).
Из возможных характеристик триода в основном представляют ин-
терес следующие характеристики:
1)	анодно-сеточная /а =f(Uc) при Ua= const;
2)	анодная Ia = /(С7а) при Uc = const;
3)	сеточная Ic = f(Uc) при Ua = const;
4)	сеточно-анодная Ic = f(Ua) при Uc = const.
Каждая из указанных характеристик является зависимостью тока
анода или сетки от напряжения на одном из электродов относительно
катода при постоянстве напряжения на другом электроде.
Статические характеристики триода при отрицательных напряже-
ниях на сетке. Ранее было отмечено, что при отрицательных напряже-
ниях на сетке сеточный ток очень мал и 7К ~ 1а. Поэтому в данном
случае Представляют интерес две характеристики триода: анодно-се-
точная и анодная. Согласно закону степени трех вторых анодный ток
87
Рис. 7.5. Семейство анодно-сеточных характеристик триода 6Н18Б
Рис. 7.6. Семейство анодных характеристик триода 6Н18Б
можно найти из выражения
/a=G'(C/c+ DU^2.	(7.6)
При различных постоянных напряжениях анода эта зависимость
будет описывать семейство анодно-сеточных характеристик триода.
На рис. 7.5 приведено семейство анодно-сеточных характеристик сверх-
миниатюрного двойного триода 6Н18Б. Запирающее напряжение сетки
можно найти из выражения (7.6), приняв в нем /а = 0:
С4>зап=-ПС7а.	(7.7)
При увеличении напряжения анода анодно-сеточная характеристика
будет сдвигаться влево, при уменьшении — вправо. Таким образом,
напряжение запирания триода зависит от анодного напряжения и прони-
цаемости сетки, причем повышение густоты сетки приводит к сдвигу
характеристик вправо.
Кривые для разных анодных напряжений одинаковы по форме, как
следует из (7.6), но сдвинуты по оси абсцисс на
ДЦ. = -£)ДС/а.
Приведенные на рисунке анодно-сеточные характеристики триода
несколько отличаются от теоретических характеристик, описываемых
законом степени трех вторых. Ряд причин, приводящих к отклонению
реальных характеристик от теоретических, рассмотрен в § 6.2 приме-
нительно к двухэлектродной лампе. Основной причиной более пологого
хода характеристик, как и у диода, является неравномерная темпе-
ратура поверхности катода. Некоторое затягивание начала характери-
стики объясняется тем, что лампа запирается не сразу по всей поверх-
88
ности катода; имеет место островковый эффект (см. рис. 7.3, в). Осо-
бенно заметно это явление у ламп с редкой сеткой.
Выражение (7.6) при фиксированных напряжениях сетки описыва-
ет семейство анодных характеристик триода. На рис. 7.6 показано се-
мейство анодных характеристик лампы 6Н18Б. Приравняв анодный
ток нулю, из формулы (7.6) найдем напряжение запирания анода, при
котором появляется ток в цепи анода,
t4>3an = -t4/n.
Статические характеристики триода при положительных напряжениях
сетки. При положительном напряжении сетки катодный ток, зависящий
от напряжений на электродах согласно выражению (7.3), распределя-
ется между анодом и сеткой. Соотношение между анодным и сеточным
токами определяется траекториями движения электронов, которые
зависят от структуры поля в междуэлектродном пространстве, т. е.
от вида эквипотенциальных линий. Согласно теореме подобия струк-
тура электрического поля не изменится, если пропорционально изме-
нить потенциалы всех электродов. Это позволяет сделать вывод, что
траектории электронов, а следовательно, и соотношение анодного и
сеточного токов зависят не от абсолютного значения напряжения
электродов, а от их отношения. Отношение анодного тока к сеточ-
ному носит название коэффициента токораспределения
IJlc = kp=f{UJUc).	(7.8)
Учитывая, что IK = Ia+- 1С, получаем
<7’9)
4=^/к.	(7.10)
Окончательно выражения для анодного и сеточного токов триода
при положительном напряжении на сетке будут иметь вид
к
4 = т-ттс’^+ пс/а)3/2;	(7.11)
Лр Т 1
Ic= 1-^-Gl(Uc+ DUa)3l2.	(7.12)
кр т 1
Рассмотрим закономерности токораспределения при различных
отношениях UJ Uc. Если Uc > J7a, то потенциал витков сетки оказыва-
ется выше потенциала области между ее витками (рис. 7.7). В этом
случае поле межвиткового пространства действует на электронный
89
Рис. 7.7. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при 17с>{/а
Рис. 7.8. Графики распределения потенциала в триоде при различных анодных на-
пряжениях
поток как рассеивающая линза. Электроны получают ускорение в на-
правлении близлежащего витка сетки. Чем ближе к витку пролетает
электрон, тем сильнее он отклоняется в сторону сетки. Пролетев об-
ласть сетки, электрон попадает в замедляющее поле. Составляющая
скорости в направлении анода может оказаться недостаточной для
преодоления этого поля, и электрон возвратится на один из витков
сетки. В промежутке между сеткой и анодом образуется объемный
заряд, снижающий потенциал пространства. Электроны, скорость
которых достаточна для преодоления минимума потенциала, долетают
до анода. Остальные электроны возвращаются на сетку, создавая се-
точный ток.
На рис. 7.8 приведены графики распределения потенциала между
электродами триода при различных анодных напряжениях. Значе-
ние анодного напряжения сильно влияет на количество электронов,
возвращающихся на сетку. Такой режим токораспределения носит
название режима возврата электронов. Он характеризуется резкой
зависимостью анодного и сеточного тока, а также коэффициента то-
кораспределения от напряжения анода (или сетки).
При увеличении анодного напряжения уменьшается глубина ми-
нимума потенциала между сеткой и анодом и быстро увеличивается
количество электронов, достигающих анода. При Ua > 0,8Uc практиче-
ски все электроны, пролетающие область сетки, попадают на анод’.
Сеточный ток составляют только электроны, которые непосред-
ственно перехватываются витками сетки. На рис. 7.9 показаны зкви-
потенциали и траектории электронов при Ua > Uc. Такой режим токо-
распределения носит название режима прямого перехвата. Он харак-
теризуется слабой зависимостью анодного и сеточного токов и коэф-
фициента токораспределения от напряжения анода (или сетки). За-
висимость коэффициента токораспределения в этом режиме от от-
ношения анодного и сеточного напряжений дает формула
90
Рис. 7.10. График зависимости коэффициента токораспределения от отношения
напряжений на электродах
Рис. 7.9. Эквипотенциальные линии и траектории электронов в триоде при Ua>Uc
fcp=C1(C7a/C7c)1/2,
где Ci - коэффициент, зависящий от конструкции лампы.
Для системы плоских электродов
. /Х \ 213
г _ Л I *с,к \
1 _ т I ’
(7.13)
(7-14)
где h и d — соответственно шаг и диаметр проволоки витков сетки;
ха,к ~ расстояние от анода до катода. Отношение d/h называют ко-
эффициентом заполнения сетки.
Для цилиндрической системы электронов
. /г \ 113
Ci = -т(~Г
d у. а
(7-15)
где гс и га — радиусы сетки и анода.
На рис. 7.10 показана зависимость коэффициента токораспределе-
ния от отношения напряжений на электродах.
На рис. 7.11 приведено семейство анодно-сеточных и сеточных ха-
рактеристик мощного триода ГУ-89А. При увеличении напряжения сет-
ки анодный ток сначала растет, затем при приближении напряжения
сетки к напряжению анода рост анодного тока замедляется и наступа-
ет его уменьшение. Максимум ано дно-сеточных характеристик пока-
зывает момент перехода из режима прямого перехвата в режим воз-
врата. Сеточный ток при росте напряжения сетки постоянно возрас-
тает.
Семейство анодных и сеточно-анодных характеристик лампы ГУ-89А
приведено на рис. 7.12. Резкая зависимость анодного тока от анодного
напряжения характерна для режима возврата электронов. Пологий
участок характеристик соответствует режиму прямого перехвата.
91
Il
6
V
2
-200 0 200 000 600 800 UC,B
Рис. 7.11. Семейство анодно-сеточных и
сеточных характеристик триода ГУ-89А
Рис. 7.12. Семейство анодных и сеточно-анодных характеристик триода ГУ-89А
Статические параметры триода. Для практического применения
триодов используют три основных параметра, которые устанавливают
связь между изменениями анодного тока, напряжения анода и напря-
жения сетки. Такими параметрами являются крутизна характеристи-
ки, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.
Статическая крутизна в заданной точке анодно-сеточной характери-
стики определяется как тангенс угла наклона касательной в этой точ-
ке к оси абсцисс
di,
S~ ~dUc
с Ua = const
Как и в диоде, крутизна измеряется в миллиамперах на вольт. Если
напряжение на сетке отрицательное, то для заданных значений напря-
жений на электродах, зная конструктивные параметры триода, мож-
но получить аналитическое выражение крутизны. Дифференцируя урав-
нение (7.6), получаем
S= -j-G'(Uc + DU,)1'2.	(7.16)
Для большинства триодов приемно-усилительных ламп крутизна лежит
в пределах от 1 до 50 мА/B. У генераторных триодов значение крутиз-
ны может быть значительно большим.
Внутреннее сопротивление триода показывает связь между измене-
ниями анодного тока и анодного напряжения при неизменном напряже-
нии на сетке и определяется как котангенс угла наклона касательной
92
в заданной точке анодной характеристики к оси абсцисс
<Ша
Л, = ----?
' dla
t7c = const
Внутреннее сопротивление у триодов различного назначения лежит
в широких пределах — от сотен ом до единиц мегаом. У приемно-уси-
лительных триодов внутреннее сопротивление составляет единицы -
десятки килоом.
Статический коэффициент усиления является параметром лампы,
который позволяет сравнивать воздействия анодного и сеточного на-
пряжений на анодный ток. Если изменить напряжение на сетке, то это
вызовет изменение анодного тока. Коэффициент усиления показыва-
ет, во сколько раз нужно увеличить напряжение анода по сравнению с
изменением напряжения сетки, чтобы скомпенсировать воздействие
на анодный ток изменения сеточного напряжения
dUa
dUc
(7.17)
Ia = const
Знак минус указывает на то, что для компенсации сеточного воздей-
ствия на анодный ток изменение анодного напряжения должно быть
противоположно по знаку.
При отрицательном напряжении на сетке, когда 1К « /а, можно
получить простую зависимость, связывающую коэффициент усиления
с проницаемостью. Дифференцируя выражение (7.6), получаем
dla = G' (Uc+DUa)1/2 (dUc + DdUa).
Если считать, что противоположные по знаку приращения dUc и
dUa не приводят к изменению анодного тока, то dla =0 и
dUc + DdUa = 0.
Отсюда
dUc
~dUa
(7-18)
Ia = const
Сравнивая (7.17) и (7.18), получаем д = 1/Z>.
Учитывая, что D = Ca>K/CCiK, получаем д = Сс>к/Са>к. Следователь-
но, статический коэффициент усиления определяется конструкцией
электродов и практически не зависит от режимов работы лампы.
Статические параметры триода S, R. и д связаны между собой
простой зависимостью. Изменение анодного тока dla является сум-
93
мой изменений от воздействия напряжения сетки SdUc и напряжения
анода dUjR. . Если считать, что ток остался неизменным и dla = О,
то можно записать
SdUc = -dUjR.,
или
SR. = д.	(7.19)
Это уравнение, связывающее основные параметры лампы, носит
название внутреннего уравнения триода.
В справочниках статические параметры указываются для номиналь-
ного режима — определенных значений Ua и Uc. Для нахождения па-
раметров при любых напряжениях анода и сетки можно применить гра-
фический способ, используя семейство анодно-сеточных или анодных
характеристик. Например, через точку А, соответствующую задан-
ному режиму на одной из кривых семейства анодно-сеточных харак-
теристик, проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения
с ближайшей характеристикой семейства (точка В, рис. 7.13). Затем
через точку В проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересе-
чения с первой характеристикой семейства (точка С). Получившийся
прямоугольный треугольник, который называют характеристическим,
позволяет определить все три рассмотренных выше статических пара-
метра триода.
Координаты точек А и С, лежащих на одной характеристике, соот-
ветствующей определенному значению анодного напряжения, позво-
ляют найти крутизну
Д^с I и’’ | — I <7' I '
Из координат точек В и С при постоянном напряжении сетки мож-
но найти внутреннее сопротивление
R. = ДС/а/Д7а = (С7а" - Ua ) /(/а" - 1‘ ).
Коэффициент усиления может быть найден из координат точек А и
В, относящихся к одному и тому же значению /а:
Аиа	и"- и’
a	d	d
Ц =  -----=  -------г------:— .
А^с I Uc I — I СЛс I
Аналогичным образом могут быть определены статические парамет-
ры триода по семейству анодных характеристик.
Междуэлектродные емкости. При рассмотрении понятия ’’действую-
щее напряжение” были упомянуты междуэлектродные емкости трио-
да. Для оценки возможности применения триодов для усиления и генери-
94
Рис. 7.13. Определение статических па-
раметров триода
Рис. 7.14. Схема включения триода с
нагрузкой в анодной цепи
рования сигналов на различных частотах важно знать значения между-
электродных емкостей, которые зависят как от конструкции лампы
(геометрических размеров электродов, выводов и держателей, рас-
стояния между ними), так и от электрического режима работы триода.
На значения емкостей оказывает влияние объемный заряд у катода.
Для наиболее распространенной схемы включения триода разли-
чают три междуэлектродные емкости: входную Сск, которая ока-
зывается включенной параллельно входу лампы, выходную Са>к, вклю-
ченную параллельно нагрузке, и проходную Сса, связывающую выход
триода с входом (рис. 7.14).
На высоких частотах Са>к шунтирует нагрузку в анодной цепи лам-
пы, а Сс>к снижает входное сопротивление триода. Емкость CCia обра-
зует, нежелательную проводимость между выходной и входной цепями
лампы, что снижает входное сопротивление усилительного каскада на
триоде, а также может привести к его самовозбуждению. Значение ем-
кости Сса составляет от единиц пикофарад в маломощных лампах до
нескольких сотен пикофарад в самых мощных триодах.
7.3.	РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРИОДА
При работе триода в реальных схемах в цепи электродов включа-
ется нагрузка. Как отмечалось в § 5.3, в качестве нагрузки можно
использовать как пассивные радиотехнические элементы, так и актив-
ные радиотехнические элементы. Рассмотрим простейший случай,
когда в анодную цепь триода включен резистор (см. рис. 7.14). Напря-
жение на аноде триода в рабочем режиме будет определяться выра-
жением (6.8), как у диода. Рабочему режиму триода соответствуют
рабочие характеристики. Основной характеристикой является рабочая
анодно-сеточная характеристика /а = f(Uc) при Еи = const.
При наличии резистора в анодной цепи напряжение анода не является
постоянным, а зависит от сеточного напряжения. Ход рабочей анодно-
сеточной характеристики проще всего определить графическим путем.
95
Рис. 7.15. Работа триода с нагрузкой:
а - форма напряжения на сетке; рабочая (7) и статическая (2) анодно-сеточные
характеристики; б — форма напряжения на лампе и на нагрузке; семейство анод-
ных характеристик триода и нагрузочная прямая; в - форма анодного тока триода
На рис. 7.15, б представлено семейство статических анодных характе-
ристик триода. При заданных значениях Ея и Аа строится нагрузочная
прямая, как было показано в § 6.3. Значения анодных токов, соответ-
ствующие точкам пересечения нагрузочной прямой с характеристика-
ми семейства, используются для построения рабочей анодно-сеточной
характеристики. Как видно из рис. 7.15, а, рабочая анодно-сеточная
характеристика (кривая 1) идет более полого, чем статическая, приве-
денная для сравнения на том же рисунке (кривая 2). Следовательно,
рабочая крутизна меньше статической и зависит от анодной нагрузки.
Можно показать, что
5раб = SRi I (Ка + Rj )•
Следует отметить, что рабочая крутизна является параметром не
триода, а усилительного каскада, построенного на данном триоде.
Па рис. 7.15, в показана форма анодного тока, а на рис. 7.15, б —
напряжения на аноде и на сопротивлении нагрузки uR = iaRa при
подаче на сетку лампы гармонического сигнала. Напряжение на сетке
триода с учетом постоянного напряжения смещения Есм, определяю-
щего положение рабочей точки, можно представить зависимостью
uc — Есм + Uffi sin со t,
где Um — амплитуда гармонического сигнала.
При построении кривых мгновенные значения анодного тока нахо->-
дят путем переноса мгновенных значений напряжения на сетке на ра-
96
бочую ано дно-сеточную характеристику. Затем мгновенные значения
анодного тока переносят на нагрузочную прямую и определяют фор-
му напряжения на аноде и сопротивлении нагрузки.
Применение триодов. Триоды малой мощности в большинстве радио-
электронных устройств в настоящее время вытеснены полупроводни-
ковыми приборами, однако в исключительных случаях они находят
применение как усилительные элементы схем. В основном триоды
широко используют как мощные электронные приборы для радио-
передающих устройств, промышленных генераторов высокой частоты.
Контрольные вопросы и задания
1.	Объясните графики распределения потенциала между электродами
и вид эквипотенциальных линий в триоде при различных напряжениях
на сетке и постоянном напряжении анода.
2.	Что такое действующее напряжение триода?
3.	Как густота сетки триода влияет на проницаемость?
4.	Опишите зависимость катодного тока триода от напряжения на
электродах.
5.	Как зависит запирающее напряжение сетки триода от значения
анодного напряжения?
6.	Опишите распределение токов между электродами в триоде при
положительных напряжениях сетки. Что такое коэффициент токорас-
пределения и как он зависит от напряжения на электродах?
7.	Что называется статической крутизной характеристики триода?
Как крутизна зависит от конструктивных параметров лампы и напря-
жения на электродах?
8.	Какой физический смысл имеет статический коэффициент усиле-
ния триода? Как он связан с проницаемостью?
9.	Как найти статические параметры триода с помощью семейств ха-
рактеристик?
10.	Опишите особенности рабочего режима триода. Что такое рабо-
чая крутизна и как она связана со статической крутизной характери-
стики?
Глава восьмая
МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
8.1.	ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕТРОДАХ И ПЕНТОДАХ
Многоэлектродными называются электронные лампы, имеющие
кроме анода и катода несколько сеток. Проходная емкость Сс>атрио
дов может быть значительной, что существенно ограничивает частотный
диапазон работы лампы. Еще одним недостатком триода является малое
4-6353
97
значение статического коэффициента усиления д. Увеличение д путем
повышения экранирующего действия сетки (уменьшения проницаемо-
сти Л) связано с другим серьезным препятствием. Как следует из вы-
ражения (7.7), повышение д приводит к уменьшению по абсолютному
значению напряжения запирания анодно-сеточной характеристики.
Протяженность характеристики от Uc = 0 до 17С;3ап становится слиш-
ком малой для неискаженного усиления входного сигнала. Увеличивать
раствор анодно-сеточной характеристики триодов с большим д путем
повышения анодного напряжения нецелесообразно.
В целях устранения этих недостатков было применено дополнитель-
ное экранирование электрического поля анода путем введения второй
сетки. В соответствии с назначением сетка получила название экра-
нирующей.
В четырехэлектродной лампе — тетроде экранирующая сетка распо-
ложена между первой сеткой (управляющей) и анодом. На нее подает-
ся постоянное положительное напряжение, не изменяющееся в процес-
се работы лампы. Напряжение экранирующей сетки обычно составляет
30—100% анодного. Очевидно, появление еще одного электрода, имею-
щего положительный потенциал, вызовет ток 1с2 в цепи этого элект-
рода за счет попадающих на него электронов. В общем случае в тетроде
4 “ Л + Л: 2 41 •
В большинстве практических случаев многосеточные лампы работа-
ют при отрицательном напряжении первой сетки, поэтому катодный
ток будет суммой токов анода и экранирующей сетки:
4 " 4 + 4г-
Токораспределение в тетроде имеет такие же закономерности, как
и в триоде, работающем при положительном напряжении сетки.
На рис. 8.1 приведено распределение потенциала в тетроде при Ua <
< С7с2, а на рис. 8.2 показан ход анодной /а = f(Ua)(Ucl = const и
Ц-2 = const) и экранно-анодной Ic2 = f(Ua)(Ucl = const и Uc2 =
= const) характеристик тетрода. Теоретические характеристики изобра-
жены пунктирными, а реальные сплошными линиями. При малых анод-
ных напряжениях Ua < Uc2 наблюдается резкая зависимость тока анода
от напряжения на нем — режим возврата электронов. Когда напряжение
анода достигает некоторого значения Ua , реальные характеристики тет-
рода начинают резко отклоняться от теоретических, а при Ua > С/с2
опять практически совпадают с ними.
Для объяснения этого явления рассмотрим физические процессы в
промежутке между экранирующей сеткой и анодом. Электроны, бом-
бардирующие поверхность анода и имеющие энергию eUa, вызывают
вторичную эмиссию из анода. Вторичные электроны попадают в поле,
ускоряющее их в направлении экранирующей сетки (см. рис. 8.1). По
98
Рис. 8.1. Распределение потенциала в тетроде при Ua <
Рис. 8.2. Статические анодные и экранно-анодные характеристики тетрода
мере повышения анодного напряжения вместе с ростом тока анода
растет коэффициент вторичной эмиссии. При достижении анодным на-
пряжением значения J7a' = 10 -г 20 В скорость роста коэффициента вто-
ричной эмиссии резко увеличивается, что приводит к уменьшению тока
анода и увеличению тока экранирующей сетки по сравнению с теорети-
ческими значениями (без учета вторичной эмиссии). Причем при очень
резком нарастании коэффициента вторичной эмиссии анодная характе-
ристика может иметь падающий участок. Тетрод в этом режиме харак-
теризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением Rj 
Этот процесс продолжается до тех пор, пока анодное напряжение не
станет больше напряжения экранирующей сетки, а вылетающие из
анода вторичные электроны не будут возвращаться обратно на анод.
Переход электронов вторичной эмиссии с одного электрода на дру-
гой получил название динатронного эффекта. Это явление приводит к
появлению падающего участка на анодной характеристике и к неста-
бильности характеристики в этой области анодных напряжений Ua <
< Ua < Uc2. Поэтому тетроды не нашли широкого применения.
Для устранения динатронного эффекта необходимо создать такое
распределение потенциала между экранирующей сеткой и анодом, при
котором вторичные электроны возвращались бы на анод при любых
соотношениях анодного напряжения и напряжения экранирующей сет-
ки. На рис. 8.3 показано распределение потенциала, при котором вто-
ричные электроны, имеющие небольшую кинетическую энергию, из-за
наличия минимума потенциала попадают в тормозящее поле и возвра-
щаются на анод. Минимум потенциала создается объемным зарядом
электронного потока большой плотности или дополнительным элект-
родом (обычно в виде сетки) между экранирующей сеткой и анодом.
Лампы, в которых для подавления динатронного эффекта исполь-
зуется объемный заряд, называются лучевыми тетродами. Глубина
минимума потенциала в лучевых тетродах зависит от плотности элект-
ронного потока перед анодом и расстояния между анодом и экранирую-
99
Рис. 8.3. Распределение потенциала в лучевом тетроде при различных анодных на-
пряжениях
Рис. 8.4. Устройство лучевого тетрода:
а - продольное сечение; б - поперечное сечение; 1 - катод; 2 - первая сетка;
3 - вторая сетка; 4 - анод; 5 - лучеобразующие пластины
щей сеткой. Для увеличения плотности электронного потока произво-
дится его фокусировка в двух плоскостях. В одной плоскости фокуси-
ровка электронов обеспечивается лучеобразующими пластинами, имею-
щими нулевой потенциал (рис. 8.4, а). Фокусировка в другой плоско-
сти получается в результате выполнения управляющей и экранирующей
сеток с одинаковым шагом навивки. Электронный поток проходит
между витками первой сетки, имеющей отрицательное напряжение,
в виде узких пучков. Витки второй сетки почти не изменяют траектории
электронов (рис. 8.4, б). По этой причине лучевые тетроды характери-
зуются малым током экранирующей сетки. Для увеличения глубины
минимума потенциала расстояние между второй сеткой и анодом в лу-
чевых тетродах обычно увеличено по сравнению с другими многоэлект-
родными лампами.
Поскольку для создания минимума потенциала требуется большой
ток, лучевые тетроды, как правило, применяют в выходных каскадах
для усиления мощности. В маломощных лампах рассмотренный способ
устранения динатронного эффекта не может быть реализован.
Электронные лампы, в которых для подавления динатронного эф-
фекта используется третья сетка, называются пентодами. Эта сетка,
называемая защитной или антидинатронной, соединяется с катодом.
Иногда третья сетка имеет отдельный вывод, на который подается не-
большое отрицательное напряжение. Для того чтобы не уменьшался
коэффициент токораспределения, третья сетка у большинства пентодов
делается редкой с большой проницаемостью.
Для нахождения катодного тока в многоэлектродных лампах, как
и для триода, можно воспользоваться законом степени трех вторых.
Рассмотрим возможность применения этого закона на примере тетрода.
100
Рис. 8.5. Приведение тетрода к эквивалентным триоду и диоду
Катодный ток тетрода зависит от напряжений анода, первой и второй
сеток. Чтобы рассчитать ток катода, нужно заменить неравномерное рас-
пределение потенциала в плоскости первой сетки равномерным потен-
циалом анода эквивалентного диода, воздействующим на поле у като-
да так же, как воздействуют на это поле потенциалы всех электродов
тетрода.
Действующее напряжение тетрода можно найти, если воспользовать-
ся методом последовательного приведения к эквивалентному диоду.
Совместное действие анода и экранирующей сетки заменяется действи-
ем анода эквивалентного триода, расположенного в области второй
сетки тетрода (рис. 8.5, а, б). По аналогии с (7.2) найдем напряжение
анода эквивалентного триода
С7Д2= Ц;2+(8J)
где D2 - проницаемость экранирующей сетки.
Далее эквивалентный триод сводят к эквивалентному диоду, как
было показано в § 7.1. Действующее напряжение в тетроде (рис. 8.5, в)
определяется из выражения
Ua = ис1 + Д1/д2.	(8.2)
Подставляя в (8.2) значение напряжения анода эквивалентного
триода (8.1),получаем
Ц, = Uc 1 + Л, Uc2 + DtD2 ил.	(8.3)
Произведение проницаемостей первой и второй сеток характеризует
воздействие напряжения анода на поле у катода. Это произведение обыч-
но много меньше единицы, поэтому третьим слагаемым в правой части
(8.3) можно пренебречь.
Окончательно для большинства тетродов выражение для действую-
щего напряжения будет иметь вид
Ц,= Uci + DJJc2.	(8.4)
По аналогии с тетродом можно получить выражение для действую-
101
щего напряжения в пентоде
+ £>1?7С2 + ОхО2ис3 + DlD2D3Ua,	(8.5)
где D3 — проницаемость третьей сетки.
Учитывая, что проницаемость каждой сетки меньше единицы, мож-
но пренебречь в (8.5) слагаемыми Z>iD2Gc3 и	Тогда (8.4)
будет справедливо практически для любой многоэлектродной лампы.
Основное влияние на катодный ток в многоэлектродных лампах ока-
зывают напряжения первой и второй сеток, поэтому для расчета катод-
ного тока можно пользоваться упрощенным выражением закона сте-
пени трех вторых
/K=G'J7„3/2 =G'(i4! +Ai/c2)3/2.	(8.6)
Коэффициент G' в (8.6) определяется в зависимости от конструк-
ции системы электродов по (7.4) или (7.5), если считать парамет-
ры Пс эфф, хс>к и гс относящимися к первой сетке многоэлектродной
лампы.
При отрицательном напряжении первой сетки катодный ток тетрода
будет распределяться только между экранирующей сеткой и анодом.
Токораспределение в тетроде аналогично распределению токов в трио-
де с положительной сеткой. Поэтому для расчета коэффициента токо-
распределения тетрода можно пользоваться формулами (7.8) - (7.15),
учитывая, что вместо сетки триода нужно иметь в виду вторую сетку
тетрода.
Токораспределение в пентоде имеет более сложный характер, чем
в триоде и тетроде, из-за наличия третьей сетки. Переход из режима
возврата в режим прямого перехвата в пентодах происходит при более
низких анодных напряжениях, как правило, составляющих 10—50%
напряжения экранирующей сетки.
8.2.	СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП
Из множества характеристик многоэлектродных ламп, предназначен-
ных для усиления и генерирования сигналов, наибольший интерес пред-
ставляют три характеристики: 1) анодно-сеточная Ia =f(Uci) при по-
стоянных Ua, Uc2 и £7сз; 2) экранно-сеточная Ic2 -f(Ucl) при посто-
янных Ua, Uc2 и £7с3; 3) анодная Ia =f(Ua) при постоянных Uci, Uc2
и Uc3.
Анодно-сеточные и экранно-сеточные характеристики различных
многоэлектродных ламп мало отличаются по виду, поэтому рассмотрим
ход характеристик одного типа ламп, например пентода. На рис. 8.6
приведены указанные характеристики при различных постоянных на-
пряжениях экранирующей сетки и анода. Действующее напряжение
102
т. е. напряжение первой сетки, при котором появляются токи анода и
второй сетки, зависит только от напряжения второй сетки.
При изменении напряжения анода меняется глубина минимума по-
тенциала между второй сеткой и анодом, что сказывается на значении
коэффициента токораспределения. С ростом напряжения анода незначи-
тельно растет анодный ток и уменьшается ток второй сетки. Этим объяс-
няется веерообразный ход характеристик.
Анодные характеристики тетрода 6Э12Н, лучевого тетрода 6ЖЗП
и пентода 6Ж1П, предназначенных для усиления напряжения высокой
частоты, приведены на рис. 8.7. На характеристиках любой из приве-
денных многоэлектродных ламп легко выделить области, соответ-
ствующие режиму возврата с резкой зависимостью анодного тока от
анодного напряжения и режиму прямого перехвата - пологий участок
характеристик. Характеристики тетрода с четко выраженным динатрон-
ным эффектом переходят из одного режима в другой при. напряжениях
анода, приблизительно равных напряжениям экранирующей сетки, а
характеристики лучевого тетрода и пентода — при более низких значе-
ниях анодного напряжения.
В лучевом тетроде минимум потенциала между второй сеткой и ано-
дом образуется за счет отрицательного объемного заряда, поэтому
электрическое поле в плоскости минимума более равномерное, чем в
пентоде. Этим объясняется более крутой ход анодных характеристик
лучевого тетрода на начальном участке и резкий переход в режим пря-
мого перехвата по сравнению с пентодом.
Рабочие ано дно-сеточные характеристики многоэлектродных ламп
1Л = f(EK) при £/с2 - const, снимаемые при наличии сопротивления
нагрузки в анодной цепи, когда напряжение анода не остается постоян-
ным (см. § 7.3), мало отличаются от статических. Причиной этого яв-
ляется очень слабая зависимость в рабочей области, соответствующей
режиму прямого перехвата, анодного тока от напряжения анода.
103
Рис. 8.7. Анодные характеристики многоэлектродных ламп:
а - тетрода 6Э12Н; б - лучевого тетрода 6ЖЗП; в - пентода 6Ж1П
Статические параметры многоэлектродных ламп в отличие от триода
определяются не только степенью влияния напряжений электродов на
значение катодного тока, но и зависимостью от этих напряжений коэф-
фициента токораспределения.
Крутизна анодно-сеточной характеристики определяет зависимость
изменения анодного тока лампы от изменения напряжения первой
сетки при постоянстве напряжений на остальных электродах. Как и в
триоде, крутизна определяется тангенсом угла наклона анодно-сеточ-
ной характеристики в заданной точке. Рабочая крутизна многосеточных
ламп практически не отличается от статической. У современных пенто-
дов крутизна характеристики лежит в пределах 1—70 мА/B, у луче-
вых тетродов 3—20 мА/В.
Внутреннее сопротивление многоэлектродных ламп определяется
отношением изменения напряжения анода к вызванному изменению
анодного тока при постоянстве напряжений других электродов. Изме-
нение анодного напряжения вызывает, с одной стороны, изменение ка-
тодного тока, с другой - изменение коэффициента токораспределе-
ния. Оба фактора влияют на ток анода. Внутреннее сопротивление
многоэлектродных ламп лежит в пределах от единиц килоом до не-
скольких мегаом.
Статический коэффициент усиления многоэлектродных ламп опреде-
ляется отношением изменения напряжения анода к изменению напря-
жения первой сетки при постоянных значениях анодного тока и напря-
жения других электродов. В многоэлектродных лампах статический
коэффициент усиления значительно выше, чем в триоде, из-за меньшего
влияния анодного напряжения на анодный ток. В пентодах статиче-
ский коэффициент усиления может достигать нескольких тысяч.
104
Для многоэлектродных ламп, как и для триода, справедливо соотно-
шение, аналогичное внутреннему уравнению триода (7.19).
С помошью семейства анодно-сеточных или анодных характеристик
многоэлектродных ламп можно определить статические параметры.
Метод нахождения статических параметров аналогичен описанному
в § 7.2 для триода.
8.3.	ОСОБЕННОСТИ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП
РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Высокочастотные пентоды. Малое значение проходной междуэлект-
родной емкости Са с1 пентодов позволяет использовать их в усилителях
высокой частоты. Маломощные высокочастотные пентоды имеют гус-
тую экранирующую сетку, выполненную с малым шагом навивки, и
дополнительные экраны для уменьшения емкости между выводами.
Экранирование электродов и хорошее токораспределение обеспечивают
высокое внутреннее сопротивление и большой коэффициент усиления
этих ламп.
Лампы с удлиненной характеристикой составляют особую группу
высокочастотных пентодов. Для выравнивания сигналов с различной
амплитудой, приходящих на радиоприемное устройство, можно исполь-
зовать пентоды 'С переменной крутизной анодно-сеточной характери-
стики. На рис. 8.8 приведена анодно-сеточная характеристика пентода
6К14Б. Крутизна характеристики меняется в очень широких пределах —
от нескольких единиц до сотых долей миллиампера на волы. Рабочая
точка при поступлении большого сигнала находится на участке с малой
крутизной, и коэффициент усиления лампы будет невысоким. При
уменьшении входного сигнала рабочая точка сдвигается к оси ординат
в область высокой крутизны анодно-сеточной характеристики, в ре-
зультате чего коэффициент усиления лампы возрастает. Для получения
такой характеристики применяется управляющая сетка с переменным
шагом витков.
Широкополосные усилительные лампы применяют для усиления сиг-
налов, имеющих широкий спектр частот, например импульсов напряже-
ния малой длительности. Возможность использования электронных
ламп для усиления сигналов в широком диапазоне частот характери-
зуют коэффициентом широкополосности
у= kybf =
5_________
2тг(Свх + Свых)
(8-7)
где к у — коэффициент усиления усилителя на данной лампе; Д/ - по-
лоса усиливаемых частот.
Как следует из (8.7), для увеличения коэффициента широкополосно-
сти следует увеличивать крутизну лампы 5 и уменьшать междуэлектрод-
105
Рис. 8 9. Семейство зависимостей анодного тока от напряжения третьей сетки
пентода 6Ж10Б
ные емкости, входящие в состав Свх и Свых. Один из путей увеличе-
ния крутизны электронных ламп, как следует из (7.16), (7.4) и (7.5),
состоит в уменьшении расстояния между управляющей сеткой и като-
дом. Для предотвращения островкового эффекта сетка в этих лампах
делается мелкоструктурной с малыми шагом навивки и диаметром вит-
ков. Чтобы конфигурация витков, находящихся близко к раскаленно-
му катоду, при нагреве не менялась, часто применяют сетки рамочной
конструкции (см. рис. 5.2). В промышленных образцах широкополос-
ных ламп расстояние между сеткой и катодом составляет 30-40 мкм.
Многоэлектродные лампы с двойным управлением. Многоэлектрод-
ные лампы можно использовать в режиме двойного управления анод-
ным током. Рассмотрим такой режим работы на примере пентода. В ка-
честве второго управляющего электрода применяют третью сетку пен-
тода. Механизм управления анодным током с помощью третьей сетки
заключается в ее воздействии на токораспределение между экранирую-
щей сеткой и анодом. В режиме двойного управления на третью сетку
подается небольшое отрицательное напряжение и энергия части электро-
нов, прошедших между витками экранирующей сетки, оказывается
недостаточной для преодоления минимума потенциала. Эти электроны
возвращаются обратно на вторую сетку.
Изменение с помощью управляющего напряжения на третьей сетке
глубины минимума потенциала приводит к изменению количества элект-
ронов, приходящих на анод лампы. Очевидно, что электрические пара-
метры ламп с двойным управлением должны обеспечивать работу в ре-
жиме возврата электронов. Для повышения эффективности управле-
ния анодным током в лампах с двойным управлением третья сетка вы-
106
Рис. 8.10. Зависимость крутизны характеристи-
ки по третьей сетке от напряжения на первой
сетке пентода 6Ж10Б
полняется с меныпим шагом навивки, чем в обычных пентодах. Ток
второй сетки таких ламп близок по значению к анодному току.
На рис. 8.9 приведено семейство кривых зависимостей анодного то-
ка от напряжения третьей сетки пентода 6Ж10Б, снятых при различных
постоянных напряжениях первой сетки. Угол наклона характеристик,
определяющий крутизну по третьей сетке
^а,с3 = dlj dUc3
(при постоянных напряжениях остальных электродов), зависит от на-
пряжения первой сетки. В связи с тем, что изменение напряжения
третьей сетки вызывает изменение коэффициента токораспределения,
крутизна анодно-сеточной характеристики по первой сетке также явля-
ется функцией напряжения третьей сетки.
Для оценки эффективности двойного управления вводится дополни-
тельный параметр, так называемый коэффициент двойного управления
или коэффициент преобразования, который характеризует зависимость
крутизны характеристики анодного тока по одной сетке от напряжения
другой
^д,у = Д5а,с3/Д17с1 = Д5а>с1/ДУс3.
На рис. 8.10 показана зависимость крутизны характеристики анод-
ного тока по третьей сетке лампы 6Ж10Б от напряжения на первой
сетке. Тангенс угла наклона касательной в заданной точке характери-
стики к оси абсцисс по определению равен коэффициенту двойного
управления.
Двойное управление анодным током используется для преобразова-
ния частоты сигналов. Для этих целей применяют частотопреобразова-
тельные лампы, состоящие из шести электродов — гексод, из семи —
гептод. Вторая и четвертая сетки в гексоде являются экранирующими,
на них подается положительное напряжение, составляющее 40—60%
анодного, первая и третья сетки — управляющие. Для устранения динат-
ронного эффекта в гептоде применена пятая защитная сетка, соединен-
ная с катодом.
Лучшими свойствами обладает комбинированная лампа триод — геп-
тод, в которой высокочастотный генератор - гетеродин строится на
107
триоде, а многоэлектродная лампа работает в режиме двойного управ-
ления для преобразования частоты.
Контрольные вопросы и задания
1.	С какой целью в многоэлектродные лампы вводится экранирую-
щая сетка?
2.	Какими способами устраняется динатронный эффект в лампах с
экранирующей сеткой?
3.	Как зависит действующее напряжение в пентоде от напряжения на
электродах?
4.	Объясните ход анодно-сеточных характеристик многоэлектродных
ламп при различных напряжениях на экранирующей сетке и аноде.
5.	Поясните отличие анодных характеристик тетрода, лучевого тет-
рода и пентода.
6.	Каковы особенности зависимости статических параметров много-
электродных ламп от электрических режимов?
7.	Каково назначение пентодов с удлиненной характеристикой?
8.	Каким путем можно увеличить широкополосность электронных
лаМП?
9.	Объясните особенности работы многоэлектродной лампы в режи-
ме двойного управления. Что такое коэффициент двойного управ-
ления?
Глава девятая
ГЕНЕРАТОРНЫЕ И МОДУЛЯТОРНЫЕ ЛАМПЫ
9.1.	ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП
Генераторные лампы предназначены для усиления и генерирования
электрических колебаний различных частот мощностью от несколь-
ких десятков ватт до нескольких сотен киловатт. Мощные электрон-
ные лампы, служащие для усиления сигналов низкой частоты и форми-
рования импульсов напряжения для работы сверхвысокочастотных
генераторов и других устройств, называются модуляторными лампами.
От генераторных ламп требуется отдача возможно большей колеба-
тельной мощности Рк в нагрузку при высоком значении КПД схемы
г]. В усилителе и генераторе гармонического сигнала колебательная
(выходная) мощность равна (см. рис. 7.15)
Рк= 0,SImaUmR.	(9.1)
Мощность, расходуемая источником питания схемы, состоит из коле-
бательной мощности в нагрузке и мощности, рассеиваемой анодом,
РИ ~ Ри^аО — Рк + Ра-
108
Отсюда КПД схемы
?к ?к Q&m&UmR	,
V = -z~ = -р ~р~ = —r-z;-----•	(9.2)
"к + ~а	^аО^и
Таким образом колебательная мощность генератора при заданном
КПД пропорциональна мощности, рассеиваемой анодом,
Поэтому одним из основных классификационных признаков генератор-
ных ламп является мощность, рассеиваемая анодом. По этому призна-
ку генераторные лампы делятся на три группы: маломощные (Ра <
< 25 Вт), средней мощности (Ра < 1 кВт) и мощные (Ра > 1 кВт).
Мощность, рассеиваемая анодом самых мощных генераторных ламп,
превышает 500 кВт.
Для обеспечения высоких значений выходной мощности в анодной
цепи генераторных ламп должен протекать большой ток, достигающий
нескольких сотен ампер, поэтому катоды ламп обладают высокой
эмиссионной способностью. Мгновенные значения положительного на-
пряжения управляющей сетки для получения такого тока могут пре-
вышать тысячу вольт, вследствие чего генераторные лампы работают
с значительными сеточными токами. Импульсные и постоянные значе-
ния анодных напряжений некоторых генераторных и модуляторных
ламп превышают сто киловольт.
Особенности работы, связанные с высокими значениями предель-
ных электрических параметров генераторных и модуляторных ламп,
определяют существенные конструктивные отличия этих приборов от
ранее рассмотренных электронных ламп.
9.2.	РЕЖИМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП
Как следует из (9.2), достигнуть повышения КПД электронных ламп
можно путем увеличения отношения амплитуды переменной составляю-
щей анодного тока к значению постоянной составляющей этого тока
Ana/Ло- Это отношение определяется положением рабочей точки на
ано дно-сеточной характеристике и амплитудой сигнала в сеточной цепи
лампы. Кроме того, КПД генератора зависит от отношения амплитуды
переменной составляющей напряжения на нагрузке к ЭДС источника
питания, т. е. от коэффициента использования анодного напряжения
UmR/P-in-
Различают несколько режимов работы лампы при усилении и генера-
ции сигналов. В режиме класса А напряжение смещения выбрано так,
что ток через лампу протекает в течение всего периода переменного
напряжения сигнала на сетке (рис. 9.1, а). Такой режим является ха-
109
Рис. 9.1. Режимы работы ламп:
а - режим класса А; б - режим класса В; в - режим класса АВ; г - режим
класса С
рактерным для приемно-усилительных и модуляторных ламп и часто
называется режимом линейного усиления. Чем меньше амплитуда сиг-
нала на сетке, тем меньше будут нелинейные искажения и ниже КПД
схемы. Очевидно, что амплитуда переменной составляющей анодного
тока не может превысить постоянной составляющей, поэтому КПД
в режиме класса А, как следует из (9.2), менее 50%. Практически его
значение не превышает 20—30%. Такой режим редко используется в
мощных генераторных лампах.
В режиме класса В напряжение смещения равно напряжению отсеч-
ки анодного тока (рис. 9.1, б). Анодный ток протекает только при
положительном напряжении сигнала. Продолжительность импульса
анодного тока характеризуется углом отсечки в, который равен поло-
вине разности фаз гармонического сигнала от момента начала протека-
ния тока анода до момента запирания лампы. В режиме класса В угол
110
Рис. 9.3. Семейство анодных характеристик генераторного триода ГУ-49А
Рис. 9.2. Семейство анодно-сеточных характери-
стик генераторного триода ГУ-49А
в = 90°, т. е. анодный ток протекает только в течение половины периода
сигнала на сетке. Во время отрицательного полупериода лампа закры-
та. Такой режим характеризуется существенно большим КПД, чем ре-
жим класса А, за счет снижения постоянной составляющей анодного
тока и повышения коэффициента использования анодного напряжения.
Амплитуда импульсов анодного тока может значительно превышать
значение его постоянной составляющей.
Если лампа заперта меньше половины периода гармонического сигна-
ла, то имеет место промежуточный режим класса АВ (рис. 9.1, в). Он
характеризуется углом отсечки 90° < в < 180°.
В режиме класса С напряжение смещения по абсолютному значению
превышает значение напряжения отсечки анодного тока (рис. 9.1, г).
Угол отсечки уменьшается (6 < 90°). Косинусоидальный импульс то-
ка становится более острым, что приводит к дальнейшему снижению
постоянной составляющей анодного тока. Режим класса С позволяет
получить максимальный КПД, поэтому генераторные лампы работают,
как правило, в этом режиме.
Восстановление формы гармонического сигнала происходит в коле-
бательном контуре, являющемся нагрузкой лампы. Контур настраи-
вается на первую гармонику (редко на вторую) и выделяет ее из
спектра частот импульса анодного тока.
Часто мощные генераторные лампы работают в двухтактной схеме,
в которой две лампы имеют общую нагрузку и работают поочеред-
но со сдвигом по фазе на 180°. На сетки ламп в каждом плече двухтакт-
ной схемы напряжения сигнала подаются в противофазе. Нагрузкой
ламп обычно служит первичная обмотка трансформатора, а во вторич-
ной обмотке происходит восстановление сигнала.
Ш
9.3.	ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ГЕНЕРАТОРНЫХ И МОДУЛЯТОРНЫХ ЛАМП
В качестве мощных генераторных ламп чаще всего используются
триоды. На рис. 9.2 представлено семейство анодно-сеточных, а на
рис. 9.3 — анодных характеристик мощного генераторного триода
ГУ-49А. Как видно из рис. 9.2, триод имеет ’’правые” анодно-сеточ-
ные характеристики, основная часть которых лежит в области положи-
тельных напряжений на сетке. Правые характеристики генераторных
ламп обусловлены необходимостью получения больших значений ко-
эффициента усиления и коэффициента использования анодного на-
пряжения.
Увеличением густоты сеток достигается коэффициент усиления д =
= $0 -5- 100, достаточный для использования ламп в схемах генераторов.
При больших положительных напряжениях на сетке анодные характе-
ристики триода имеют пентодный характер. Это позволяет получить
высокий коэффициент использования анодного напряжения, большие
токи анода при заданном анодном напряжении, а следовательно, боль-
шую выходную мощность триода с высоким КПД.
На анодных характеристиках генераторного триода, снятых при
положительных напряжениях сетки, наблюдается резкий переход из
режима возврата к режиму прямого перехвата. Как было отмечено,
генераторные лампы, как правило, работают в режимах класса С или
В, причем напряжение на нагрузке при протекании анодного тока из-
меняется от значения Ек до Uamin. В общем случае от сопротивления
нагрузки в анодной цепи и амплитуды сигнала на сетке лампы зави-
сит коэффициент использования анодного напряжения, а следователь-
но, и КПД схемы генератора.
Наиболее выгодным положением рабочей точки, соответствующим
максимальному анодному току, является перегиб анодной характери-
стики при переходе из режима возврата в режим прямого перехвата.
Мощность в нагрузке в этом случае будет наибольшей. Значение вы-
ходной мощности, как следует из (9.1), пропорционально площади
прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является отре-
зок нагрузочной прямой от точки Ен на оси абсцисс до рабочей точ-
ки Л, а катетами — отрезки на координатных осях, равные 1та и
Uma (рис. 9.3). Чем меньше остаточное напряжение на лампе t/amin при
максимальном анодном токе, тем меньшая мощность будет выделять-
ся на аноде лампы. Уменьшение сопротивления нагрузки приводит к
возрастанию мощности, выделяющейся на аноде лампы, и уменьшению
мощности в нагрузке. Такой режим работы генератора называют недо-
напряженным. Увеличение сопротивления нагрузки в целях уменьше-
ния значения Uamjn приводит к уменьшению мощности, выделяющей-
ся на аноде, однако при этом лампа перейдет в режим возврата и се-
точный ток резко возрастет, а анодный уменьшится, что приведет к
снижению КПД.
112
Рис. 9.4. Семейство анодно-сеточных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Рис. 9.5. Семейство анодных характеристик модуляторного триода ГМ-ЗА
Если в течение какой-то части периода колебаний лампа переходит
в режим возврата, то режим работы генератора называют перенапря-
женным. Оптимальное положение нагрузочной прямой соответствует
критическому режиму. Линией критического режима на семействе
анодных характеристик называется кривая, соединяющая точки пере-
хода характеристик из режима возврата в режим прямого перехвата.
Для большинства генераторных ламп линия критического режима
совпадает с крутым участком анодных характеристик. Перенапряжен-
ный режим используется редко, так как он приводит к резкому воз-
растанию сеточного тока. Мощность, выделяемая на сетках, разогрева-
ет их до высокой температуры, что может привести к деформации се-
ток и выходу из строя лампы.
Модуляторные лампы, применяющиеся в мощных выходных каска-
дах усиления напряжения низкой частоты, должны обеспечивать малые
нелинейные искажения входных сигналов. Эти лампы используются,
как правило, в режиме класса А обычно с заходом в область положи-
тельных напряжений на сетке. Однако сеточные токи невелики и мощ-
ность, рассеиваемая сетками, у модуляторных ламп небольшая по срав-
нению с генераторными лампами. Лампы имеют невысокий КПД, но
должны отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому их аноды,
как и у генераторных ламп, рассеивают большую мощность.
На рис. 9.4 приведены анодно-сеточные, а на рис. 9.5 - анодные ха-
рактеристики мощного модуляторного триода ГМ-ЗА. Триод имеет ле-
вые анодно-сеточные характеристики с большой протяженностью ли-
нейного участка в области отрицательных сеточных напряжений. Сетка
в модуляторных лампах редкая с большой проницаемостью, поэтому
коэффициент усиления имеет небольшое значение (от 5 до 20).
113
На графике семейства анодных характеристик модуляторных ламп
приведена кривая допустимой мощности, рассеиваемой анодом, /а =
= ^а,доп/^а- Гипербола ограничивает сверху область возможных элект-
рических режимов лампы, и нагрузочная характеристика, по которой
перемещается рабочая точка, должна проходить ниже этой кривой. Кро-
ме того, в предельных эксплуатационных данных лампы приводятся
максимально допустимые значения тока и напряжения. На семействе
анодных характеристик (рис. 9.5) выделена область допустимых
электрических режимов, т. е. границы, в пределах которых разрешается
выбор рабочей точки. Такая же область существует не только у мощ-
ных ламп, но и у других электронных ламп любого назначения.
Дополнительные параметры генераторных и модуляторных ламп.
Возможность применения мощных ламп в различных устройствах опре-
деляется не только статическими параметрами, но и рядом дополнитель-
ных параметров. Рассмотрим основные из них.
Ток эмиссии катода — зто ток с катода на соединенные вместе осталь-
ные электроды при определенном напряжении на них. Действующий
потенциал в мощных лампах может в определенные моменты работы
достигать такого значения, что объемный заряд у поверхности катода
рассасывается и ток катода становится равным току эмиссии.
Напряжение на электродах генераторных и модуляторных ламп не
должно даже кратковременно превышать предельных значений из-за
возможности возникновения пробоев между электродами, имеющими
высокую разность потенциалов. Пробои могут произойти по причине
ухудшения вакуума в баллоне лампы и изоляционных свойств кре-
пежных деталей.
Мощность, рассеиваемая сетками. При работе генераторных ламп
с большими положительными напряжениями управляющих сеток выде-
ляющаяся на них мощность может достигать больших значений. Большая
мощность выделяется также на экранирующих сетках генераторных
тетродов и пентодов. Поэтому важным параметром мощных ламп явля-
ется мощность, рассеиваемая сетками, что требует принятия конструк-
тивных мер при разработке этих ламп.
Обратные токи управляющей сетки. Природа обратного сеточного
тока будет рассмотрена в гл. 10. Поэтому остановимся лишь на одной
компоненте сеточного тока, обусловленной термоэлектронной эмиссией
сетки. В результате разогрева управляющей сетки генераторных ламп
излучением с катода и анода, а также мощностью, выделяющейся при
протекании прямого сеточного тока, термоэлектронная эмиссия сетки
может быть заметной. В отрицательные полупериоды переменного на-
пряжения на сетке разность потенциалов между сеткой и катодом иног-
да достигает значений, превышающих киловольты. При этом электро-
ны, эмиттированные горячей сеткой, бомбардируют катод, что может
привести к разрушению его поверхности. Это явление особенно опас-
но при использовании оксидных и карбидированных катодов.
114
г
Сопротивление холодного катода. Вольфрамовые и карбидирован-
ные катоды имеют в холодном состоянии гораздо меньшее сопротив-
ление, чем в горячем, поэтому при подаче полного (номинального) на-
пряжения накала пусковой ток может в 10 раз превышать установив-
шееся для горячего катода значение. Возникающие при этом электроди-
намические усилия могут привести к разрушению катода. Накал на
мощные генераторные и модуляторные лампы подают ступенями, а
среди параметров ламп указывается наибольший пусковой ток накала.	I
9.4.	КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАТОРНЫХ
И МОДУЛЯТОРНЫХ ЛАМП
В отличие от ранее рассмотренных электронных ламп малой и сред-
ней мощности электроды в лампах большой мощности не монтируются
на одной стеклянной или керамической ножке.
Катоды. Тип и конструкция катода мощной лампы определяются
требуемым значением тока эмиссии, допустимыми напряжениями меж-
ду электродами и рабочей температурой окружающих катод деталей.
В генераторных лампах применяют оксидные, оксидно-ториевые, карби-
дированные и вольфрамовые катоды. При очень высоких анодных на-
пряжениях большую опасность представляет ионная бомбардировка по-
верхности катода, поэтому в генераторных лампах с высоким напряже-
нием анода к вакууму предъявляются повышенные требования.
Оксидный катод, обладающий наибольшей эмиссионной способ-
ностью, применяют, как правило, в маломощных генераторных лампах
с невысоким рабочим напряжением. При очень высоких напряжениях
используются вольфрамовые катоды, не боящиеся ионной бомбарди-
ровки.
В ряде случаев существенное значение имеет время разогрева ка-
тода. Для уменьшения этого времени применяют специальные кон-
струкции катодов с малой тепловой инерционностью. В прямонакаль-
ных катодах используется так называемая решетчатая конструкция
(рис, 9.6), представляющая собой перекрещивающиеся нити ториро-
ванной вольфрамовой проволоки.
Время разогрева катодов косвенного накала во многом зависит от
теплоемкости алундовых изоляторов подогревателя. Устранение алун-
да с поверхности подогревателя позволило резко увеличить скорость
нагрева катода. На рис. 9.7 представлен катод мощной лампы с неалун-
дированным подогревателем. Изоляцию катода от подогревателя обес-
печивают тонкие гребенки из керамики.
Аноды. Конструкция анодов генераторных ламп определяется значе-
нием мощности, рассеиваемой анодом, и способом их охлаждения.
В лампах малой и средней мощности аноды имеют естественное охлаж-
дение за счет излучения энергии. Размеры анодов зависят от требуемого
значения рассеиваемой мощности. Материалом анода чаще всего служит 1
115
2
Рис. 9.7. Конструкция катода мощной генераторной лампы с неалундированным
подогревателем:
I — цилиндрический катод; 2 — гребенки из алундовой керамики; 3 — тело на-
кала; 4 - цилиндрический каркас из ниобиевой или танталовой жести; 5 - нио-
биевая или танталовая лента для крепления алундовых гребенок
никель, поверхность которого подвергается чернению для увеличения
коэффициента излучения (см. § 5.4). Конструкция анодов генератор-
ных и модуляторных ламп малой и средней мощности не имеет прин-
ципиального отличия (кроме геометрических размеров) от анодов
приемно-усилительных ламп (см. рис. 5.3).
В мощных генераторных и модуляторных лампах применяется при-
нудительное охлаждение анодов, которое бывает воздушным, водя-
ным и испарительным. При использовании принудительного охлаждения
анод должен быть выполнен как часть внешней оболочки лампы, что
позволяет подвести к нему охлаждающую среду. Аноды мощных ламп
изготовляют из меди, обладающей большой теплопроводностью и
высокой газонепроницаемостью.
Воздушное охлаждение осуществляется обдуванием радиаторов,
припаянных к аноду (рис. 9.8, а). Применение радиаторов увеличивает
теплоотдачу анода. Тепловой контакт между анодом и радиатором обес-
печивается оловянным или кадмиевым припоем.
При водяном охлаждении анод лампы помещают в бачок, через кото-
рый пропускают воду под давлением 3-4 кПа (рис. 9.8, б). Температу-
ра анодов ламп не должна превышать температуры кипения воды, так
как образующаяся на поверхности горячего анода пленка пара ухудша-
ет тепловой контакт с охлаждающей средой. Следует отметить, что в
некоторых типах ламп может быть использовано как воздушное, так
116
Рис. 9.8. Мощные лампы с принудительным охлаждением воздухом (а)
и водой (б)
и водяное охлаждение, при этом допустимая мощность на аноде будет
определяться видом охлаждения.
Наибольший эффект дает испарительное охлаждение, так как затра-
ты тепла на испарение воды в несколько раз больше, чем на нагрева-
ние. Лампы, в которых применяется испарительное охлаждение, назы-
ваются вапотронами. Наружная поверхность анода вапотронов снаб-
жена коническими выступами, препятствующими образованию пленки
пара (рис. 9.9). Пузырьки пара, образующиеся на поверхности анода,
отбрасываются от него, и на их место поступают новые порции воды.
Сетки. Конструкция сеток, как и конструкция анодов, определяет-
ся рассеиваемой мощностью и допустимой температурой. В генератор-
ных лампах малой и средней мощности применяются обычно молибде-
новые спиральные сетки, намотанные на никелевые или молибденовые
траверзы. Для охлаждения сеток используются черненые радиаторы,
которые приваривают к траверзам. В мощных лампах выводы сеток
имеют принудительное воздушное или водяное охлаждение. Кроме спи-
ральных сеток в мсщных лампах применяют стержневые сетки из
прутков, параллельных катоду, или из танталовых лент, приваренных
к танталовым кольцам (рис. 9.10). Поверхность сеток генераторных
ламп покрывают цирконием, что увеличивает коэффициент излучения
материала сетки.
117
Для снижения термоэмиссии сеток на них наносят покрытие, увели-
чивающее работу выхода материала сетки. В качестве такого покрытия
часто используют золото.
Баллоны генераторных и модуляторных ламп малой и средней
мощности изготовляют, как правило, из специальных сортов стекол.
Мощные лампы имеют обычно металлостеклянное оформление. Медные
аноды, являясь частью баллона лампы, спаиваются со стеклянной частью
непосредственно или через коваровые кольца.
. Самые мощные генераторные лампы, у которых рассеиваемая ано-
дом мощность составляет более 100 кВт, иногда делают разборными.
Металлическая колба лампы собирается из отдельных пришлифованных
частей. Для поддержания требуемого разрежения во время работы лам-
па находится под непрерывной откачкой. Преимуществом разборных
ламп является возможность замены вышедших из строя деталей, од-
нако такие лампы неудобны в эксплуатации.
Для крепления электродов генераторных и модуляторных ламп ма-
лой мощности обычно применяют слюдяные изоляторы. В лампах сред-
ней и большой мощности используют изоляторы из алундовой или стеа-
титовой керамики, имеющей по сравнению со слюдой большую термо-
стойкость и прочность.
9.5.	МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАМПЫ
Во многих радиотехнических устройствах электронные лампы ис-
пользуются в импульсном режиме. Импульсным считается режим ра-
боты лампы, при котором время протекания тока меньше длительно-
сти процессов, ограничивающих работу лампы, например меньше вре-
мени перегрева анода и катода.
118
При работе короткими импульсами, длительность которых состав-
ляет от десятых долей до нескольких сотен микросекунд, с большими
промежутками между ними, лампа может отдавать в нагрузку мощ-
ность, в 1000 раз превышающую выходную мощность в непрерывном
режиме. Использование лампы в импульсном режиме позволяет значи-
тельно снизить среднюю мощность, выделяемую на электродах, что
дает возможность уменьшить размеры электродов и облегчить условия
работы лампы
^а,ср ~ -^а.и^и/Т,
где tK - длительность импульса; Т — период следования импульса.
Импульсный ток ламп во много раз выше тока в непрерывном ре-
жиме. Предельное анодное напряжение запертой лампы может также
значительно превышать предельное постоянное значение напряжения
открытой лампы. Образующиеся ионы остаточных газов за короткое
время протекания тока не успевают произвести разрушительную бом-
бардировку катода, а в промежутках между импульсами происходит
практически полная их рекомбинация.
Для ламп, предназначенных для работы в импульсном режиме, ос-
новными параметрами являются максимальный импульсный ток, допу-
стимое анодное напряжение и мощность, рассеиваемая анодом. Ряд
других параметров определяется конкретным назначением лампы.
Импульсные генераторные лампы используются в схемах высоко-
частотных генераторов радиолокационных станций. В течение управляю-
щего импульса эта лампа отдает в нагрузку мощный высокочастотный
сигнал в виде ’’обрывка” синусоиды. Включение лампы может произ-
водиться двумя способами. Первый - подачей на сетку запертой отри-
цательным напряжением смещения лампы положительного импуль-
са, во время которого лампа включается в схему высокочастотного
генератора. В этом случае при высоких анодных напряжениях даже не-
большой ток анода, протекающий непрерывно, может привести к вы-
делению на аноде мощности, превышающей допустимую.
В перерывах между импульсами у запертой напряжением смещения
лампы все же протекает небольшой ток анода, значение которого обыч-
но не превышает одного миллиампера. Этот ток составляют электроны
с отдельных участков катода за счет возможной неравномерности на-
мотки управляющей сетки и электроны, эмиттируемые сетками. По-
этому при использовании высокого анодного напряжения предъявляют-
ся повышенные требования к допустимому значению тока термоэлект-
ронной эмиссии сеток.
Второй способ включения генераторной лампы осуществляется по-
дачей на время импульса анодного напряжения. Для формирования
мощного положительного импульса на аноде генераторной лампы слу-
жит импульсный модулятор, активным элементом которого является
119
Рис. 9.11. Схема импульсного
модулятора с частичным разря-
дом накопительного конденса-
тора
импульсная модуляторная лампа. Лампа высокочастотного генератора
является в этом случае нагрузкой импульсной модуляторной лампы.
Работа импульсного модулятора основана на принципе длительного
накопления энергии в течение промежутка между импульсами и отдаче
ее генератору во время импульса. В качестве накопителя энергии мо-
жет использоваться конденсатор. На рис. 9.11 приведена схема им-
пульсного модулятора с частичным разрядом накопительного конден-
сатора. Рассмотрим работу такого модулятора.
На сетку импульсной модуляторной лампы подан® большое отрица-
тельное напряжение смещения, запирающее лампу. Во время паузы меж-
ду импульсами происходит заряд накопительного конденсатора до на-
пряжения источника питания, после чего ток через зарядные резисто-
ры Язр прекращается. Когда на сетку модуляторной лампы поступает
положительный импульс напряжения, лампа открывается и подключает
накопительный конденсатор к нагрузке — высокочастотному генера-
тору. Ток разряда конденсатора протекает через модуляторную лам-
пу и лампу генератора. Протекающие через резисторы Язр токи гораз-
до меньше тока в нагрузке. Напряжение, прикладываемое к генератор-
ной лампе «вых, равно разности между напряжением источника пита-
ния, до которого зарядился накопительный конденсатор, и остаточным
напряжением на аноде импульсной модуляторной лампы
—	— Uamin-
Чем меньше падение напряжения на модуляторной лампе при проте-
кании импульса тока, тем меньше мощность, выделяемая на аноде лам-
пы, и тем больше КПД модулятора. Емкость накопительного конден-
сатора выбирается из расчета допустимого спада напряжения Д« в тече-
ние протекания импульса тока
С=/рзги/Д«.
В качестве импульсных модуляторных ламп, как правило, исполь-
зуются тетроды, позволяющие получить малое остаточное напряжение
на аноде при протекании импульса тока. Напряжение экранирующей
сетки в этих лампах составляет всего несколько процентов анодного
напряжения, достигающего нескольких десятков киловольт. Срав-
120
Рис. 9.12. Поперечное сечение импульсной модуляторной лампы типовой много-
катодной пакетной конструкции:
1 - анод; 2 - экранирующая сетка; 3 - управляющая сетка; 4 - катод; 5 -
баллон
Рис. 9.13. Поперечное сечение импульсной модуляторной лампы типовой одно-
катодной цилиндрической конструкции:
1 - анод; 2 — экранирующая сетка; 3 - управляющая сетка; 4 — катод; 5 -
баллон
нительно малое напряжение экранирующей сетки тетрода позволяет
получить напряжение отсечки меньшее, чем в триоде, поэтому не тре-
буется большой амплитуды управляющего импульса.
Конструктивные особенности мощных импульсных ламп. В лампах
с большими импульсными токами часто используют синтерированные
оксидные катоды. Наличие металлических включений в оксидном слое
уменьшает его сопротивление, а также сопротивление контакта с кер-
ном, что позволяет повысить плотность тока.
В импульсных тетродах для уменьшения термоэлектронной эмис-
сии покрывают золотом не только управляющие, но и экранирующие
сетки. В лампах с большой средней мощностью, выделяемой на сет-
ках, температура последних достигает 600 °C. Золочение сеток с такой
температурой не представляется возможным из-за испарения золота в
вакууме, поэтому в этих случаях применяется платинирование сеток
или нанесение карбида вольфрама.
Конструкция импульсных модуляторных ламп бывает трех видов:
многокатодная пакетная, однокатодная цилиндрическая и многокатод-
ная с анодом в центре.
Многокатодная пакетная конструкция представляет собой несколь-
ко катодов овального сечения, смонтированных вместе с сеткой в еди-
ный пакет (рис. 9.12). Количество пакетов в одной лампе, соединенных
параллельно и охваченных одним общим анодом, зависит от требуемо-
го импульсного тока. Такая конструкция, применявшаяся в лампах
первых выпусков, обладает недостаточной устойчивостью к механиче-
ским воздействиям.
121
Рис. 9.14. Поперечное сечение триода с защит-
ной сеткой:
1 - анод; 2 - защитная сетка; 3 - управ-
ляющая сетка; 4 - катод; 5 — подогрева-
тель; 6 - эмиссионный слой
В лампах однокатодной цилиндриче-
ской конструкции один мощный катод
окружен управляющей и экранирующей
сетками, выполненными в виде ’’бе-
личьего колеса”. Анод представляет со-
бой цилиндр с ребрами радиатора на
внешней поверхности (рис. 9.13). Повышение механической прочности
достигается применением нескольких держателей анода, впаянных в
верхнюю часть колбы.
Разновидностью ламп однокатодной цилиндрической конструкции
является триод с защитной сеткой. В цилиндрическом катоде эмис-
сионный слой наносится только на поверхности продольных канавок
(рис. 9.14). Стержни управляющей сетки находятся против участков
катода, не покрытых эмиссионным слоем. Стержни защитной (антиди-
натронной) сетки расположены за стержнями управляющей сетки.
Фокусировка электронных пучков с катода в междуэлектродном про-
странстве позволяет получить высокий коэффициент токораспределе-
ния и снизить мощность, выделяемую на сетках. Кроме того, триод с
защитной сеткой обладает повышенной электрической прочностью.
Даже при возникновении пробоя защитная сетка, имеющая нулевой
потенциал, локализует пробой в промежутке между анодом и защит-
ной сеткой, предохраняя тем самым поверхность катода от разру-
шения.
Для получения очень больших анодных токов используется много-
катодная конструкция с анодом в центре (рис. 9.15). Катоды, закры-
тые с внешней стороны тепловыми экранами, являются образующи-
ми цилиндра. Первая и вторая сетки представляют собой концентриче-'
ские цилиндры с продольными щелями напротив катодов. Сетки и анод
выполняются обычно из меди и имеют водяное охлаждение.
Для формирования импульсов напряжения, составляющих несколько
сотен киловольт, применяется трехэлектродная импульсная лампа —
инжектрон. Управление электронным пучком в инжектроне происходит
в скрещивающихся электрическом и магнитном полях. Конический
катод, боковые поверхности которого покрыты оксидным змиттирую-
щим слоем, экранируется от ионной бомбардировки и междуэлектрод-
ных разрядов управляющим электродом, выполняющим роль сетки
(рис. 9.16). Массивный управляющий электрод способен рассеивать зна-
122
Рис. 9.15. Поперечное сечение многокатодной лампы с анодом в центре:
1 - тепловой экран катода; 2 - катод; 3 - управляющая сетка; 4 - экрани-
рующая сетка; 5 - анод; 6 - баллон
Рис. 9.16. Устройствоинжектрона:
1 — анод; 2 — баллон; 3 - электронный пучок; 4 — управляющий электрод;
5 - магнитная система; 6 - катод
чительную мощность. Внешний постоянный магнит создает однородное
продольное магнитное поле.
Благодаря такой конструкции запирание лампы производится не-
большим отрицательным напряжением на управляющем электроде от-
носительно катода. При подаче на управляющий электрод положитель-
ного напряжения электроны с катода начинают двигаться в сторону
управляющего электрода. Однако совместное воздействие скрещиваю-
щихся электрического и магнитного полей формирует электронный
поток в виде вращающейся трубы, вытягиваемой полем в сторону
анода. Внутренний диаметр управляющего электрода больше наруж-
ного диаметра электронного пучка, и почти все электроны достигают
анода, поэтому коэффициент токораспределения составляет в инжект-
роне 98—99%.
В связи с тем, что поле анода практически не участвует в формиро-
вании электронного пучка, появляется возможность увеличивать рас-
стояние до анода, тем самым обеспечивается электрическая прочность
лампы. Минимальное падение напряжения на открытом инжектроне не
превышает нескольких процентов напряжения источника питания,
поэтому прибор имеет очень высокий КПД. Импульсная мощность
инжектрона составляет десятки миллионов ватт.
Контрольные вопросы и задания
1.	Какие режимы работы лампы используют при усилении и генера-
ции сигналов? Что такое угол отсечки анодного тока?
123
2.	Как колебательная мощность генератора связана с КПД и с допу-
стимой мощностью, рассеиваемой анодом?
3.	Каковы особенности статических характеристик и параметров
мощных генераторных ламп?
4.	Поясните следующие понятия: недонапряженный, критический
и перенапряженный режимы работы генератора.
5.	Каковы особенности статических характеристик и параметров
мощных модуляторных ламп?
6.	Какие конструктивные особенности имеют катоды и сетки мощ-
ных генераторных и модуляторных ламп?
7.	Как осуществляется охлаждение анодов мощных генераторных
и модуляторных ламп?
8.	В чем особенности импульсного режима работы электронных
ламп?
9.	Почему в качестве импульсных модуляторных ламп целесооб-
разно использовать тетроды?
10.	Какие конструкции имеют импульсные модуляторные лампы?
Глава десятая
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛАМПЫ
10.1.	ЛАМПЫ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА И ШУМОВЫЕ ДИОДЫ
При работе с очень малыми электрическими сигналами важно знать
минимальное пороговое значение входного напряжения, которое может
быть усилено каскадом на электронной лампе. Основным фактором,
ограничивающим предельное значение входного сигнала, являются внут-
риламповые шумы.
Даже при постоянстве всех напряжений на электродах электронной
лампы токи в цепях электродов не остаются постоянными во време-
ни. Они беспорядочно меняются относительно какого-то постоянного
среднего значения. Самопроизвольное изменение токов, вызванное не-
постоянством процесса термоэлектронной эмиссии, хаотическим теп-
ловым движением электронов в электрических цепях и другими при-
чинами, называется флуктуациями. Если значение входного напряжения
лампы оказывается соизмеримым с флуктуациями, то на их фоне по-
лезный сигнал на выходе усилителя может оказаться неразличимым.
Флуктуации токов и напряжений в электронике принято называть
шумами, потому что, будучи усиленными и поданными на вход звуко-
воспроизводящего устройства, они воспринимаются как слышимый
шум. Поскольку флуктуации являются случайным процессом и шумо-
вой ток не имеет определенной формы, для количественной оценки
уровня шума, вводится понятие среднеквадратического значения шу-
мового тока i ш и напряжения .
124
Шумы в электронных лампах вызываются различными явлениями:
дробовым эффектом, фликкер-эффектом или эффектом мерцания,
флуктуациями процесса токораспределения и др.
Дробовым эффектом называются флуктуации количества элект-
ронов, эмиттируемых катодом. Дробовой шум является основным шу-
мом диода, работающего в режиме насыщения. Среднеквадратическое
значение тока, вызванного дробовым шумом, пропорционально значе-
нию анодного тока
^,Др = 2е4Д/.	(10.1)
Дробовой шум равномерно распределен по спектру частот, а мощ-
ность шума пропорциональна полосе частот А/, в которой он измеряется,
независимо от того, в какой частотной области эта полоса выделя-
ется.
Способность генерировать равномерный по спектру шум, интенсив-
ность которого определяется только значением тока, используется в
специальных диодах, называемых шумовыми диодами. Они имеют
термоэлектронный катод, обеспечивающий четко выраженный режим
насыщения катодного тока. Для перехода в режим насыщения на диоды
подают напряжение, превышающее 100 В, поэтому аноды должны рас-
сеивать мощность около 5—6 Вт. Шумовые диоды применяются как
генераторы шума в измерительных радиотехнических устройствах.
При работе лампы в режиме объемного заряда дробовой шум будет
меньше, чем в режиме насыщения, что объясняется влиянием объем-
ного заряда на амплитуду флуктуаций тока. Увеличение в коротком
отрезке времени тока эмиссии приводит к росту плотности объемного
заряда, а следовательно, к увеличению глубины минимума потенциала
у катода. Поэтому приращение анодного тока будет существенно мень-
ше, чем тока эмиссии. Влияние объемного заряда в выражении для
дробового шума учитывается коэффициентом депрессии
*£,ДР = 2е/аГ2Д/;
„	kTK я
Г2 = 1,29------- —
е 4
(10.2)
где Тк — термодинамическая температура катода; Г2 - коэффициент
депрессии приемно-усилительных ламп, обычно он лежит в пределах
0,1-0,2.
В многоэлектродных лампах к дробовым шумам добавляются шу-
мы, обусловленные флуктуациями процесса токораспределения. Сред-
неквадратическое значение шумового тока за счет токораспределе-
ния определяется выражением
Т2	л	. j.
1ш-р " 26
125
На низких частотах проявляется фликкер-эффект — флуктуации
тока эмиссии из-за случайных сравнительно медленных изменений ра-
боты выхода катода. Значение фликкер-шума можно найти из эмпири-
ческой формулы
*ш,ф =	(Ю.З)
где А — экспериментально определяемая константа; к = 0 4- 2.
На частотах, превышающих один килогерц, фликкер-шум в отличие
от дробового можно не принимать во внимание.
Для возможности сравнения собственных шумов электронных ламп
с напряжением сигнала шумы пересчитывают во входную сеточную цепь.
Лампу при этом считают идеальным нешумящим прибором, в сеточной
цепи которого находится эквивалентный генератор шума. Усиленные
лампой шумы этого генератора дают в анодной цепи флуктуации, рав-
ные собственным шумам реальной лампы. Для триода, работающего
в режиме объемного заряда, ЭДС эквивалентного генератора шума мож-
но найти
«ш.экв = V^/5 = y/lel^WS.	(10.4)
При анализе шумовых свойств ламп обычно пользуются понятием
эквивалентного шумового сопротивления. Известно, что хаотическое
тепловое движение носителей заряда приводит к появлению на актив-
ном сопротивлении R флуктуаций напряжения, среднеквадратическое
значение которого определяется формулой Найквиста
u£R = 4kTRtf.	(10.5)
Мощность тепловых шумов имеет такое же равномерное распреде-
ление по спектру, как дробовые шумы анодного тока лампы. Под
эквивалентным шумовым сопротивлением лампы понимают такое
активное сопротивление Яш,экв> которое, находясь в сеточной цепи
нешумящей лампы, создает за счет своих тепловых шумов в анодной
цепи шумовой ток, равный собственным шумам реальной лампы.
Приняв г^.экв ~^nR из (10.4) и (10.5) при R = 7?ш>экв, получим
выражение для эквивалентного шумового сопротивления триода
Лш,экв= Г* ^2 •	(10-6)
Подставив (10.2) в (10.6) и приняв Тк = 1100 К, 7 = 293 К, получим
*ш,экв « 2,5/5.	(10.7)
Эквивалентное шумовое сопротивление пентода с учетом шумов
за счет токораспределения находится из выражения
126
г
(10.8)
Из (Ю.7) и (10.8) видно, что для снижения эквивалентного шу-
мового сопротивления электронных ламп необходимо, прежде всего,
увеличивать крутизну анодно-сеточной характеристики. В много-
электродных лампах к снижению шумов приводит также увеличение
коэффициента токораспределения, т. е. уменьшение доли тока второй
сетки в катодном токе лампы. Экранирующая сетка в малошумящих
лампах должна быть редкой. Для малошумящих ламп, работающих
во входных каскадах усилителей низких частот, принимаются меры к
снижению фликкер-шумов путем повышения однородности материала
катода. Эквивалентное шумовое сопротивление ламп с низким уровнем
шума удалось снизить до 100—200 Ом.
На уровень шумов электронной лампы влияет электрический режим.
Поэтому рабочую точку выбирают на участке анодно-сеточной харак-
теристики, имеющем наибольшую крутизну. Для увеличения коэффи-
циента токораспределения используется пониженное напряжение на
экранирующей сетке, при этом не должны существенно ухудшаться
другие параметры лампы.
10.2.	ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ
При рассмотрении физических процессов в электронных лампах
в гл. 7, 8 условно считалось, что при отрицательном напряжении сетки
ток в сеточной цепи отсутствует. Практически в цепи сетки всегда про-
текает ток, который при отрицательном напряжении сетки очень мал
по сравнению с токами в цепях положительно заряженных электродов.
Однако в некоторых случаях даже очень слабый сеточный ток может
оказывать влияние на работу лампы.
Рассмотрим природу тока сетки при подаче на нее отрицательного
напряжения. Сеточный ток является суммой нескольких токов, имею-
щих различную причину возникновения (рис. 10.1).
При малых отрицательных напряжениях в цепи сетки протекает ток
за счет электронов с катода, энергия которых достаточна для преодо-
ления тормозящего поля сетки (кривая 1). Он называется прямым то-
ком сетки и направлен от сетки к катоду. Остальные токи сетки про-
текают в противоположном направлении, и их сумма носит название
обратного тока сетки. Компонентами обратного сеточного тока явля-
ются токи утечки по изоляции между электродами сетка—катод (кри-
вая 2) и сетка—анод (кривая 5).
Разгоняясь в поле анода, электроны производят ионизацию моле-
кул остаточных газов. Положительные ионы движутся к сетке, имею-
щей наиболее низкий потенциал из всех электродов. Ионы получают
127
Рис. 10.1. Характеристики компонент сеточного тока при,отрицательных напря-
жениях сетки
от сетки недостающие электроны, тем самым создавая ионный ток
сетки (кривая 4).
Весомый вклад в обратный сеточный ток дает термоэлектронная
эмиссия сетки, нагретой излучением с катода. Кроме того, излучение
катода и излучение, проходящее через прозрачный баллон снаружи,
вызывают фотоэлектронную эмиссию сетки. Ток термо- и фотоэлект-
ронной эмиссий практически не зависит от напряжения сетки (кри-
вая 5).
Результирующий ток сетки при уменьшении на ней отрицательного
напряжения меняет направление (кривая 6). Сеточный ток определяет
входное сопротивление лампы. Обратный сеточный ток приемно-уси-
лительных ламп составляет 1(Г7 — 10-5 А.
Для измерения сверхмалых токов (около КГ16 — 1(Г10 А) исполь-
зуются устройства, содержащие электрометрические лампы. С помощью
этих ламп измеряют напряжения, возникающие на высокоомном ак-
тивном сопротивлении при протекании измеряемого тока. Сеточный
ток электрометрических ламп должен быть значительно меньше изме-
ряемого, поэтому при разработке и эксплуатации таких ламп принима-
ют ряд мер, позволяющих снизить ток сетки. Резкое уменьшение пря-
мого тока происходит при использовании отрицательного напряжения
смещения порядка — (2 -г 3) В. Токи утечки снижаются за счет конструк-
тивных мер, применения высококачественных изоляционных материа-
лов и уменьшения рабочих напряжений. Для уменьшения токов тер-
мо- и фотоэлектронной эмиссии уменьшают температуру катода, экра-
128
нируют электроды от внешних излучений и увеличивают работу выхода
материала сетки путем покрытия ее золотом.
Для повышения эффективности цепи подогревателя при пониженном
напряжении накала в ряде электрометрических ламп используют като-
ды прямого накала. Устранение ионного тока обеспечивается снижением
анодного напряжения до 5—6 В, при этом ионизация молекул остаточ-
ных газов отсутствует. При столь низких анодных напряжениях крутиз-
на анодно-сеточной характеристики и ток анода имеют очень малые
значения. Чтобы улучшить эти параметры, в некоторых электрометри-
ческих лампах используется катодная сетка, на которую подается не-
большое положительное напряжение 2—4 В. В результате повышается
действующий потенциал в области управляющей сетки и глубина мини-
мума потенциала уменьшается. Крутизна анодно-сеточной характери-
стики электрометрических ламп лежит в пределах от нескольких десят-
ков до нескольких сотен микроампер на вольт.
10.3.	ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ,
ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ
Кроме ранее рассмотренных параметров электронных ламп, суще-
ствует еще ряд дополнительных параметров, характеризующих свойства
приборов при эксплуатации.
Механические параметры электронных ламп характеризуют устой-
чивость прибора к внешним механическим воздействиям, которыми
являются вибрации с различной частотой и ускорением, однократные
и многократные удары. Механические воздействия вызывают в лампах
изменения междуэлектродных расстояний, что приводит к нежелатель-
ной модуляции анодного тока и появлению на нагрузке напряжения
виброшумов. Удары ламп могут привести к разрушению связей между
деталями и их деформации. Особенно опасны удары для мощных ламп,
имеющих значительные массу и размеры деталей. Поэтому в справоч-
никах приводится напряжение виброшумов и допустимое ускорение
при многократных или однократных ударах.
Климатические параметры показывают устойчивость электронных
ламп к изменению температуры, атмосферного давления и влажности.
На работу ламп особенно влияет повышение температуры окружающей
среды, так как при этом возрастает температура электродов ламп.
Увеличение температуры катода приводит к изменению электрических
параметров лампы и сокращению срока службы катодного узла. Повы-
шение температуры анода и сеток может привести к нарушению тепло-
вого баланса этих электродов (см. § 5.4).
Снижение атмосферного давления ухудшает теплообмен с окружаю-
щей средой, что может вызвать чрезмерное повышение температуры
баллона. Кроме того, при уменьшении давления и повышении влажно-
сти может снизиться пробивное напряжение между выводами электро-
5-6353
129
дов. Допустимый интервал температур окружающей среды, макси-
мальная температура баллона, влажность приводятся в предельных
эксплуатационных данных на каждый тип лампы.
Долговечность электронных ламп — это минимальное время работы
прибора, при котором он сохраняет работоспособность, а основные
параметры не изменяются больше заданных значений. Требуемая от
ламп долговечность определяется назначением и условиями работы
устройств, в которых применяются эти лампы. Долговечность указы-
вается в часах.
Надежность лампы — способность выполнять заданные функции и
сохранять параметры в указанных пределах в определенных условиях
эксплуатации в течение заданного времени. Надежность оценивается
по интенсивности отказов (в процентах) за определенное время рабо-
ты. Наиболее распространенными причинами отказов ламп при эксплуа-
тации являются короткие замыкания между электродами, перегора-
ние подогревателя, нарушение герметичности баллона, возрастание
токов управляющей сетки и т. д.
Экономичность электронных ламп принято оценивать отношением
крутизны анодно-сеточной характеристики к полной мощности, по-
требляемой лампой от источников питания,
- $ = ___________$____________
Р	IaUa + Ic2Uc2 ‘
Для работы в сложных эксплуатационных условиях разработаны
специальные серии электронных ламп повышенной надежности и дол-
говечности. Как следует из причин отказов, надежность и долговечность
в основном определяется устойчивостью ламп к механическим и кли-
матическим воздействиям, а также качеством применяемых материалов
и уровнем технологии производства.
Для повышения надежности разработанных типов ламп в их
конструкцию были внесены усовершенствования, в результате чего воз-
росла механическая прочность арматуры. Применение исходных ма-
териалов высокой степени чистоты позволило увеличить срок службы
приборов. В результате этих мер у ряда типов ламп появился аналог
повышенной долговечности и надежности.
Представляют интерес сверхминиатюрные металлокерамические лам-
пы, обладающие устойчивостью к воздействию вибраций, ударов и по-
вышенных температур, так называемые нувисторы. Эти лампы имеют
низкий уровень шумов и весьма экономичны. Нувисторы имеют ци-
линдрическую систему электродов, которая монтируется на керамиче-
ской плате — ножке с помощью конических фланцев (рис. 10.2).
Жесткое закрепление электродов дало возможность уменьшить меж-
дуэлектродные расстояния, что позволило получить достаточно высо-
кую крутизну при небольших напряжениях на электродах. Малые раз-
130
Рис. 10.2. Конструкция триода-нувистора:
1 - катод; 2 - сетка; 3 - анод; 4 - металлический баллон
Рис. 10.3. Схематическое изображение поперечного сечения стержневого пентода:
1 — анод; 2 - стержни, экранирующие от внешних полей; 3 — антидинатрон-
ные стержни; 4 - экранирующие стержни; 5 - управляющие стержни; 6 - катод
меры и одностороннее крепление катода требуют меньшую мощность
для его нагрева. Отсутствие слюды и замена стекла керамикой и метал-
лом повышает устойчивость лампы к воздействию повышенных тем-
ператур.
Нувисторы выдерживают одиночные удары с ускорением 1000g,
имеют напряжение виброшумов в несколько раз меньшее, чем другие
лампы. Диапазон температур окружающей среды от -60 до +200 °C.
Конструкция нувисторов позволяет полностью автоматизировать про-
цесс производства ламп.
Высокой экономичностью и устойчивостью к внешним механиче-
ским воздействиям отличаются стержневые лампы. Использование
катода прямого накала позволило резко снизить мощность на нагрев
катода. Управление током, экранирование поля анода и подавление
динатронного эффекта в таких лампах осуществляются электродами
в виде стержней, выполняющих роль соответствующих сеток обычных
Ламп. Поперечное сечение стержневого пентода приведено на рис. 10.3.
Там же показаны эквипотенциальные линии электрического поля.
131
Рис. 10.4. Планарный вариант вакуумной интегральной схемы:
1 - подложка; 2 — катод; 3 - сетка; 4 - анод
Рис. 10.5. Объемный вариант вакуумной интегральной схемы на двух подлож-
ках:
1 — анод; 2 — подложка; 3 - подогреватель; 4 — катоды; 5 — сетки
Управление катодным током с помощью стержней 5 основано не
только на изменении глубины минимума потенциала у поверхности
катода, но и на изменении рабочей поверхности катода, электроны с
которой составляют катодный ток. Поэтому выражение, описывающее
зависимость катодного тока от действующего напряжения в стержне-
вых лампах, отличается от закона степени трех вторых. Электростатиче-
ская линза, образующаяся в прикатодной области при отрицательном
напряжении управляющих стержней 5, фокусирует электронный по-
ток, что приводит к возрастанию коэффициента токораспределения,
доходящего в режиме прямого перехвата до 0,98. Снижение бесполез-
ного тока экранирующих стержней 4 повышает экономичность лам-
пы. Номинальное напряжение анода и экранирующих стержней сетки
стержневых ламп в несколько раз меньше, чем у ламп обычной кон-
струкции. В некоторых типах ламп напряжение на аноде снижено
до 6‘ В. Конструкция стержневых ламп позволяет выдерживать од-
нократные ударные нагрузки до 600g. Лампы имеют малые габарит-
ные размеры и низкий уровень шумов.
Вакуумные интегральные схемы (ВИС). В ряде областей промыш-
ленности, науки и техники нужны контрольно-измерительные приборы,
работающие в условиях высоких температур. Для построения таких
приборов весьма перспективными могут быть ВИС, в которых явление
термоэлектронной эмиссии используется в сочетании с тонкопленоч-
ной интегральной технологией. Один иэ вариантов построения ВИС на-
зывается планарным. В одной плоскости на общей диэлектрической
подложке из сапфира располагаются пленочные электроды (рис. 10.4).
Термоэмиссия катода обеспечивается нагревом всей подложки. Регу-
лировка мощности накала позволяет ВИС работать в широком диапа-
зоне температур. В качестве материала керна катода используется воль-
132
фрам, сетки и анода — титан. На одной подложке может располагаться
большое количество приборов. Недостатком такой конструкции ВИС
является низкая экономичность, так как нагревать приходится всю
подложку, а также возможность нарушения междуэлектродной изо-
ляции из-за перемещения покрытия катода по подложке.
В другом варианте построения ВИС — объемном эти недостатки в
значительной мере устранены. Одна из конструкций объемного вари-
анта ВИС с двумя подложками изображена на рис. 10.5. Нагреву под-
вергается только активная эмиттирующая зона нижней подложки. Та-
кая структура аналогична триоду, сетка которого смещена в плоскость
катода. Малое расстояние между электродами повышает эффективность
управления анодным током.
Вакуумные интегральные схемы могут работать при температуре
400-500 °C, поэтому их корпуса должны обеспечивать хорошую гер-
метичность, минимальное газоотделение, малые токи утечки между
выводами и стойкость к окислению. Материалом корпуса ВИС могут
служить стеклокерамика, специальное стекло, ковар, нержавеющая
сталь, никель. Проводники выводов изготовляются из тугоплавких
металлов, например платины. Предполагается, что применение более
производительных газопоглотителей, чем титан, позволит повысить
рабочую температуру ВИС.
10.4.	МЕХАНОТРОНЫ
Механотронами называются электронные лампы, имеющие один или
несколько подвижных электродов, соединенных с баллоном лампы с
помощью упругого элемента: мембраны, сильфона, специального подве-
са и т. п. Перемещение электродов приводит к изменению электриче-
ских параметров прибора, поэтому механотроны применяют для пре-
образования механических величин в электрические. Эти лампы исполь-
зуются в качестве датчиков при измерении перемещений, давлений,
ускорений и т. п.
В механотронах, предназначенных для измерения перемещений
(рис. 10.6, а), внешнее механическое воздействие через штырь 5 пере-
дается на анод 2, который смещается относительно катода 1, вызывая
тем самым изменение анодного тока.
В механотронных измерителях давлений (рис. 10.6, б) механиче-
ский сигнал (давление) воспринимается непосредственно мембраной 4,
с которой жестко связан подвижный анод.
Механотроны с внутренним управлением (рис. 10.6, в) не имеют
гибких оболочек. Инерционная масса 6 соединяется с подвижным
электродом внутри лампы на упругой опоре в виде плоской пружи-
ны. Такие механотроны применяются в виброметрах, измерителях
угла поворота и т. п.
133
5
Рис. 10.6. Устройство механотронов различного на-
значения:
1 — катод; 2 — анод; 3 — баллон; 4 - мембрана;
5 — штырь; 6 — инерционная масса
Подвижный электрод, как правило, пере-
мещается относительно неподвижного элект-	п~|— 1111 —Г|
рода вдоль или поперек линий электрического
поля межд/электродного промежутка. Кон- U U U U I
структивно механотроны выполняются в ви-
де одиночных или сдвоенных диодов либо Рис. 10.7. Конструкция
тт »	механотрона
триодов. На рис. 10.7 показана в упро-
щенном виде конструкция симметричного
диодного механотрона с двумя подвижными анодами для прецизион-
ного измерения линейных перемещений и сил.
Плоскопараллельная система электродов имеет подогревный оксид-
ный катод 1, который является неподвижным. Два симметричных под-
вижных анода 2 жестко соединены со штырем 3 с помощью изолято-
ров. Мембрана 4 соединяется со стеклянным баллоном через металли-
ческий фланец 5, предохраняющий ее от механических повреждений при
монтаже и эксплуатации прибора. Сдвоенный диод включается в мо-
стовую измерительную схему, благодаря этому снижается влияние не-
контролируемых внутриламповых процессов: нестабильности тока
эмиссии, изменения вакуума и др. При механическом воздействии на
штырь один из анодов приближается к катоду, другой удаляется от не-
го, поэтому изменения токов в диодах имеют разные знаки. В резуль-
тате изменения анодных токов в мостовой измерительной схеме воз-
никает напряжение разбаланса, характеризующее механическое воз-
действие.
Достоинствами механотронов являются высокая чувствительность,
достаточно высокий уровень выходного сигнала, малое измеритель-
ное усилие и др.
134
Контрольные вопросы и задания
1.	Какова природа шумов электронных ламп? Как количественно
оцениваются шумы?
2.	Почему уровень шума в многоэлектродных лампах выше, чем
в триодах?
3.	Что такое эквивалентное шумовое сопротивление?
4.	Какова природа обратного тока сетки? Каким путем его умень-
шают в электрометрических лампах?
5.	Какие параметры характеризуют свойства электронных ламп
при эксплуатации?
6.	Какие конструктивные особенности имеют нувисторы? В чем
достоинства этих ламп?
7.	Какой механизм управления токами в стержневых лампах?
8.	Опишите конструкцию и принцип работы ВИС. Где они приме-
няются?
9.	Опишите устройство и принцип работы механотронов. Каково
их назначение?
Часть третья
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава одиннадцатая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
11.1.	ОПТИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН СПЕКТРА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Оптическим диапазоном спектра электромагнитного излучения на-
зывается область с длинами волн от одного нанометра до одного мил-
лиметра. Границы оптического диапазона являются условными, они
выделяют область спектра излучения, отличающуюся общностью прин-
ципов излучения и методов приема электромагнитных волн. Оптиче-
ский диапазон включает в себя три области спектра. Излучение видимой
области с длинами волн от 0,38 до 0,78 мкм непосредственно воспри-
нимается человеческим глазом. Со стороны коротких волн к видимой
области примыкает область ультрафиолетового (УФ) излучения с дли-
нами волн 0,001—0,38 мкм, со стороны длинных волн — область инфра-
красного (ИК) излучения 0,78—1000 мкм. УФ и ИК излучения невиди-
мы для человеческого глаза.
Энергия излучения в оптическом диапазоне спектра We обычно изме-
ряется в джоулях. Мерой энергии, излучаемой или принимаемой в еди-
ницу времени, будет поток излучения
Фе = dWe/dt.
Являясь мощностью излучения, поток излучения измеряется в ват-
тах. Поток излучения, испускаемый в очень узком диапазоне длин волн,
называется монохроматическим Фе\, такой поток излучают, например,
лазеры. Если считать монохроматический поток излучения как поток
фотонов с энергией h v, то интенсивность излучения N можно оценивать
числом фотонов, излучаемых в единицу времени:
#= ФеХ/^-
Большинство естественных и искусственных источников излучения
оптического диапазона испускают сложный поток излучения Фе, рас-
пределенный по спектру. У источников с линейчатым спектром излу-
чения (рис. 11.1, а) сложный поток излучения является суммой со-
136
Рис. 11.1. Спектры излучения:
а - линейчатый; б - сплошной
ставляющих его монохроматических потоков
Фе = ФеХ1 + ФеХ2 + ... + ФеХ„ =s ФеХ,.,	(11.1)
где X. - номера гармоник, присутствующих в .спектре излучения.
На рис. 11.1, б показан сплошной спектр излучения нагретого тела.
Распределение излучения по спектру характеризуется спектральной
плотностью потока излучения ip(X)
ДФе
«р(Х) = lim	——
ДХ-*о
аФе
Тх”’
(П-2)
где ДФе и </Фе — потоки излучения узких участков спектра ДХ и dX.
Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на мик-
рон (нанометр).
Сложный поток излучения источника со сплошным спектром излу-
чения определяется выражением
Фе = J <p(X)dX.	(11.3)
о
Графически сложный поток излучения может быть найден как пло-
щадь под кривой <р(Х) на рис. 11.1, б.
Энергия излучения и поток излучения являются энергетическими
величинами. Существует также система световых величин. Мощность
излучения можно оценивать по световому ощущению, которое она про-
изводит, т. е. реакции человеческого глаза на воздействие потока из-
лучения. Глаз представляет собой избирательный (селективный) при-
емник излучения, его реакция зависит от длины волны излучения. На
рис. 11.2 приведена характеристика относительной спектральной чув-
ствительности человеческого глаза, называемая кривой относительной
видности V (X).
137
Рис. 11.2. Спектральная характеристика относительной
видности
Световым потоком называется поток излу-
чения, оцениваемый по зрительному восприя-
тию, т. е. он представляет собой видимую часть
любого потока излучения. Очевидно, одинако-
вые по значению потоки излучения, но имею-
щие различный спектральный состав, будут
иметь различные световые потоки. Единицей светового потока является
люмен (лм). В максимуме кривой относительной видности при X =
= 0,555 мкм 1 Вт монохроматического потока излучения равен
680 лм соответствующего монохроматического светового потока.
Чтобы перейти от монохроматического потока излучения к монохро-
матическому световому потоку \ с той же длиной волны, можно
воспользоваться соотношением
ФгХ = 680ФеХ7(Х).
(И-4)
Световой поток источника с линейчатым спектром излучения может
быть найден из (11.1) и (11.4)
Фр = 680 S ФеХ 7(Х),
\ k
Х^ — номера гармоник в пределах видимой части спектра излучения.
Световой поток источника со сплошным спектром излучения с извест-
ной функцией спектральной плотности ip(X) находится интегрированием
в пределах границ видимого диапазона
Xj =0,78 мкм
Фр = 680	/ ip(X)F(X)dX.	(И.5)
Xj — 0,38 мкм
11.2.	НАЗНАЧЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Приемником излучения или фотоприемником называется прибор,
предназначенный для преобразования оптического сигнала в электри-
ческий. В зависимости от механизма преобразования энергии излуче-
ния приемники излучения делятся на тепловые и фотоэлектронные
(фотоэлектрические, фотонные). В тепловых фотоприемниках погло-
щенная энергия излучения превращается в тепло, в результате чего из-
меняются электрические свойства вещества.
В фотоэлектронных приемниках происходит прямое взаимодействие
между фотонами и электронами материала чувствительного слоя фото-
138
приемника. Электрические свойства фотоприемника при этом изме-
няются, а температура остается практически неизменной.
Фотоэлектронные приемники излучения, в свою очередь, можно раз-
делить на два класса, включающих в себя большинство применяемых
на практике приемников излучения: электровакуумные фотоэлектрон-
ные приборы и полупроводниковые фотоэлектрические приборы. Прин-
цип действия первых основан на внешнем фотоэффекте, или фотоэлект-
ронной эмиссии, работа вторых основана на внутреннем фотоэффекте
(фоторезистивном или фотогальваническом).
К электровакуумным фотоэлектронным приборам, которые будут
рассмотрены в данной книге, относятся фотоэлементы и фотоэлектрон-
ные умножители.
11.3.	ПОНЯТИЕ О ПАРАМЕТРАХ И ХАРАКТЕРИСТИКАХ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ .
В том случае, когда специальный состав излучения не влияет на опре-
деление параметра и ход характеристики рассматриваемого прибора,
поток будем обозначать символом Ф без индексов.
Чувствительность. Под чувствительностью фотоприемника в общем
случае понимают отношение его реакции к оптической величине, вы-
звавшей эту реакцию. Реакцией электровакуумных фотоэлектронных
приборов на изменение потока удобно считать изменение тока. Это свя-
зано с тем, что ток в рассматриваемых приборах в рабочем режиме
зависит в основном от интенсивности потока, попадающего на фото-
приемник, и практически не зависит от напряжения на выходном
электроде. Различают дифференциальную чувствительность, определяе-
мую как отношение приращений тока и потока S =dl / <7Ф, и статиче-
скую, равную отношению постоянных значений этих величин S = 1/Ф.
У вакуумных фотоэлектронных приборов дифференциальная и стати-
ческая чувствительности равны в связи с линейностью характеристи-
ки / = /(Ф).
Спектральной чувствительностью называется чувствительность к мо-
нохроматическому потоку излучения, т. е. отношение тока к падающе-
му монохроматическому потоку Sex = //ФеХ- Спектральная чувстви-
тельность фотоэлектронных приборов зависит от длины волны излу-
чения. Эта зависимость Se\ = /(ФеХ) является спектральной характе-
ристикой прибора. Для удобства на практике пользуются понятием
относительной спектральной чувствительности S (X) — отношением
чувствительности на данной длине волны к максимальной спектраль-
ной чувствительности УеХтвх
5(Х) = S е\/S e^jnax •	(11-6)
Относительная спектральная характеристика S (X) = f (X) позволя-
ет сравнивать избирательные свойства приборов, имеющих большие
139
Рис. 11.3. Спектральные характеристики фотокатодов:
а - зависимость абсолютной спектральной чувствительности многощелочного
(7) и серебряно-кислородно-цезиевого (2) фотокатодов от длины волны;
б - относительные спектральные характеристики этих фотокатодов
различия по абсолютным значениям чувствительности. Для примера
на рис. 11.3, а приведены спектральные характеристики двух фото-
эмиттеров одинакового размера, а на рис. 11.3, б показаны их отно-
сительные спектральные характеристики. Из рисунков видно, что отно-
сительные спектральные характеристики являются более удобными
для практического использования.
Интегральной чувствительностью называется чувствительность фото-
приемника к немонохроматическому сложному потоку излучения за-
данного спектрального состава
Se=I/^e.	(П.7)
Интегральная чувствительность измеряется в амперах на ватт. По-
скольку значение интегральной чувствительности зависит от спектраль-
ного состава потока излучения, она как параметр имеет смысл лишь
применительно к конкретному источнику излучения. В справочниках
интегральную чувствительность фотоприемников указывают по от-
ношению к потоку эталонных источников. У электровакуумных фото-
электронных приборов измерение интегральной чувствительности про-
изводят по источнику типа А [образцовая светоизмерительная газо-
полная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, имеющая цветовую
температуру Та = (2856 ± 10) К].
Между интегральной и спектральной чувствительностями существу-
ет определенная связь. Ток di, вызванный потоком излучения с участ-
ка спектра dX, можно найти как
di = Se\d^e.
Из определения спектральной плотности потока излучения (1.2) имеем
di = Se^p(\)dX.	(11.8)
Отсюда ток от воздействия всего сложного потока находится ин-
140
г
тегрированием уравнения (11.8) по длинам волн всего спектра
/ = Г SeW(X-)d(\-).	(11.9)
о
Из (П.6) находим Se\ и подставляем в (11.9), тогда
/=5еХтвх 7°5(Х)^(Х)<А.	(11.10)
о
Подставив (11.3) и (11.10) в (И.7),получаем
/ 5(Х) iXX) dX
Se~SeXmax -^5--------------- •	(11.11)
/ i^(X)dX
о
Числитель в (11.11) называется эффективным для данного прием-
ника потоком излучения, а отношение интегралов - коэффициентом
использования. Эффективный поток ФеЭф составляет ту часть полного
потока излучения, которая вызывает реакцию приемника (например,
протекание тока в выходной цепи).
Коэффициент использования потока излучения, равный отношению
эффективного к полному потоку излучения К = Феэф/Фе, показыва-
ет, какую часть сложного потока излучения составляет эффективный
для данного фотоприемника поток. Зная спектральные характеристи-
ки фотоприемника и излучателя, можно графически определить ко-
эффициент использования как отношение площади, ограниченной кри-
вой S (X) <р(Х) и осью абсцисс, к площади под кривой ф(Х) (рис. 11.4).
Очевидно, что световой поток является эффективным потоком лю-
бого излучателя с заданной функцией спектральной плотности ф(Х)
л
Рис. 11.4. К расчету коэффициента использования потока излучения:
оо
1 - функция S(X); 2 - функция S(X)ф(Х); 3 - площадь Феэф = f 8 (X)ф(Х)dX;
00	о
4 площадь Фе = J у’(Х) dX; 5 - функция <р(Х)
о
141
для приемника, имеющего относительную спектральную характеристи-
ку V (X), совпадающую с характеристикой человеческого глаза. Если
правую часть уравнения (11.5) умножить и разделить на сложный поток
излучения (11.3), то получим зависимость, связывающую световой
поток с полным потоком излучения любого источника:
Ф„ = 680Фет?,
где rj — коэффициент использования глаза или КПД глаза,
ОО
П = f ^(Х)К(Х)	(11.12)
о	Фе
Отношение Ф„/Фе = 680т? называют световой отдачей источника
излучения.
Таким образом интегральная и спектральная чувствительности свя-
заны через коэффициент, использования потока
$е ~ 8е\тахК-	(11.13)
Чтобы вычислить интегральную чувствительность фотоприемника по
отношению к произвольному реальному источнику 5ер по известному
значению интегральной чувствительности к потоку излучения эталон-
ного источника $еэ, можно воспользоваться выражением
5ер = 5еэ	(И-14)
где Кр и Кэ — коэффициенты использования данным приемником по-
токов излучения соответственно реального и эталонного источников.
Для электровакуумных фотоэлектронных приборов широко исполь-
зуется параметр световая чувствительность Sv . Световой чувствитель-
ностью называется интегральная чувствительность к световому потоку
источника типа А
т	$е\тах S S Qi)ip.(K)d\
sv = ~------= --------__о--------А-------,	(11.15)
Фр Л	680 / К(Х)<р. (X)dX
о А
где (X) - спектральная плотность потока излучения, а ФУл - свето-
вой поток источника типа А. Световая чувствительность измеряется
в амперах на люмен.
На рис. 11.5 представлены спектральные характеристики: источни-
ка типа А (X), человеческого глаза V (X) и условного фотоприем-
ника S(X). Отношение интегралов в (11.15) можно вычислить графи-
чески как отношение заштрихованных площадей Щ/Щ на рисунке.
Для вычисления КПД глаза к излучению источника типа А т?э необхо-
142
Рис. 11.5. К расчету световой чувствительности
оо
и КПД глаза: IIj - площадь J S (X)	(X) dX;
0
П2 - площадь J V (X) (X) dX
о
димо взять отношение площади П2 к пло-
щади под кривой \рА (X). Следует учесть,
что на интервал спектра 300—1000 нм,
приведенный на рисунке, приходится 25%
полного потока излучения эталонного
источника.
Интегральная чувствительность электровакуумного фотоэлектрон-
ного прибора к потоку излучения эталонного источника связана со
световой чувствительностью через КПД глаза
$еэ ~ 680t?35v .
Подставив значение т?э = 0,0246, получим
$еэ^ 16,6SV .
(11.16)
Кроме спектральных характеристик электровакуумных фотоэлект-
ронных приборов представляют интерес световые, вольт-амперные и
частотные характеристики.
Световой характеристикой называется зависимость выходного тока
прибора от потока при неизменном его спектральном составе и постоян-
ном напряжении на электродах I = f (Ф).
Вольт-амперной характеристикой называют зависимость выходного
тока от напряжения, приложенного к фотоэлектронному прибору, при
неизменном падающем потоке I = f (U).
Частотной (амплитудно-частотной) характеристикой называется
зависимость чувствительности прибора от частоты модуляции падающе-
го на него потока.
При отсутствии облучения чувствительного элемента прибора и подан-
ном напряжении на его электроды в выходной цепи протекает темновой
ток. В электровакуумных фотоэлектронных приборах темновой ток
обусловлен термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией электродов
и конечным значением сопротивления между электродами (ток утеч-
ки) . При низких уровнях облученности ток от полезного сигнала может
оказаться меньше темнового тока. Значение темнового тока в значитель-
ной мере определяет минимальный поток, который может быть принят
фотоэлектронным прибором.
Кроме полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеется
хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум при-
143
бора. Шумы в электровакуумных фотоэлектронных приборах обуслов-
лены дробовым эффектом, фликкер-эффектом и флуктуациями /са-
мого падающего потока.	/
Радиационный (фотонный) шум, вызванный флуктуациями числа
фотонов, приходящих на фотоприемник, учитывают, как правило,
при наличии постоянной фоновой засветки, существенно превышающей
полезный сигнал.	/
Основными шумами в электровакуумных фотоэлектронных прибо-
рах, как и в электронных лампах, являются дробовой шум и фликкер-
шум. Среднеквадратическое значение шумовых токов можно найти из
(10.1) и (10.3), если под Ц понимать анодный (выходной) тов^ фото-
электронного прибора.	I
Пороговым потоком Фп или порогом чувствительности фотоэлект-
ронного прибора считается такой поток излучения Феп или сйетовой
поток Фуп, который вызывает на выходе прибора ток, равный ампли-
туде среднеквадратического суммарного шумового тока, т. е. ;
= \/^ш-
Отсюда	।
Фп = х/^/5.	(11.17)
На практике для сравнения различных фотоприемников пороговый
поток приводят к единичной полосе частот (А/ = 1 Гц)
фп1 =ФП /х/ДЛ
Приведенный пороговый поток излучения измеряется в Вт  Гц-1/2,
а приведенный пороговый световой поток - лм • Гц-1/2. Монохромати-
ческий пороговый поток ФеХп не зависит от источника излучения, а
пороговые потоки Феп и ФРп, как и интегральная чувствительность,
связаны с конкретными излучателями. Пороговые потоки электрова-
куумных фотоэлектронных приборов измеряются и нормируются по
излучению источника типа А.
Пороговый поток фотоприемника от произвольного реального ис-
точника Феп,р с заданным спектром излучения можно определить по
известному значению порогового потока от эталонного источника
Феп,э с помощью формулы
феп,р — феп,э^э/-^р>
которую получаем из (11.14), разделив обе части на x/T^j.
Контрольные вопросы и задания
1. Как связаны между собой сложный поток излучения и его спект-
ральная плотность?
144
г
\2. Что такое световой поток? Какая количественная связь между
световым потоком и потоком излучения?
3.	Дайте определение спектральной и интегральной чувствительности.
4.	С какой целью при измерении ряда параметров фотоэлектронных
приборов используют эталонные источники?
5.	\Какой физический смысл имеют понятия: эффективный для фото-
электронного прибора поток излучения, коэффициент использования
потока излучения и КПД глаза?
6.	Что такое световая чувствительность электровакуумного фото-
электронного прибора?
7.	Что такое темновой ток и какова его природа в электровакуумных
фотоэлектронных приборах?
8.	Какова природа шумов в электровакуумных фотоэлектронных
приборах?
9.	Что такое пороговый поток фотоэлектронного прибора и от чего
он зависит?
!
।
Глава двенадцатая
ФОТОКАТОДЫ
I
12.1.	ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОКАТОДОВ
Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов
основан ца фотоэлектронной эмиссии, основные законы которой были
рассмотрены в § 2.4. Источником электронов в этих приборах является
электрод, называемый фотокатодом.
Важным параметром фотоэмиссионных материалов, из которых из-
готовляются фотокатоды, является работа выхода электрона из твер-
дого тела при взаимодействии с фотоном. Фотоэлектронной работой
выхода (порогом фотоэффекта) hv0 называется энергия, которую
нужно сообщить электрону, находящемуся на наивысшем энергетиче-
ском уровне при Т = О К, для того, чтобы он мог выйти в вакуум. Не
каждый фотон, даже обладающий энергией, большей hv0> вызывает
вылет электрона из фотокатода. Некоторые фотоны, взаимодействуя
с электронами, находящимися на низких энергетических уровнях, вызо-
вут переход электронов на более высокие уровни, но расположенные
ниже уровня вакуума. Вместе с тем часть оптически возбужденных
электронов, обладающих в результате взаимодействия с фотонами
энергией, достаточной для выхода, двигаясь к поверхности, теряет
часть этой энергии при различных взаимодействиях в твердом теле.
Эффективность использования материала в качестве фотокатода
характеризуется квантовым выходом или квантовой эффективностью
Y. Квантовый выход равен отношению числа эмиттированных электро-
нов п к числу квантов света — фотонов N (см. § 2.4).
145
Квантовый выход связан со спектральной чувствительностью фо
катода соотношением
5е\= — =-— = Y.
Фе\ Nhv hv
Коэффициент пропорциональности между спектральной чувствитель-
 
ностью и квантовым выходом зависит от частоты падающего потока
излучения.
Уход эмиттиров энных электронов из фотокатода должен ко енси-
роваться притоком электронов от источника питания прибора, поэтому
 
необходимо, чтобы материал фотокатода обладал проводимостью.
Этому условию удовлетворяют металлы и полупроводники.
Металлические фотокатоды имеют значительный коэффициент отра-
 
жения и большую фотоэлектронную работу выхода, их пороговая ча-
 
стота н0 соответствует излучению УФ-области спектра. Значительная
часть возбужденных фотонами электронов теряет приобретенную энер-
гию при движении к поверхности. Квантовый выход металлических
фотокатодов в ближней УФ-области спектра не превышает 0,01,/поэтому
они имеют малое практическое применение.
Широкое распространение получили полупроводниковые фотокато-
ды, характеризующиеся значительно меньшим коэффициентом отра-
жения, чем металлы, сравнительно малым значением работы выхода,
вследствие чего их порог фотоэффекта лежит в видимой и ближней
ИК-областях спектра. В полупроводниках потери энергии Оптически
возбужденными электронами при движении к поверхности существенно
ниже, чем в металлах. Квантовый выход полупроводниковых фотокато-
дов может приближаться к теоретическому пределу.
На рис. 12.1 представлены энергетические диаграммы собственного,
электронного и дырочного полупроводников. Независимо от типа про-
водимости фотоэлектронная работа выхода полупроводников с малой
концентрацией примеси равна сумме ширины запрещенной
энергии электронного сродства И^р, которая равна интервалу
между уровнем вакуума Wa и дном зоны проводимости
hp0 = ДМд + И'ср.
Вероятность фотозмиссии электронов с примесных уровней
но мала в связи с малой концентрацией атомов примеси по сравнению
с концентрацией электронов в валентной зоне.
Термоэлектронная работа выхода е>р0 в полупроводниках зависит
от типа проводимости. Наибольшего значения она достигает у полупро-
водников с дырочным типом проводимости. Термоэлектронная работа
выхода определяет значение тока термоэлектронной эмиссии материала
(см. § 2.2). Этот ток является компонентой темнового тока фотока-
тода, от которого зависит пороговый поток фотоэлектронного прибора.
146
зоны и
энергий
(12.1)
ничтож-
Рис. 12.1. Энергетические диаграммы собственного (?), слаболегированных элект-
ронного (Л) и дырочного (р) полупроводников при Т = О К
Дырочные полупроводники, применяемые для большинства фотокато-
дов, имеют меньшее значение тока термоэлектронной эмиссии, чем соб-
ственные и электронные полупроводники.
К важным параметрам фотокатодов относится интегральная чувстви-
тельность, в частности световая чувствительность. Основной характери-
стикой, определяющей назначение фотокатода, является спектральная
характеристика.
К эксплуатационным параметрам фотокатодов относятся нестабиль-
ность чувствительности во времени (утомление) и нестабильность при
хранении (старение).
12.2.	ТИПЫ ФОТОКАТОДОВ
Фотокатод электровакуумного фотоэлектронного прибора представ-
ляет собой тонкую пленку полупроводникового материала, нанесенную
на часть внутренней поверхности прозрачного баллона прибора либо на
металлическую пластину, являющуюся подложкой для фоточувстви-
тельного слоя. Фотокатоды бывают двух типов: массивные и полупро-
зрачные. Массивные фотокатоды имеют толщину не более десятых до-
лей микрона. Поток излучения попадает на фотокатод со стороны эмит-
тирующей поверхности, обращенной в вакуум баллона (фронтальное
освещение).
Полупрозрачные фотокатоды толщиной 20—30 нм облучаются со
стороны стекла (тыловое освещение). Поток излучения попадает на
147
Рис. 12.3. Пример использования явления полного внутреннего отражения ₽ фото-
катоде:
1 - призма; 2 — оптическое окно баллона; 3 - фотокатод
лона
z
1
Рис. 12.2. Фотокатод на зеркальной подложке:
1 — фоточувствительный слой; 2 - зеркальная подложка; 3 - стекло
одну сторону тонкой пленки фотокатода, а эмиссия происходит с другой
стороны в вакуум. Полупрозрачные фотокатоды находят в фотоэлект-
ронных приборах более широкое применение, чем массивные. ।
Одним из основных требований, предъявляемых к фотокатодам,
является максимальное поглощение излучения на таком расстоянии
от эмиттирующей поверхности, при котором значительная часть возбуж-
денных фотонами электронов может достигнуть поверхности, сохранив
энергию, достаточную для выхода в вакуум. Поэтому чувствительность
полупрозрачных фотокатодов зависит от их толщины. Малая толщина
фотокатода позволяет значительной части падающего потока излучения
проходить насквозь. При слишком большой толщине поглощение фото-
нов будет происходить вблизи стеклянной подложки фоточувствитель-
ного слоя и значительная часть возбужденных электронов может поте-
рять энергию, приобретенную при взаимодействии с фотонами, не до-
стигнув поверхности. Для каждого типа полупрозрачных фотокатодов
существует оптимальная толщина, при которой квантовый выход будет
иметь максимальное значение.
Существует много способов повышения чувствительности фотока-
тодов. Оптические способы заключаются в повышении эффективности
поглощения излучения в фоточувствительном слое, т. е. увеличении
чувствительности за счет более полного использования падающего
потока излучения. Одним из таких способов является использование
в массивных фотокатодах зеркальной отражающей излучение подлож-
ки (рис. 12.2). Толщина чувствительного слоя в этом случае приблизи-
тельно в 2 раза меньше обычной. Поток излучения, прошедший через
фотокатод, отражается от зеркальной подложки ди проходит еще раз
чувствительный слой. Таким образом, получается, что процесс погло-
щения происходит в слое двойной толщины по отношению к реаль-
148
Рис. 12.4. Ход лучей в коническом элементе рельефной под-
ложки фотокатода
ному, а процессы взаимодействия фотонов с элект-
ронами переносятся ближе к эмиттирующей поверх-
ности.
Эффективным способом повышения чувствитель-
ности полупрозрачных фотокатодов является ис-
пользование явления полного внутреннего отраже-
ния потока излучения от границ раздела фотокатод—
вакуум и стекло—воздух. Узкий параллельный пучок света вводится
через призму, оптически согласованную с материалом стекла, под уг-
лом, превышающим угол полного внутреннего отражения (рис. 12.3).
На границе фотокатод-вакуум луч полностью отражается и проходит
второй раз через слой фотокатода. Условия полного внутреннего от-
ражения должны обеспечиваться также на границе стекло-воздух,
тогда луч будет многократно отражаться в слое фотокатода до пол-
ного поглощения. Фоточувствительный слой в этом случае может быть
очень тонким, вследствие чего вероятность выхода .возбужденных
электронов резко увеличится. Чувствительность фотокатода будет
приближаться к теоретическому пределу, зависящему от материала
фотокатода.
Если фотоэлектронный прибор предназначен для работы с широким
пучком света и применение наружных оптических систем не предусмот-
рено, то для получения полного внутреннего отражения используется
рельефная подложка фотокатода. На рис. 12.4 показан ход лучей в од-
ном элементе рельефной подложки. Применение рельефной подложки
дает меньший эффект по сравнению с плоским фотокатодом и наруж-
ной призмой. Это объясняется частичным поглощением потока излу-
чения фотокатодом, так как полное внутреннее отражение происходит
только на границе фотокатод-вакуум. Небольшое повышение чувстви-
тельности может быть получено даже в том случае, если внутреннюю
поверхность стекла, на которую наносится фотоэмиссионный слой,
подвергнуть механическому матированию (насечке мелкого рельефа).
12.3.	СОВРЕМЕННЫЕ ФОТОКАТОДЫ
Вид спектральной характеристики фотокатодов определяется мате-
риалом и толщиной фоточувствительно го слоя, а также материалом
подложки и оптического окна. Стекло баллона, являющееся оптиче-
ским окном, у ряда фотокатодов служит подложкой фоточувствитель-
ного материала. По спектральным характеристикам фотокатоды под-
разделяются на три типа: фотокатоды, применяемые в приборах для
измерений в видимой, ближней ИК- и УФ-областях оптического диапа-
зона спектра. Характеристики некоторых фотокатодов охватывают
149
широким спектральный диапазон от УФ-области до ближней ИК-обла- ’j
стй, однако по ряду причин их применение, как правило, ограничила- ;
ется более узкой областью спектра.
Сурьмяно-цезиевый (Sb—Cs) фотокатод является наиболее распро- '
страненным для приборов, работающих в видимой области спектра. ;
Фотокатод может быть выполнен как массивным, так и полупрозрач- '
ным. В качестве материала фоточувствительного слоя используется
соединение сурьмы с цезием Cs3Sb, на поверхности которого адсорби- ’
рована пленка цезия, снижающая работу выхода фотоэлектронов. 1
Массивные Sb—Cs-фотокатоды изготовляются напылением сурьмы
путем термического испарения в вакууме на металлическую подлож-
ку, затем сурьма обрабатывается в парах цезия. При изготовлении
полупрозрачных фотокатодов пленка напыленного на стеклянную
подложку слоя сурьмы имеет толщину 5—6 нм. После обработки в
парах цезия пленка сурьмы разбухает до толщины 25—35 нм и имеет
прозрачность 35-50%. В целях увеличения электропроводности фото-
чувствительного слоя на стеклянную подложку предварительно напыля-
ют в вакууме пленку хрома пли двуокиси олова. Увеличения чувстви-
тельности Sb—Cs-фотокатода в 1,5—2 раза можно достигнуть путем об- 
работки поверхности фоточувствительного слоя кислородом. Эта опера-
ция, называемая сенсибилизацией фотокатода, приводит также к сни-
жению фотоэлектронной работы выхода.
На рис. 12.5 приведены спектральные характеристики обычного
(кривая'/) и сенсибилизированного (кривая 2) Sb-Cs-фотокатодов.
Из рисунка видно, что сенсибилизация сдвигает спектральную харак-
теристику в длинноволновую область. В серийных фотоэлектронных
приборах световая чувствительность массивных Sb-Cs-фотокатодов
достигает 120 мкА/лм, полупрозрачных — примерно 100 мкА/лм.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии несенсибилизированных
фотокатодов при комнатной температуре составляет IO4 6—1 СТ15 А/см2,
сенсибилизированных — 1СГ14 А/см2, квантовый выход достигает
0,25—0,3. Одним из серьезных недостатков Sb—Cs-фотокатода явля-
ется утомление при увеличении тока, снимаемого с фотокатода. Замет-
ное ухудшение чувствительности наступает при плотностях^тока, пре-
вышающих 1 мкА/см2.
Многощелочной фотокатод образуется при соединении сурьмы с ато-
мами трех щелочных металлов: калия, натрия и цезия — Na3 KSb (Cs).
Этот фотокатод по сравнению с Sb—Cs-фотокатодом обладает более
высокой световой чувствительностью и квантовым выходом в видимой
области спектра. Световая чувствительность многощелочных фотока-
тодов достигает 400 мкА/лм, а квантовый выход в максимуме спект-
ральной характеристики может быть равен 0,4.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной тем-
пературе не превышает IO"16 А/см2. Полупрозрачные многощелочные
фотокатоды имеют меньшее продольное сопротивление, чем сопро-
150
г
Рис. 12.5. Спектральные характеристики сурьмяно-цезиевых фотокатодов
Рис. 12.6. Спектральные характеристики висмуто-серебряно-цезиевого фотокато-
да и относительной видности
тивление сурьмяно-цезиевых фотокатодов, поэтому при их изготовле-
нии нет необходимости в проводящей подложке. Утомление многоще-
лочных фотокатодов наступает при плотностях тока, превышающих
несколько миллиампер на сантиметр квадратный, т. е. более чем на
три порядка превышающих предельные токи Sb-Cs-фотокатодов.
По всем параметрам многощелочные фотокатоды превосходят сурь-
мяно-цезиевые, однако технология их изготовления значительно слож-
нее. Она допускает широкое варьирование последовательности введения
щелочных металлов и режимов обработки. Изготовление фотокатода
происходит путем обработки тонкого слоя сурьмы последовательно
парами калия и натрия, затем полученное двухщелочное соединение
обрабатывается в парах цезия до получения на поверхности моноатом-
ной пленки.
На рис. 11.3 (кривая 1) была приведена спектральная характеристика
одного из многощелочных катодов. Длинноволновый порог фотоэф-
фекта фотокатода находится в ближней ИК области спектра Хо =900 нм.
Висмуто-серебряно-цезиевый (Bi—Ag-0-Cs) фотокатод имеет
спектральную характеристику, близкую к кривой видности глаза
(рис. 12.6), поэтому он нашел широкое распространение в фотоэлект-
ронных приборах телевизионной техники и для колориметрических
измерений. Процесс изготовления полупрозрачного Bi-Ag-O-Cs-фо-
токатода состоит в последовательном напылении на стекло тонких
(толщиной 4-5 нм) пленок висмута и серебра с последующим окисле-
нием серебра кислородом и окончательной обработкой в парах цезия.
Световая чувствительность этих фотокатодов такая же, как у сурь-
мяно-цезиевых (до 100-120 мкА/лм), квантовый выход не превыша-
ет 0,1, плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной тем-
пературе составляет 1СГ14 А/см2.
Двухщелочные фотокатоды Na2KSb и K2CsSb образуются при взаи-
модействии сурьмы с двумя щелочными металлами. Световая чувстви-
151
тельность и квантовый выход двухщелочных фотокатодов имеют та-
кие же значения, как у Sb— Cs-фотокатода, но они обладают значительно
меньшей плотностью тока термоэлектронной эмиссии^ составляющей
1СГ17 А/см2. По этой причине двухщелочные фотокатоды могут рабо-
тать при температуре окружающей среды, доходящей до 120 °C при
сохранении стабильности параметров, в то время как приборы с дру-
гими типами фотокатодов имеют допустимую температуру, не пре-
вышающую 70 °C. Порог фотоэффекта двухщелочных фотокатодов
расположен близко к длинноволновой границе видимого диапазона
спектра.
Серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (Ag-0-Cs) предназна-
чен для работы в ближней ИК-обласги оптического диапазона. При
получении этого фотокатода на часть внутренней поверхности баллона
наносится слой серебра, которое окисляется электрическим разрядом
в атмосфере кислорода. Далее слой окисленного серебра прогревается
в парах цезия. Если ’’толстый” слой серебра окисляется не полностью,
то получается массивный фотокатод на серебряной подложке. При
полном окислении тонкой пленки серебра образуется полупрозрач-
ный фотокатод. Ag—О—Cs-фотокатод является пойупроводником с
электронной проводимостью, с донорными примесями серебра и
цезия. Спектральные характеристики фотокатода, приведенные на
рис. 11.3 (кривая 2), отличаются наличием двух максимумов. Кван-
товый выход фотокатода очень мал: (3 — 7) • 1СГ3 в длинноволновом
максимуме и 7 • 1СГ3 в коротковолновом. Световая чувствительность
Ag—О—Cs-фотокатода, несмотря на малый квантовый выход и неболь-
шую спектральную чувствительность (Se 'ьтах 3 мА/Вт), составляет
30—40 мкА/лм. Это объясняется большим коэффициентом использо-
вания • фотокатодом потока излучения источника типа А [см. (11.13)
и (11.16)] за счет значительной протяженности спектральной харак-
теристики. Серьезным недостатком Ag—О—Cs-фотокатода является
большая плотность тока термоэлектронной эмиссии, лежащая в пре-
делах 10-13 - 1СГ10 А/см2.
Фотокатоды с отрицательным электронным сродством (ОЭС-фото-
катоды). Для снижения работы выхода полупроводниковых фотока-
тодов нужно использовать материалы с малыми шириной запрещенной
зоны и энергией электронного сродства [см. (12.1)]. На поверхность
сильнолегированного дырочного полупроводника наносят моноатом-
ную пленку электроположительного вещества, которое образует ди-
польный слой с положительным зарядом на поверхности, граничащей
с вакуумом. В качестве электроположительного материала используют,
как правило, цезий, окись цезия и другие его соединения. Электриче-
ское поле дипольного слоя облегчает выход электронов в вакуум.
На энергетической диаграмме таких материалов уровень вакуума мо-
жет оказаться ниже уровня дна зоны проводимости, т. е. энергия
электронного сродства становится отрицательной (рис. 12.7).
152
Рис. 12.7. Энергетическая диаграмма полу-
проводника с отрицательным электронным
сродством
Рис. 12.8. Спектральная характеристика тел-
луридо-цезиевого фотокатода
Фотоэлектронная работа выхода в этом случае будет равна шири-
не запрещенной зоны. Любой электрон, преодолевший в результате
взаимодействия с фотоном запрещенную зону, может участвовать в
фотоэмиссии. Потери энергии возбужденными электронами здесь све-
дены к минимуму и в основном определяются рекомбинацией. Сле-
довательно, в фотоэмиссии могут принимать участие электроны, воз-
бужденные на расстоянии диффузионной длины от поверхности (т. е.
расстоянии, на котором избыточная концентрация электронов уменьша-
ется за счет рекомбинации в е раз). Это расстояние значительно пре-
вышает их длину свободного пробега (движение без столкновений).
Большая глубина выхода электронов дает резкий подъем спектральной
характеристики на границе длинноволнового порога фотоэффекта.
Квантовьш выход приближается к теоретическому пределу 0,5.
ОЭС-фотокатоды являются самыми перспективными фотокатодами
для работы в ИК-области спектра. Чувствительность ОЭС-фотокатода
InAsP—Cs2 О на длине волны 1,05 мкм в 20 раз превышает чувствитель-
ность Ag—О—Cs-фотокатода. Световая чувствительность ОЭС-фото-
катода GaAs(Cs— О) достигает 2 мА/лм при плотности тока термоэлект-
ронной эмиссии 10-16 А/см2.
Фотокатоды для ультрафиолетовой области спектра изготавливаются
с оптическими окнами, пропускающими УФ-излучение. Для этого ис-
пользуется увиолевое стекло, кварц, сапфир, фториды магния и ли-
тия. Следует отметить, что все фотокатоды для видимой области спект-
ра чувствительны и к УФ-излучению. Однако их использование в прием-
никах УФ-излучения связано с необходимостью тщательной защиты
от засветки дневным солнечным светом. Поэтому целесообразно при-
менять фотокатоды, длинноволновая граница которых не заходит в
видимую область спектра, так называемые солнечно-слепые фотока-
153
годы. Такие фотокатоды позволяют проводить измерения УФ-потока
излучения в условиях интенсивного дневного освещения.
К потоку излучения УФ-области спектра чувствительно большинство
чистых металлов, например пленки магния и кадмия, но их квантовый
выход не превышает 1(ГЭ, а спектральные характеристики имеют очень
пологий длинноволновый край. Более резкий подъем характеристики
в области красной границы наблюдается у сплавных металлических
фотокатодов, например магниево-ееребряных и магниево-бариевых.
Они имеют длинноволновый порог фотоэффекта в области 400 нм и
квантовый выход 0,07.
Высоким квантовым выходом Y = 0,25 в области излучения 200—
350 нм обладают теллуриды цезия и рубидия. Эти фотокатоды в полу-
прозрачном варианте имеют высокое продольное сопротивление, поэто-
му их наносят на тонкую металлическую подложку (хромовую или
вольфрамовую), пропускающую до 85% УФ-излучения. Теллуриды
щелочных металлов имеют очень малую плотность тока термоэлектрон-
ной эмиссии (1(Г18 — 1СГ17 А/см2). Спектральная характеристика тел-
луридо-цезиевого фотокатода приведена на рис. 12.8.
В приборах для измерения излучения с длиной волны X < 100 нм
нашли применение фотокатоды из фторида магния и лития, имеющие
длинноволновый порог 95 и 140 нм соответственно. Максимальный
квантовый выход фторида магния составляет 0,4 при X = 55 нм. В свя-
зи с отсутствием прозрачных материалов в этой области спектра фото-
катоды должны сохранять свои параметры после пребывания на
воздухе. В целях стандартизации параметров для серийных приборов
разработана система типовых спектральных характеристик С-1, С-2 и т.д.
Контрольные вопросы и задания
1.	Как квантовый выход фотокатода связан с его спектральной
чувствительностью?
2.	Какие преимущества имеют полупроводниковые фотокатоды по
сравнению с металлическими? Почему большинство фотокатодов —
полупроводники с дырочной проводимостью?
3.	Какими характеристиками и параметрами оцениваются качества
фотокатода?
4.	Как реализуются оптические способы повышения чувствительно-
сти фотокатодов?
5.	Опишите структуру, свойства и основные параметры современных
фотокатодов для видимой области спектра.
6.	Опишите структуру, свойства и основные параметры современных
фотокатодов для ближней ИК-области спектра. Почему ОЭС-фотокато-
ды являются наиболее перспективными?
7.	Какие фотокатоды применяются для УФ-области спектра? Каковы
их структура и особенности работы?
154
Г
Глава тринадцатая
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
13.1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Электровакуумным фотоэлементом называется вакуумный прибор,
имеющий фотокатод и анод. Баллон фотоэлемента выполняется из
стекла с малым коэффициентом поглощения излучения в рабочем для
прибора диапазоне спектра. У фотоэлементов, предназначенных для
работы в УФ-области спектра, в баллоне делается окно из материала,
прозрачного в этой области. Некоторые фотоэлементы имеют металло-
стеклянные баллоны. Конструкции фотоэлементов весьма разнооб-
разны в зависимости от назначения прибора. Классификационными при-
знаками могут быть спектральный рабочий диапазон, тип и конструк-
ция фотокатода, режимы работы и области применения. По областям
применения фотоэлементы удобно объединить в три основные группы.
К первой группе можно отнести фотоэлементы, предназначенные
для регистрации сравнительно слабо меняющихся во времени потоков
излучения, интенсивность которых намного больше пороговой. Эти
фотоэлементы применяются в звуковоспроизводящей киноаппаратуре,
в фототелеграфии, в схемах автоматики и контрольно-измерительных
устройствах. Фотоэлементы этой группы обычно работают с произволь-
ными источниками света, поэтому основными требованиями к прибо-
рам являются наличие высокой интегральной чувствительности, а также
их долговечность и взаимозаменяемость.
Баллон фотоэлементов, выпускаемых для указанных целей, пред-
ставляет собой сферу, на часть внутренней поверхности которой на-
несен массивный фотокатод. Анод выполняется в виде кольца, сетки,
петли из тонкой проволоки, находящихся обычно в центре сферы.
Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или
разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Типичные
конструкции фотоэлементов первой группы приведены на рис. 13.1.
Ко второй группе относятся фотоэлементы, используемые для из-
мерения слабых медленно меняющихся пото-
ков излучения различного спектрального со-
става, а также для точного измерения свето-
вых потоков в фотометрии. В фотоэле-
ментах могут применяться как полупро-
Рис. 13.1. Устройство некоторых типов фотоэле-
ментов, используемых в звуковоспроизводящей
киноаппаратуре, фототелеграфии и приборах авто-
матического контроля:
1 - анод; 2 — фотокатод
155
Рис. 13.2. Устройство некоторых типов измерительных фотоэлементов:
1 - фотокатод; 2 - охранное кольцо; 3 - анод
зрачные, так и массивные фотокатоды. Подложкой последних служит
стекло или металлическая пластина. Для снижения токов утечки вво-
дится третий электрод — охранное кольцо. Электроды могут иметь
жесткие выводы в виде штырьков и цилиндров и гибкие выводы —
металлические ленты и проволочки. Некоторые конструкции фото-
элементов второй группы представлены на рис. 13.2.
К характеристикам и параметрам рассматриваемых фотоэлементов
предъявляются более жесткие требования, определяемые их назначе-
нием. Фотоэлементы должны обладать высокой стабильностью спект-
ральных характеристик, линейностью световой характеристики, доста-
точно большими значениями спектральной и световой чувствительно-
сти, высокой пороговой чувствительностью.
Третья группа включает в себя импульсные сильноточные фотоэле-
менты, предназначенные для измерения параметров мощных потоков
излучения, длительность которых может составлять десятые доли нано-
секунды. Импульсные токи фотоэлемента могут достигать десятков
ампер, а напряжение между электродами - нескольких киловольт.
Такие приборы находят широкое применение в лазерной технике, ядер-
ной физике, нелинейной оптике и в импульсной фотометрии.
Массивные фотокатоды сильноточных фотоэлементов наносятся на
металлические пластины. Конструируются импульсные фотоэлементы
Рис. 13.3. Устройство некоторых типов импульсных сильноточных фотоэлементов:
1 - анод; 2 - фотокатод
156
по принципу сверхвысокочастотных приборов. Малое расстояние между
электродами и сильное электрическое поле обеспечивают небольшое
время пролета электронов от фотокатода к аноду. Некоторые фото-
элементы имеют коаксиальный вывод, позволяющий включать фото-
элемент непосредственно в разъем коаксиального кабеля, согласован-
ного с низкоомной нагрузкой. Устройство некоторых типов импульс-
ных сильноточных фотоэлементов приведено на рис. 13.3.
13.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ Й ПАРАМЕТРЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Спектральные характеристики фотоэлементов были рассмотрены
в § 12.3. В паспорте прибора обычно указывается номер типовой ха-
рактеристики относительной спектральной чувствительности и абсо-
лютное значение максимальной спектральной чувствительности.
Вольт-амперные характеристики фотоэлементов. При освещении
фотокатода эмиттируемые электроны образуют в пространстве между
электродами объемный заряд. Когда напряжение анода мало, потенци-
ал пространства около катода отрицательный, т. е. имеет место режим
объемного заряда фотоэлемента. Для плоскопараллельной и цилиндри-
ческой системы электродов анодный ток фотоэлемента имеет зависи-
мость от анодного напряжения, близкую к закону степени трех вто-
рых. Анодный ток в фотоэлементе, как и в вакуумном диоде, появля-
ется при небольшом отрицательном напряжении на аноде. Это объясня-
ется наличием начальной кинетической энергии у ряда фотоэлектро-
нов, позволяющей им преодолевать тормозящее поле анода.
Когда напряжение анода достигает определенного значения, анод-
ный ток становится равным току фотоэмиссии и его рост почти пре-
кращается. Напряжение насыщения зависит от конструкции фотоэле-
мента, типа фотокатода и от значения падающего потока излучения.
Дальнейшее повышение напряжения приводит к очень слабому воз-
растанию фототока эа счет эффекта Шоттки и улучшения сбора электро-
нов на анод. В фотоэлементах с полупрозрачным фотокатодом, имею-
щим большое продольное сопротивление (без проводящей подлож-
ки) , при работе в импульсном режиме с большими потоками излуче-
ния насыщения фототока не происходит. Это связано с вторичной
эмиссией электронов с удаленных от катодного ввода участков фото-
катода, которые при протекании тока вдоль слоя приобретают по-
ложительный потенциал. Разность потенциалов между участками фото-
катода может достигать значения, при котором коэффициент вторич-
ной эмиссии будет больше единицы. На рис. 13.4, а приведено семейство
вольт-амперных характеристик фотоэлемента с массивным фотока-
тодом, а на рис. 13.4, б — фотоэлемента с высоким продольным со-
противлением фотокатода.
Световые характеристики фотоэлементов, работающих в режиме
насыщения, в соответствии с законом Столетова линейны. При боль-
157
Рис. 13.4. Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлементов:
а - фотоэлемента с массивным фотокатодом типа СЦВ; б - фотоэлемента с
полупрозрачным фотокатодом, обладающим высоким продольным сопротивле-

нием
ших потоках излучения световая характеристика отклоняется от
прямой, что объясняется образованием объемного заряда или утомле-
нием фотокатода. За предел линейности световой характеристики прини-
мается значение анодного тока, при котором отклонение от прямой
пропорциональности фототока падающему потоку излучения не превы-
шает заданного значения. У фотоэлементов, работающих в непрерывном
режиме, предел линейности не превышает КГ4 А. В импульсном режиме
облучения при высоких напряжениях анода это значение доходит до
десятков ампер.
По аналогии с электронными лампами по семейству вольт-ампер-
ных и световых характеристик фотоэлемента можно определить чувст-
вительность и внутреннее сопротивление R. прибора соответственно
как тангенс угла наклона световой характеристики и котангенс угла
наклона вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.
Сопротивление нагрузки может включаться в цепь анода или фото-
катода. При заданной ЭДС источника питания сопротивление нагрузки
выбирается таким, чтобы рабочая точка А лежала в пределах области
насыщения вольт-амперных характеристик (рис. 13.5). В этом случае
рабочая световая характеристика фотоэлемента с нагрузкой будет со-
впадать со статической, т. е. оставаться линейной в пределах измеряе-
мых потоков.
Чувствительность по напряжению (вольтовая чувствительность)
фотоэлемента с нагрузкой, работающего в режиме насыщения при
> Ан, равна

Частотная характеристика. Частотные свойства фотоэлемента опре-
деляются временем пролета электронов от фотокатода к аноду и вре-
менем перезарядки паразитной междуэлектродной емкости через сопро-
158
Рис. 13.5. Связь между вольт-амперными и световыми характеристиками фотоэле-
мента
тивление нагрузки (временем схемной релаксации). Время пролета
электронов зависит от расстояния между электродами и от напряже-
ния анода. В импульсных сильноточных фотоэлементах с малыми меж-
дуэлектродными расстояниями и высокими анодными напряжениями
время пролета не превышает 1СГ11 — 1СГ10 с. В других фотоэлементах
оно составляет 1СГ9 - 1СГ8 с.
Если частотные свойства определяются переходными процессами
в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление нагрузки, то гра-
ничная частота прибора / , при которой чувствительность уменьшается
в -у/Т раз, находится из известного соотношения
/гр= 1/(2тгСа,кЯн).	(13.1)
Сопротивление нагрузки импульсных сильноточных фотоэлементов
составляет несколько десятков ом, а междуэлектродная емкость —
единицы пикофарад, поэтому граничная частота таких приборов дохо-
дит до 109 Гц. Емкость анод—катод фотоэлементов первой и второй
групп составляет несколько десятков пикофарад, и их граничная ча-
стота в основном зависит от сопротивления нагрузки.
Временное разрешение фотоэлемента определяет минимальный вре-
менной интервал между двумя очень короткими импульсами, при кото-
ром они могут быть раздельно зарегистрированы. Искажение формы
импульсов тока на аноде фотоэлементов вызывается как переходны-
ми процессами в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление
нагрузки, так и разбросом времени пролета электронов от фотокато-
да к аноду. На практике используют значения временного разреше-
ния, определяемые временем нарастания фронта анодного тока при
подаче на фотокатод ступеньки потока излучения, или минимальной
длительностью выходного импульса тока по уровню 0,1 (иногда 0,5)
максимального (рис. 13.6).
159
Рис. 13.6. Характер изменения фототока при работе прибора в импульсном режиме:
а - переходная характеристика; б - импульсная характеристика
Стабильность чувствительности фотоэлементов. При 'подаче на фото-
элемент, включенный в цепь источника питания, потока излучения
происходит изменение его чувствительности (как правило, спад).
Через некоторое время значение чувствительности стабилизируется и
может полностью или частично восстановиться после выключения ис-
точника излучения или источника питания прибора. Нестабильность
чувствительности во времени, называемая утомлением, зависит от типа
фотокатода, технологии изготовления фотоэлемента и режима его
работы.
Необратимое изменение чувствительности при хранении фотоэлемен-
тов, называемое старением, связано с изменением свойств фоточув-
ствительного слоя. Характер старения, как и процесса утомления,
определяется типом фотокатода, технологией изготовления фотоэле-
мента, состоянием вакуума в баллоне.
Темновой ток фотоэлемента имеет два основных компонента: ток
термоэлектронной эмиссии фотокатода и ток утечки между электро-
дами. Ток автоэлектронной эмиссии фотокатода может иметь сравнимое
с названными компонентами значение при напряжениях анода около
нескольких киловольт. При столь высоких напряжениях работают толь-
ко сильноточные фотоэлементы, для которых уровень темнового тока
не имеет существенного значения.
Ток термоэмиссии фотокатода, занимающего у фотоэлемента боль-
шую площадь, при комнатной температуре достигает значений 1СГ11 —
1(Г10 А. В связи с тем, что эта компонента определяется типом фото-
катода и технологией его получения, уменьшение термотока возмож-
но только путем снижения температуры или уменьшения размеров
фотокатода.
160
Рис. 13.7. Схемы включения фотоэлемента с охранным кольцом
Ток утечки по наружной и внутренней сторонам стекла колбы, а
также по цоколю при рабочих напряжениях 200—300 В имеет значение
в пределах 1СГ9 — 1(Г7 А. Для повышения сопротивления изоляции
при конструировании фотоэлементов увеличивают расстояние между
вводами, а на наружную поверхность баллона наносят влагостойкое
покрытие. В конструкции фотоэлементов, предназначенных для изме-
рения очень малых потоков, предусмотрено охранное кольцо, вварен-
ное в баллон между выводами фотокатода и анода. Этот электрод
соединяют с отрицательным или положительным полюсом источника
питания в зависимости от того, в катодную или анодную цепь фотоэле-
мента включен измерительный прибор или сопротивление нагрузки
(рис. 13.7). Благодаря охранному кольцу ток утечки не протекает
через измерительный прибор.
Эффективным способом снижения темновых токов является исполь-
зование балансных (мостовых) схем включения фотоэлемента. На
рис. 13.8 показана схема балансного электрометрического катодного
повторителя с фотоэлементом во входной цепи. Напряжение от проте-
кания темнового тока через резистор Rr на входе левой лампы ком-
пенсируется на выходе таким же напряжением, которое возникает от
протекания тока затемненного фотоэлемента через резистор R? на
входе правой лампы. Изменение влажности и температуры окружающей
среды вызывает одинаковое изменение темновых токов в двух пле-
чах балансной схемы, поэтому измерительный прибор не реагирует на
эти изменения. При отсутствии измеряемого потока потенциометром
Rq производится начальная установка измерительного прибора на нуль.
Для выделения полезного сигнала из темнового тока иногда приме-
няется модуляция измеряемого потока излучения с помощью оптиче-
ского затвора, например вращающегося диска с прорезями. Модулиро-
ванный с некоторой частотой ток сигнала легко выделяется путем филь-
трации из медленно меняющегося темнового тока. При необходимости
сигнал после фильтра может быть восстановлен в первоначальный вид
с помощью детектирования.
Пороговый поток фотоэлемента, включенного во входную цепь
усилительного каскада, определяется чувствительностью фотоэлемента
к потоку данного спектрального состава и суммарным шумовым током
6-6353	161
Рис. 13.8. Схема балансного электрометрического катодного повторителя с фото-' Я
элементом во входной цепи	I
во входной цепи усилителя. Очень слабый фототок обычно не подца- I
ется прямым измерениям, и требуется его предварительное усиление. ]
Для этого в цепь фотоэлемента включается высокоомный резистор, "1
напряжение сигнала с которого поступает на усилитель с высоким вход- I
ным сопротивлением.	I
Среднеквадратическое значение суммарного шумового напряже- |
ния на входе усилителя с фотоэлементом равно сумме среднеквадрати- I
ческих значений отдельных независимых составляющих	I
^ш,др +	,ф + UmR ’	я
где й^п,др, «ш,ф и “шй - соответственно среднеквадратические значе- |
ния дробового шума, фликкер-шума и теплового шума, вносимого уси- I
лителем.	|
Вносимый усилителем шум определяется тепловым шумом нагрузоч- 1
ного резистора Ra фотоэлемента и шумами активного элемента усили- I
теля, например электрометрической лампы, которые равны тепловому I
шуму его эквивалентного шумового сопротивления 7?ш экв (см. 1
§10.1):
= 4/сТД/(Кн + Дш.экв)-	I
При измерении фотоэлементом слабых потоков всегда выполняется а
неравенство RH > Дш,экв, поэтому можно считать, что вносимые уси- 1
лителем шумы будут определяться только тепловым шумом сопротив- 1
пения нагрузки.	1
Если частота модуляции регистрируемого потока излучения превы-
шает несколько десятков герц и фликкер-шумом можно пренебречь |
по сравнению с дробовым шумом фотоэлемента, то среднеквадратиче- 1
ское значение суммарного шумового напряжения будет	|
й£ - 2е/выхЯ* Д/ + 4*ТЯ„Д/,
где /Вых — суммарный ток, протекающий на выходе фотоэлемента. 1
162	|
Ток /вых включает в себя токи от воздействия измеряемого пото-
ка Ф, фонового потока Ффн, а также темновой ток /тем:
4ых — Ф^ "* Ффн^фн "* ^тем>
где S и 8 фН — чувствительности фотоэлемента к измеряемому и фоно-
вому потокам излучения соответственно.
При измерении фотоэлементом потоков излучения, близких к поро-
говому, в отсутствие фоновых засветок темновой ток за счет термо-
электронной эмиссии фотокатода значительно превосходит ток от изме-
ряемого потока, поэтому /вых * /тем.
Если обеспечить режим работы фотоэлемента, при котором шумы,
вносимые усилителем, окажутся много меньше собственных шумов
фотоэлемента
4*ГЯНД/<2е/темЯ*Д/,	(13.2)
то прибор будет обладать наилучшей пороговой чувствительностью.
Такой оптимальный режим работы фотоэлемента для измерения пре-
дельно слабых потоков обеспечивается при высоком сопротивлении
нагрузки. Из (13.2) получаем
Л’ем^н ЖГ/е.
При комнатной температуре 2кТ/е = 0,05 В и условие оптимального
режима работы фотоэлемента приобретает следующий вид:
Ян> 0,05//тем.	(13.3)
Пороговый поток фотоэлемента, работающего в оптимальном режи-
ме, будет определяться только собственным шумом фотоприемника
и согласно (11.17) может быть найден
Фп =	(13.4)
При наличии фоновой засветки пороговый поток увеличится
Фп,фн — \/2e
(^тем + ФфН5фн)ДГ/5.
Увеличение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению гра-
ничной частоты модуляции сигнала [см. (13.1)], поэтому на практике
оптимальный режим обеспечивается только при измерении медленно
меняющихся потоков. Однако в этом случае нужно учитывать флик-
кер-шумы фотоэлемента.
В общем случае, когда выполнить неравенство (13.3) не представля-
ется возможным, пороговый поток фотоэлемента определяется выраже-
нием
Фп = V 2е/темД/ + 4кТ[ S.
163
Пороговые потоки измерительных фотоэлементов с малыми темно-
выми токами достигают 1(Гг5 — 1СГ16 лм.
Контрольные вопросы и задания
1.	Опишите основные конструкции вакуумных фотоэлементов в за-
висимости от их назначения.
2.	Объясните ход вольт-амперных характеристик фотоэлементов.
3.	Какие факторы ограничивают предел линейности световой харак-
теристики фотоэлементов?
4.	Как выбрать сопротивление нагрузки фотоэлемента, чтобы фото-
ток был пропорционален падающему на фотокатод потоку?
5.	Что такое утомление и старение фотоэлементов?
6.	Какие существуют методы уменьшения темнового тока фотоэле-
ментов? Покажите схему включения фотоэлемента с охранным кольцом.
7.	Какой режим работы фотоэлемента называется оптимальным при
регистрации предельно малых потоков? Приведите выражение для
порогового потока.
8.	Почему наилучшую пороговую чувствительность фотоэлемента
удается реализовать только при низкой частоте модуляции потока?
Глава четырнадцатая
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
14.1.	УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — это электровакуумные при-
боры, в которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посред-
ством вторичной электронной эмиссии.
При измерении очень слабых потоков излучения выходной сигнал
фотоэлементов приходится усиливать. Пороговый поток фотоприем-
ного устройства с фотоэлементом, как было показано в § 13.2, во
многом зависит от оптимального согласования фотоэлемента с вход-
ной цепью усилительного устройства, что часто связано со значитель-
ными трудностями. Такие важные параметры фотоприемного устрой-
ства, как широкополосность и порог чувствительности, в значительной
мере определяются параметрами усилителя. Поэтому на практике очень
редко удается реализовать предельные возможности электровакуумно-
го фотоэлемента.
Существенными преимуществами при измерении слабых сигналов
обладают ФЭУ, в которых фотоэлемент сочетается с встроенным
в общий баллон усилителем фототока. Для усиления тока используются
эмиттеры вторичных электроной — диноды. Усилитель тока, построен-
164
Рис. 14.1. Устройство и схема включения ФЭУ
ный на динодах, называют вторично-электронным умножителем. Он со-
стоит из ряда последовательно расположенных динодов, каждый из
которых имеет потенциал более высокий, чем предыдущий. Напряже-
ние между любыми динодами должно быть достаточным для того, что-
бы коэффициент вторичной эмиссии о был больше единицы. Вторично-
электронный умножитель можно' использовать в приборах с любым
источником первичных электронов, но наиболее широкое распростра-
нение он получил в ФЭУ.
Схематическое изображение ФЭУ приведено на рис. 14.1. Основными
элементами конструкции ФЭУ являются катодная камера, умножитель-
ная система (вторично-электронный умножитель), анод и баллон. Ка-
тодная камера включает в себя фотокатод 1 и электроннооптическую
систему 2, обеспечивающую сбор электронов со всей поверхности фото-
катода на первый динод 3 умножительной системы. Электронный поток,
количество электронов в котором увеличивается по мере движения
от динода к диноду, пройдя умножительную систему, поступает на
анод 4, представляющий собой металлическую пластину, штырь или
мелкоструктурную сетку. Баллон ФЭУ — это, как правило, стеклян-
ный цилиндр, с одной стороны которого находится оптическое окно,
а с другой — многоштырьковая ножка. Приваренные к электродам
ФЭУ вводы могут иметь гибкие или жесткие наружные части. На
боковую поверхность баллона ФЭУ иногда наносят светонепроницаемое
покрытие, защищающее фотокатод и диноды от внешних засветок.
Напряжение на электроды ФЭУ подается через делитель, встроенный
или внешний, входящий в блок питания ФЭУ.
Поток излучения, падающий на фотокатод, частично поглощается
и вызывает фотоэлектронную эмиссию. Эмиттируемые электроны
ускоряются и фокусируются в катодной камере на первый динод.
Часть электронов не попадает на поверхность динода из-за несовершен-
ства электронно-оптической системы катодной камеры. Эффектив-
ность сбора фотоэлектронов 7к на первый динод представляет собой
отношение количества электронов, достигающих первого динода, к
числу электронов, эмиттированных фотокатодом. При пролетах меж-
165
ду динодами часть электронов также рассеивается. Отношение числа1
электронов, эмиттированных с динода и участвующих в процессе даль-,
нейшего умножения, к полному числу электронов, вылетевших с ди-
нода, называется эффективностью каскада усиления 7. Поверхность!
первого динода с коэффициентом вторичной эмиссии щ бомбардируют
в единицу времени 7кик электронов, поверхность второго динода с ко-
эффициентом вторичной эмиссии 02 — Ткик71°1 электронов. На третий
динод попадают 7кик71а172а2 электронов и т. д. Количество электро-
нов, достигающих анода ФЭУ, равно произведению
«а= «к7к П
i - 1
где т— число динодов; о. — коэффициент вторичной эмиссии z-го
динода; 7(. — эффективность i -го каскада усиления.
Произведение 7. о. называется коэффициентом усиления каскада.
Принимая во внимание, что анодный ток /а =ена, ток фотокатода /к =
= епк, а у современных ФЭУ 7К 1, получаем выражение для коэффи-
циента усиления ФЭУ
M = IZ/IK= П 0.7..
i = 1
Если предположить, что коэффициенты усиления всех каскадов оди-
наковы, т. е. 01 =о2 =.. . =о,7х = 7г =• • • = 7, получим
М = (70)т.
Умножительная система современных ФЭУ включает в себя от 7
до 14 динодов, имеющих коэффициент вторичной эмиссии от 3 до 8.
Эффективность сбора каскада усиления ФЭУ лежит в пределах 0,7—
0,95. Коэффициент усиления ФЭУ в зависимости от их назначения может
Кчт. m3 щ8	-------„„ /_______ч_____жтл
быть от 103 до 108. Среднее значение выходного (анодного) тока ФЭУ,
как правило, не превышает нескольких миллиампер. Для того чтобы
ток динодов, протекая через сопротивления делителя, не приводил к
заметному изменению напряжения между каскадами, сопротивления
резисторов в делителе не должны быть очень большими. Поэтому на
практике задаются током делителя, в 10—100 раз превышающим ток
последнего динода.
14.2.	ЭФФЕКТИВНЫЕ ЭМИТТЕРЫ ВТОРИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Эффективными эмиттерами вторичных электронов являются мате-
риалы, обладающие высоким коэффициентом вторичной эмиссии при
сравнительно небольших энергиях первичных электронов. От материа-
166
да эмиттера требуется термостойкость, его свойства не должны изме-
няться при электронной бомбардировке. Термоэлектронная эмиссия
динодов, влияющая на уровень темнового тока, должна быть по возмож-
ности малой.
По аналогии с массивными и полупрозрачными фотокатодами эмит-
теры вторичных электронов также могут работать на отражение, ког-
да вторичные электроны эмиттируются навстречу первичным, и на про-
стрел — первичные электроны бомбардируют одну сторону тонкого
эмиттера, а вторичные электроны выходят с другой стороны. Подавляю-
щее большинство промышленных ФЭУ имеют диноды, работающие на
отражение. Они бывают двух видов: пленочные и сплавные. В пленоч-
ных эмиттерах активный слой наносится обычно путем напыления на
металлическую подложку. Для эмиттеров используются те же мате-
риалы, что и для большинства фотокатодов; в частности, широкое при-
менение нашли Sb—Cs-эмиттеры на никелевых пластинах, имеющие
о=4^5 при энергии первичных электронов 100 эВ. Более высоким
коэффициентом вторичной эмиссии обладают многощелочные эмит-
теры, например у NajKSb(Cs)-эмиттеров <т~7.
Основными недостатками этих эмиттеров является высокая фото-
чувствительность и малая допустимая плотность тока, не превышаю-
щая единиц микроампер с квадратного сантиметра. Фоточувствитель-
ность динодов (в основном первого) особенно нежелательна для сол-
нечно-слепых ФЭУ, которые часто работают в условиях интенсивного
освещения (см. § 12.3). В этом случае весьма перспективным явля-
ется теллуридо-цезиевый эмиттер, имеющий такой же коэффициент
вторичной эмиссии, как Sb-Cs-эмиттер, но фоточувствительность к
дневному свету у него близка к нулю.
В сплавных эмиттерах эмиттируклций слой получается в результате
термической обработки и окисления поверхности сплавов на основе
меди, серебра или алюминия с присадкой магния или бериллия. Во
время прогрева атомы щелочных металлов диффундируют на поверх-
ность и окисляются, образуя пленку окиси толщиной около 100 нм.
Коэффициент вторичной эмиссии сплавных эмиттеров о = 3 + 4, допу-
стимая плотность тока в несколько раз выше, чем у Sb—Cs-эмиттеров.
Появление эмиттеров вторичных электронов из материалов с отри-
цательным электронным сродством позволило существенно улучшить
ряд основных параметров ФЭУ. В качестве ОЭС-материалов использу-
ются в основном фосфид галлия и кремний. Коэффициент вторичной
эмиссии фосфида галлия, активированного цезием, при энергии пер-
вичных электронов 100 эВ составляет приблизительно 5—7 и линейно
возрастает с увеличением напряжения, ускоряющего первичные элект-
роны, до тех пор, пока глубина проникновения первичных электронов
в материал эмиттера не окажется больше глубины выхода вторичных
электронов.
167
Эмиттеры, работающие на прострел, представляют собой тонкие
пленки толщиной около 10 нм из окиси магния, хлористого калия и
др. Проводящей подложкой пленок служит алюминиевая фольга, зо-
лото. Иногда подложка выполняется в виде мелкоструктурной сет-
ки. Общими недостатками этих эмиттеров, ограничивающими их приме-
нение, являются малая плотность допустимых токов (десятые доли
микроампер на квадратный сантиметр), недостаточная механическая
прочность и необходимость использования высоких ускоряющих на-
пряжений для получения таких же значений коэффициента вторичной
эмиссии, как у эмиттеров, работающих на отражение.
14.3.	КОНСТРУКЦИЯ КАТОДНЫХ КАМЕР И УМНОЖИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Катодные камеры. Конструкция катодной камеры ФЭУ должна
обеспечивать максимальный сбор электронов с поверхности фотокато-
да и изохронность траекторий фотоэлектронов, т. е. одинаковое время
пролета электронов, эмиттируемых с разных точек фотокатода, до
первого динода. Изохронность траекторий определяет временное раз-
решение ФЭУ, которое является важным параметров приборов, пред-


назначенных для регистрации коротких импульсов.
Подавляющее большинство современных ФЭУ имеют полупрозрач-
ный фотокатод, сформированный на торцевой поверхности баллона.
Массивные фотокатоды в ФЭУ применяются редко. В этом случае фото-
чувствительный слой наносится на металлическую подложку, по кон-
струкции обычно не отличающуюся от каскада умножительной си-
стемы.
Размеры поверхности полупрозрачных фотокатодов, как правило,
значительно превышают площадь динода умножительной системы.
Фокусировка электронов с фотокатода на первый динод осуществля-



ется с помощью электронно-оптической системы. На рис. 14.2 представ-
лено несколько конструкций катодных камер ФЭУ. В катодной каме-
ре с боковым оптическим входом и массивным фотокатодом
(рис. 14.2, а) сетка экранирует прикатодную область от потенциала
внутренней поверхности баллона.
Широкое распространение имеет простой вариант конструкции катод-
ной камеры, приведенный на рис. 14.2, б. Электронно-оптическая систе-
ма состоит из поверхности фотокатода, электрически соединенного
с ним металлического цилиндра (манжеты), который можно изгото-
вить напылением на стенку колбы проводящего слоя, и диафрагмы с
отверстием, находящейся под положительным потенциалом относитель-
но катода. Оптимальная фокусировка получается при отношении диа-
метра к длине манжеты, равном 1,1. Электронный пучок с фотокатода
в этом случае сжимается в области диафрагмы в 10 раз.
Для получения максимальной изохронности траекторий фотокато-
ды делают сферической формы и вводят дополнительные электроды,
168
Рис. 14.2. Конструкция катодных камер ФЭУ:
а - с боковым оптическим входом; б - с торцевым оптическим входом и
плоским фотокатодом; в - с торцевым оптическим входом и сферическим фото-
катодом
расположенные между фотокатодом и диафрагмой (рис. 14.2, в). В це-
лях уменьшения темнового тока в катодную камеру может быть вве-
ден управляющий электрод, напряжение на котором меняет размер
рабочей поверхности катода.
Умножительные системы иа дискретных дииодах. Как и катодные
камеры, каскады умножительной системы должны обладать эффектив-
ностью и обеспечивать изохронность траекторий электронов. Кроме
того, конфигурация последних динодов и их электрическое поле долж-
ны быть такими, чтобы в междукаскадном промежутке и перед анодом
не возникал объемный заряд, который приводит к нелинейности све-
товой характеристики ФЭУ.
Умножительные системы на дискретных динодах бывают двух ви-
дов: системы с электростатической фокусировкой электронов и си-
стемы сквозного типа.
Умножительные системы с фокусировкой электронов имеют короб-
чатые, ковшеобразные и торовидные диноды (рис. 14.3). Коробча-
тые диноды представляют собой четвертую часть закрытой с торцов
поверхности цилиндра (рис. 14.3, а). Для повышения эффективности
в каждом диноде устанавливается сетка, находящаяся под потенциалом
этого динода. Коробчатые умножительные системы обладают компакт-
ностью и жесткостью формы, высокой эффективностью каскада
(до 95%). Из-за малой напряженности электрического поля у поверх-
ности динодов система имеет плохое временное разрешение. Наличие
сквозного канала от анода к фотокатоду может привести к возникнове-
нию ионной и оптической обратных связей. Ионы и фотоны, обра-
зующиеся в каскадных промежутках и на аноде ФЭУ, могут попасть
обратно на фотокатод и вызвать эмиссию электронов. Для перекрытия
сквозного канала на динодах вместо сеток иногда устанавливаются
козырьки.
Умножительные системы с ковшеобразными динодами обеспечивают
большую напряженность электрического поля и лучшую фокусиров-
169
Рис. 14.3. Умножительные си-'!
стемы с фокусировкой элект-
ронов :
а — с коробчатыми динода-
ми; б, в - с ковшеобразными
динодами (в - с компенса-
цией разброса времени пролета
электронов); г — с торовид-
ными динодами
ку электронных пучков,
чем коробчатые. Установка
перед динодами дополни- i
тельных ускоряющих i
электродов, имеющих по- 
тенциал одного из после-
дующих динодов, повыша-
ет временное разрешение
ФЭУ (рис. 14.3, б).
Для повышения изохронности траекторий применяется система с i
компенсацией разброса времен пролета электронов (рис. 14.3, в). Силь- *
ное ускоряющее поле перед данодом D. создается сетками, имеющими
потенциал динода +2. Форма и расположение динодов подбираются
таким образом, чтобы более длинной траектории электронов соответст-
вовала более высокая скорость их движения.
Диноды торовидных умножительных систем представляют со-
бой поверхности вращения линий сечения ковшеобразных динодов
(рис. 14.3, г). Эти системы состоят из динодов двух типов: наружных,
у которых эмигрирующей поверхностью является внутренняя, и внут- 
ренних — с наружной эмиттирующей поверхностью. Торовидные си- j
стемы обладают рядом преимуществ перед системами на коробчатых
и ковшеобразных динодах. Сбор электронов на первый динод облегча- '
ется благодаря большей площади входного отверстия диафрагмы;
отсутствие острых боковых краев снижает вероятность появления тока
автоэлектронной эмиссии при повышении каскадных напряжений.
Возможность стабильной работы при высоких напряжениях, в свою
очередь, улучшает временное разрешение ФЭУ. Большая рабочая по-
верхность динодов позволяет получить значительный выходной ток
прибора. Торовидные системы нашли применение в высокочастотных
ФЭУ с фотокатодом больших размеров.
Умножительные системы сквозного типа могут быть построены
на жалюзийных, сетчатых и пленочных динодах. Траектории электронов
в таких системах пересекают плоскость динода. Недостатком динодов-
170
Рис. 14.4. У множительная система с жалюзийными дино-
дами
Рис. 14.5. Умножительная система с распределенным ди-
нодом
сеток является низкая эффективность каскада (примерно 50%). Умно-
жительные системы на пленочных динодах, работающих ”на прострел”,
не нашли пока применения в ФЭУ, хотя используются в электронно-
оптических преобразователях.
Широкое распространение получили системы с жалюзийными ди-
нодами. Эмиттирующей поверхностью таких динодов является ряд
тонких пластин, наклоненных под определенным углом к плоскости
основания динода (рис. 14.4). На диноде укрепляется прозрачная для
электронов сетка, имеющая потенциал динода. Сетка улучшает струк-
туру электрического поля в междукаскадном промежутке. Жалюзий-
ная система характеризуется отсутствием специальной фокусировки
электронов в пространстве между динодами. Поэтому ФЭУ с жалюзий-
ными динодами малочувствительны к влиянию внешних магнитных
полей и не очень критичны к режиму питания. Световая характеристи-
ка ФЭУ с такими динодами имеет широкий диапазон линейности. Боль-
шая площадь динодов позволяет работать при повышенных токовых
нагрузках. Основным недостатком таких умножительных систем явля-
ется возможность пролета электронов через какие-либо каскады без
умножения, что снижает эффективность каскадов усиления и ухуд-
шает временно'е разрешение ФЭУ.
Умножительные системы иа распределенных динодах. Весьма перспек-
тивными являются умножительные системы, имеющие непрерывный
динод с распределенным сопротивлением. Электрические выводы на-
носятся на торцевые поверхности динода. Потенциал поверхности такого
динода непрерывно возрастает от фотокатода к аноду. Широкое приме-
нение находят системы с динодом в виде круглого канала (трубки)
из диэлектрика (рис. 14.5) , внутренняя поверхность которого покрыта
эмиттирующим слоем с высоким сопротивлением. В качестве мате-
риала трубки часто используется высокосвинцовистое стекло, у кото-
рого после термической обработки в атмосфере водорода образуется
слой окиси свинца. Сопротивление такого динода 107 — 108 Ом, ко-
эффициент вторичной эмиссии 3,5-4,5 цри энергии первичных электро-
нов 300 эВ.
171
I
Рис. 14.6. Умножительная система с двумя микроканальными пластинами
Электроны с фотокатода влетают в канал под некоторым углом и
бомбардируют поверхность динода. Вторичные электроны ускоряются
под действием электрического поля и ударяются о стенку канала в
области более высокого потенциала. Таким образом происходят много-
кратные соударения электронов со стенками канала. Коэффициент уси-
ления канального электронного умножителя достигает значения 108.
Он зависит от вторично-электронных свойств покрытия канала, прило-
женного напряжения и калибра трубки, который равен отношению дли-
ны трубки к ее диаметру. Оптимальным значением калибра канала
является 50-100.
Прямоканальные умножители не позволяют получить усиление, пре-
вышающее 10s, из-за возникновения ионной и оптической обратных
связей. Для устранения этого явления трубку изгибают, в частности
придают ей форму спирали.
Недостатками умножительных систем с распределенным динодом
является большой разброс времен пролета электронов и очень малые
выходные токи. Для обеспечения линейности световой характеристики
анодный ток должен быть много меньше тока, протекающего через
высокоомный слой распределенного эмиттера вторичных электронов.
Влияние разброса времен пролета электронов на временное разрешение
ФЭУ может быть уменьшено, если сократить общее время пролета
электрона в канале, т. е. уменьшить длину канала.
Для повышения быстродействия ФЭУ и снижения его габаритных
размеров используются сотовые конструкции распределенных умножи-
тельных систем, так называемые микроканальные пластины (МКП).
172
Рис. 14.7. Устройство и схема включения гиб-
ридного ФЭУ
Они представляют собой матрицы с множеством параллельных каналов
умножения. При диаметре канала 15—20 мкм толщина пластины не
превышает 1-2 мм. Время пролета электронов в МКП может быть мень-
ше одной наносекунды, в то время как в дискретных системах умно-
жения она составляет несколько десятков наносекунд. Очевидно, что
абсолютное значение разброса времен пролета очень мало. Для умень-
шения ионной и оптической обратных связей и повышения коэффици-
ента усиления умножительная система строится на двух последователь-
но расположенных МКП, каналы в которых наклонены к продольной
оси ФЭУ на некоторый оптимальный угол (рис. 14.6). Системы на двух
МКП позволяют получить коэффициент усиления 107 ив 100 раз сни-
зить токи обратных связей.
Применение умножительных систем на МКП позволило создать мини-
атюрные быстродействующие ФЭУ, обладающие высокой механической
прочностью.
Гибридные (вакуумно-полупроводниковые) ФЭУ. Эти приборы име-
ют умножительную систему в виде включенного в запирающем направ-
лении полупроводникового диода с мелкозалегающим от поверхности
электронно-дырочным переходом (рис. 14.7). Между фотокатодом 1
и диодом 2 подается высокое ускоряющее напряжение около 10 кВ.
Фотоэлектроны бомбардируют полупроводник, вызывают ионизацию
атомов и появление свободньгх зарядов, число которых определяется
энергией фотоэлектронов Иф и энергией ИА , затрачиваемой на образо-
вание одной пары электрон—дырка. Коэффициент усиления умножитель-
ной системы приблизительно равен отношению М И'ф/ W., его зна-
чение в гибридных ФЭУ с кремниевым диодом составляет 103.
Достоинством гибридных ФЭУ являются быстродействие (длитель-
ность фронта выходных импульсов составляет десятые доли наносе-
кунд) и возможность получения больших выходных токов, плотность
которых достигает десятков ампер на сантиметр квадратный. Недостат-
ками являются высокие напряжения питания, небольшой коэффициент
усиления и сложность обеспечения технологических режимов обра-
ботки.
173
14.4.	ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ФЭУ	/
Спектральные характеристики ФЭУ, как и спектральные характери-
стики фотоэлементов, определяются типом применяемого фотокЗто-
да. Тип спектральной характеристики и абсолютное значение спектраль-
ной чувствительности фотокатода 5g Хк на определенной длине волны
указывают в паспорте на ФЭУ.
Характеристики и параметры ФЭУ, измеренные при постоянных
значениях потоков излучения и прикладываемых к электродам напря-
жений, называют статическими. Способность ФЭУ регистрировать им-
пульсные потоки излучения характеризуют импульсные параметры.
Статические характеристики и параметры ФЭУ. Спектральной чувстви-
тельностью ФЭУ называется отношение анодного тока к падающему на
фотокатод монохроматическому потоку излучения.
Световая анодная чувствительность ФЭУ — отношение анодного тока
к световому потоку источника типа А. Анодная чувствительность ФЭУ
равна чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент уси-
ления, т. е. световая анодная чувствительность Sv =MSVK, а спектраль-
ная чувствительность ФЭУ Se\ = MSe\K. Анодная чувствительность
измеряется при равномерном освещении всей поверхности фотокатода.
Если последовательно освещать различные точки фотокатода узким
пучком, то можно выявить неравномерность чувствительности по по-
верхности фохокатода.
Зависимость чувствительности от координат точки освещения назы-
вается зонной характеристикой. На рис. 14.8 приведена зонная характе-
ристика одного из приборов, измеренная по диаметру фотокатода.
Изменение чувствительности ФЭУ при освещении различных участков
фотокатода обусловлено неравномерностью чувствительности фото-
эмиссионного слоя и неодинаковостью сбора электронов с разных то-
чек фотокатода на первый динод.
Световая характеристика ФЭУ — зависимость анодного тока от по-
тока излучения при постоянном напряжении питания. При небольших
потоках излучения световые характеристики линейны. Отклонение
от линейности характеристик по мере роста потока излучения в стати-
ческом режиме определяется в основном утомлением динодов при
протекании значительных токов. Если напряжение между послед-
ним динодом и анодом окажется слишком малым, например, при
слишком большом сопротивлении нагрузки, то возможно возникнове-
ние объемного заряда перед анодом. Это также приводит к нелиней-
ности световой характеристики. В импульсном режиме предел линей-
ности световой характеристики может составлять несколько ампер.
Чтобы предотвратить переход ФЭУ в режим объемного заряда, необ-
ходимо повышать напряжения на последних каскадах умножения.
На рис. 14.9 приведено семейство статических световых характери-
стик ФЭУ при различных напряжениях питания. Чувствительность ФЭУ
174
Рис. 14.9. Семейство статических световых характеристик ФЭУ
Рис. 14.8. Зонная характеристика ФЭУ
при различных напряжениях питания может быть определена как тангенс
угла наклона световой характеристики.
Зависимость анодной чувствительности от напряжения питания ФЭУ
показана на рис. 14.10. С увеличением напряжения чувствительность,
пропорциональная коэффициенту усиления ФЭУ, растет по степенному
закону. Скорость роста (наклон характеристик) зависит от вторично-
эмиссионных свойств динодов и числа каскадов умножительной си-
стемы. В паспортах ФЭУ обычно указывают фиксированные напряже-
ния питания, соответствующие номинальным значениям световой анод-
ной чувствительности: 1,3,10, 30,100 А/лм ...
Анодная характеристика ФЭУ показывает зависимость анодного тока
(или анодной чувствительности) от напряжения между анодом и по-
следним динодом. На рис. 14.11 изображено семейство анодных харак-
теристик ФЭУ при различных потоках излучения и неизменном напря-
жении на каскадах усиления. Крутой, участок характеристики соответ-
ствует режиму объемного заряда, который образуется между анодом
и последним динодом. При увеличении напряжения прибор переходит
в режим насыщения, который является рабочим режимом ФЭУ. При
выборе сопротивления нагрузки необходимо обратить внимание на
то, чтобы рабочая точка не выходила за пределы области насыщения
характеристик (рис. 14.11).
Темновой ток ФЭУ имеет следующие составляющие:
усиленный умножительной системой ток термоэлектронной эмис-
сии фотокатода, электродов катодной камеры и первых одного-двух
динодов (вклад токов термоэмиссии остальных динодов мал, так как
эти токи проходят меньше каскадов усиления);
ток автоэлектронной эмиссии динодов, который также может уси-
ливаться умножительной системой;
ток утечки между анодом и остальными электродами;
токи, вызванные ионной и оптической обратными связями (эти токи
условно относятся к темновым, так как их значение определяется
плотностью электронного потока в ФЭУ).
175
Рис. 14.11. Анодные характеристики ФЭУ при двух фиксированных значениях
потока излучения
Рис. 14.10. Зависимость световой анодной чув-
ствительности ФЭУ от напряжения питания
I
Вклад в темновой ток анода каждой из перечисленных составляющих
зависит от электрического режима работы ФЭУ. Все темновые токи
растут при увеличении напряжения питания ФЭУ. На рис. 14.12 представ-
лены зависимости суммарного темнового тока и световой анодной
чувствительности ФЭУ от подаваемого напряжения питания. При не-
больших напряжениях (область I ), когда коэффициент усиления ФЭУ
мал, основной составляющей является ток утечки, который пропорцио-
нален .напряжению питания. Ток от полезного сигнала, пропорциональ-
ный анодной чувствительности, растет с увеличением напряжения по
степенному закону, т. е. быстрее роста темнового тока. В области II
основной вклад в темновой ток дает термоэлектронная эмиссия фото-
катода и электродов катодной камеры. Скорости роста темнового тока
и сигнала в этой области одинаковы. В области III темновой ' ток в
основном определяется автоэлектронной эмиссией, которой характер-
на очень резкая зависимость от напряжения.
Возможности ФЭУ принимать слабые сигналы зависят как от значе-
ния темнового тока, так и от значения анодной чувствительности. Для
оценки влияния темнового тока на отношение сигнал—помеха этот
ток приводят к входу прибора.
Световой (энергетический) эквивалент темнового тока — это свето-
вой поток (поток излучения), падающий на фотокатод ФЭУ и вызываю-
щий анодный ток, равный темновому току
Фу экв — ^тем/SV •
Очевидно, что для получения наибольшего отношения сигнал—по- ’
меха Ф„ / Фр> экв необходимо выбрать режим работы ФЭУ, при котором
176
Рис. 14.12. Зависимость световой анодной
чувствительности и темнового тока от на-
пряжения питания
Рис. 14.13. Зависимость светового эквивален-
та темнового тока от напряжения питания
световой эквивалент темнового тока будет наименьшим. На рис. 14.13
приведена зависимость Ф„ экв = f(U), полученная путем деления орди-
нат кривых, представленных на рис. 14.12. Максимальное отношение
сигнал-помеха соответствует области II графика функции 7тем -
= f(U)-
Для снижения темнового тока ФЭУ используют те же способы, что
и для уменьшения темнового тока фотоэлемента.
Пороговый поток ФЭУ зависит от чувствительности к потоку излу-
чения данного спектрального состава и суммарного шумового тока на
выходе прибора. Среднеквадратическое значение дробового шума на
выходе ФЭУ можно найти по формуле
Тш,др = 2е1км\в + 1)ДГ,
гДе 1к — ток фотокатода, равный сумме токов от воздействия изме-
ряемого и фонового потоков, а также тока термоэлектронной эмис-
сии; 1 + В — фактор шума, характеризующий вклад, вносимый в уро-
вень дробового шума умножительной системой.
Дробовой ток создает на сопротивлении нагрузки напряжение шума,
среднеквадратическое значение которого
йш2,др =2eIKM\B + l)R^f.
При расчетах фактор шума, как правило, принимают равным 2,5.
Суммарный шум на выходе ФЭУ является суммой среднеквадрати-
ческих значений дробового шума, теплового шума нагрузки и шума
активного элемента усилителя
~1?ш = 2е/к7И2(В + 1)Я2 Д/Ч 4£Г(/?Н + Яш.экв) АГ-
177
Шумом активного элемента усилителя можно пренебречь, так как
обыЧНО 7?н -^ш,экв*	/
Условие оптимального режима работы ФЭУ, при котором шумы,
вносимые усилителем, оказываются много меньше собственных ifiy-
мов ФЭУ, можно найти из неравенства	I
2е1кМ (В + 1)Я*Д/ > 4/ТОнД/.
При измерении потоков излучения, близких к пороговому, в отсут-
ствие фоновьгх засветок основной составляющей тока фотокатода
является его темновой ток (ток термоэлектронной эмиссии). Тогда
можно записать условие оптимального режима в виде
0,05_______
ЛТ (В + 1)^к,тем
В отличие от фотоэлемента [см. (13.3)] это условие выполняется
при любых используемых на практике сопротивлениях нагрузки (на-
чиная с сопротивлений, превышающих несколько десятков ом). По-
этому высокая пороговая чувствительность ФЭУ реализуется в широ-
ком частотном диапазоне. Пороговый поток ФЭУ на основании (11.17)
можно вычислить по формуле
х/2е7К|ТеМ^г(Д + ОД/
или
х/ 2е/к ;Тем (В + 1) Д/
(14.1)
(14.1а)
где 5К — чувствительность фотокатода.
Сравнивая выражения для пороговых потоков фотоэлемента (13.4)
и ФЭУ (14.1), можно отметить, что при выполнении условия оптималь-
ного режима фотоэлемент имеет лучшую пороговую чувствительность,
однако она реализуется только на очень низких частотах модуляции
потока.
Для удобства расчетов преобразуем (14.1) таким образом, чтобы
входящие в него параметры можно было найти в паспорте прибора.
Тогда формулу для расчета приведенного к единичной полосе частот
порогового потока можно представить в виде
^тем
SSK ’
где /Тем _ темновой ток анода ФЭУ, /тем = 7к,тем^•
178
КГ®
фн + ^тем
ssL
1
\ Если заданы световые чувствительности анода Sv и фотокатода
Д,к, то пороговый световой поток источника типа А Фуп,Л будет из-
меряться В ЛМ-Гц-1/2.
i При наличии фоновой засветки приведенный пороговый поток мож-
нс| найти по формуле
।
1Фп1 фн
L + 1,
V ^тем
где 5фН - чувствительность ФЭУ к фоновому потоку излучения. IW
14.5.	ИМПУЛЬСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЭУ
Широкое применение ФЭУ нашли в ядерной физике в качестве эле-
мента сцинтилляционного счетчика. Счетчик состоит из сцинтиллятора —
вещества, высвечивающего при поглощении ионизирующего излучения,
ФЭУ, преобразующего вспышки сцинтиллятора в короткие электри-
ческие импульсы, и регистрирующего устройства, измеряющего коли-
чество импульсов в единицу времени или их амплитуду. Число вспы-
шек в сцинтилляторе пропорционально количеству поглощенных ча-
стиц, а интенсивность вспышек — энергии частиц.
Эффективность применения ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках
характеризуется следующими параметрами: амплитудным разреше-
нием, временным разрешением и энергетическим эквивалентом соб-
ственных шумов.
Собственное амплитудное разрешение. Флуктуации процесса фото-
электронной и вторичной эмиссии диодов приводят к тому, что вспыш-
кам одинаковой интенсивности на входе будут соответствовать электри-
ческие импульсы различной амплитуды на выходе ФЭУ. Собственное
амплитудное разрешение ФЭУ — это способность различать близкие по
интенсивности световые импульсы. Для оценки системы сцинтилля-
тор-ФЭУ используется параметр ’’энергетическое разрешение”, кото-
рый показывает способность различать близкие по энергии кванты
гамма-излучения. Очевидно, что этот параметр во многом зависит от
собственного амплитудного разрешения ФЭУ, которое определяется
двумя основными характеристиками - интегральным и дифференци-
альным спектрами амплитуд.
Интегральный спектр амплитуд характеризуется зависимостью ско-
рости поступления импульсов на выходе ФЭУ (скорости счета) от ампли-
туды импульсов НиМП =f(Un). Ординате n„Mn каждой точки графика
соответствует скорость счета импульсов, амплитуда которых превы-
шает заданное пороговое значение Un, Импульсы на выходе ФЭУ реги-
179
Рис. 14.15. Дифференциальные амплитудные спектры идеального и реального ФЭУ
Рис. 14.14. Интегральные амплитудные спектры идеального и реального ФЭУ
стрируются электронным устройством с регулируемым порогом чув-
ствительности — амплитудным дискриминатором, который пропус-
кает только импульсы с амплитудой, превышающей заданное значение
порогового напряжения. На рис. 14.14 приведены интегральные спект-
ры идеального (кривая Г) и реального (кривая 2) ФЭУ. Идеальным
считаем ФЭУ, у которого отсутствуют флуктуации фотоэлектронной
и вторичной эмиссии и коэффициент усиления не претерпевает мгновен-
ных изменений. При подаче на вход такого ФЭУ световых импульсов
одинаковой интенсивности все импульсы на выходе будут равны по
амплитуде.
Для оценки собственного амплитудного разрешения ФЭУ чаще поль-
зуются дифференциальным спектром амплитуд — графиком зависимо-
сти скорости счета импульсов с амплитудой, укладывающейся в неболь-
шой интервал, от амплитуды импульсов dnKMn/dU = f . Диф-
ференциальный спектр измеряется одно- и многоканальными амплитуд-
ными анализаторами (дифференциальными дискриминаторами).
На выходе такого устройства появляется стандартный импульс, если
входной сигнал попадает в заданный интервал амплитуд. В одноканаль-
ном дифференциальном дискриминаторе напряжение дискриминации
можно регулировать, но при этом установленная ширина канала (интер-
вал амплитуд) не должна изменяться. На рис. 14.15 показаны диффе-
ренциальные спектры идеального (график 1) и реального (кривая 2)
ФЭУ. Разброс амплитуд характеризуется наклоном (крутизной) гра-
ницы интегрального спектра или шириной дифференциального спектра.
Собственное амплитудное разрешение R ФЭУ выражается в процентах
и находится как отношение ширины кривой дифференциального рас-
пределения анодных импульсов А (7 (рис. 14.15), определяемой на
полувысоте этой кривой, к наиболее вероятной амплитуде распределе-
ния при облучении фотокатода вспышками одинаковой интенсивности
R = (MJ/U) • 100.
Таким же образом определяется энергетическое разрешение систе-
мы сцинтиллятор—ФЭУ при облучении моноэнергетическими части-
180
г
цами. Наилучшее энергетическое разрешение на практике не превос-
ходит 7%, причем собственное амплитудное разрешение ФЭУ составляет
приблизительно 4%.
Временное разрешение ФЭУ, как и фотоэлемента, характеризуется
группой параметров: временем нарастания фронта между уровнями
0,1—0,9 значения амплитуды, шириной импульсов на половине высо-
ты или по основанию на уровне 0,1 амплитуды (см. рис. 13.6).
Энергетический эквивалент собственных шумов — это энергия гам-
ма-излучения вызывающая в системе сцинтиллятор—ФЭУ импуль-
сы с амплитудой, определяемой по уровню собственных шумов. Этот
параметр, характеризующий пороговую чувствительность системы
сцинтиллятор—ФЭУ, выражается в единицах энергии ядерных излуче-
ний по аналогии с единицами пороговой чувствительности при оптиче-
ских измерениях. Энергетический эквивалент собственных шумов
ФЭУ вычисляют по формуле
^4i/^4тмп, ср >
где - энергия моноэнергетического излучения эталонного сцин-
тиллятора; С/имп,ср - средняя амплитуда импульса на выходе ФЭУ
при попадании частицы с энергией ИА; U„ — порог дискриминатора при
заданной скорости счета (обычно 50 имп/с) шумовых импульсов ФЭУ
без сцинтиллятора.
Вместе с И'щ необходимо указать скорость счета шумовых импуль-
сов и тип используемого сцинтиллятора.
Одноэлектронные характеристики ФЭУ. Очень большой коэффи-
циент усиления ФЭУ позволяет регистрировать на выходе сигналы, вы-
званные одиночными электронами, эмиттируемыми фотокатодом.
Действительно, каждый электрон, проходя умножительную систему,
приводит к появлению у анода заряда еМ. Средняя амплитуда импуль-
са на анодной нагрузке равна
^4<мп,ср — еМ/С,
где С — емкость цепи анода, включающая междуэлектродную емкость
ФЭУ и емкость, вносимую электронной схемой регистрации.
Амплитуда выходных импульсов, вызванных одиночными электро-
нами с фотокатода, составляет десятки—сотни милливольт, поэтому
эти импульсы могут быть без труда зарегистрированы с помощью из-
мерительной аппаратуры.
При измерении сверхслабых световых сигналов возможны два спо-
соба использования ФЭУ в измерительной аппаратуре: 1) измерение
среднего значения анодного тока, 2) измерение средней частоты следо-
вания импульсов анодного тока, вызванных одиночными фотонами,
падающими на фотокатод.
181
nWM„,	Рис- 14.16. Счетные характеристики идеального и реал!
ного ФЭУ	,
Эффективность работы ФЭУ в режиме счета
фотонов оценивается по следующим его харак-
теристикам: счетной характеристике — зависи-
мости скорости счета импульсов от напряжения
питания ФЭУ «„мп =/(0 при неизменном поро-
говом напряжении дискриминатора, амплитудно-
му распределению шумовых импульсов при по-
стоянном напряжении питания и стабильности
уровня шумов во времени при фиксированных
напряжении питания и пороговом напряжении
дискриминатора.
Счетная характеристика ФЭУ. Если ФЭУ считать идеальным прибо-
ром, то каждый электрон, вышедший с фотокатода, создает в анодной
цепи импульс тока, обусловленный зарядом еМ. При малом напряже-
нии питания амплитуда выходных импульсов ФЭУ оказывается ниже
порогового напряжения дискриминатора и импульсы не будут посту-
пать в счетчик. По мере увеличения напряжения питания растет коэф-
фициент усиления ФЭУ. Когда амплитуда выходных импульсов достиг-
нет порогового напряжения, все импульсы, создаваемые эмиттиро-
ванными с фотокатода электронами, будут зарегистрированы. При
дальнейшем повышении напряжения скорость счета не изменится.
Счетная характеристика идеального ФЭУ представлена на рис. 14.16
(кривая 1}.
Из-за флуктуации коэффициента усиления реальных ФЭУ даже при
небольших напряжениях питания могут появляться на выходе импуль-
сы с амплитудой, превышающей пороговое напряжение дискримина-
тора. Участок А на рис. 14.16 (кривая 2) соответствует ситуации, когда
усиление недостаточно для регистрации каждого электрона, вышедше-
го из фотокатода. На участке Б (плато счетной характеристики) реги-
стрируется каждый электрон, эмиттированный из фотокатода. Когда
напряжение питания превысит некоторое значение, наблюдается резкое
увеличение скорости счета импульсов, вызванное интенсивным разви-
тием обратной связи и автоэлектронной эмиссии. Такой режим относит-
ся к участку В счетной характеристики. Рабочей областью напряжений
питания ФЭУ является участок Б.
Для того чтобы не предъявлять очень жестких требований к стабиль-
ности напряжения питания, для работы в режиме счета фотонов вы-
бираются ФЭУ, имеющие плато на счетной характеристике.
182
Скорость счета импульсов полезного сигнала определяют вычита-
нием из показаний счетчика скорости счета темновых импульсов,
образованных электронами термоэлектронной эмиссии фотокатода.
Использование ФЭУ в режиме счета импульсов позволяет несколько
улучшить пороговую чувствительность по сравнению с режимом изме-
рения среднего анодного тока.
Применение ФЭУ. Области применения ФЭУ весьма обширны. Наи-
более широко эти приборы используются в сцинтилляционных счет-
чиках, приемниках лазерного излучения (светолокаторах, линиях
связи, лазерных дальномерах), космической аппаратуре (устройствах
астроориентации), измерительной технике.
Контрольные вопросы и задания	'
1.	Приведите схематическое изображение ФЭУ и поясните принцип
его работы. Изобразите схему включения ФЭУ.
2.	Какие эмиттеры вторичных электронов применяются в
умножительных системах ФЭУ?
3.	Сформулируйте требования, предъявляемые к катодным каме-
рам и умножительным системам. Проведите сравнительный анализ
различных конструкций умножительных систем на дискретных ди-
нодах.
4.	Какие преимущества и недостатки имеют умножительные систе-
мы на распределенных динодах? Что дает применение МКП?
5.	Приведите основные характеристики и параметры ФЭУ, объясни-
те ход характеристик.
6.	Объясните природу темнового тока ФЭУ и его зависимость от на-
пряжения питания. Что такое световой эквивалент темнового тока?
7.	Объясните природу шумов ФЭУ. Приведите выражение для ра-
счета порогового потока.
8.	Почему с помощью ФЭУ можно регистрировать очень малые пото-
ки, модулированные с высокой частотой, а с помощью электровакуум-
ного фотоэлемента не удается?
9.	Какими параметрами характеризуется эффективность применения
ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках?
10.	Что такое одноэлектронные характеристики ФЭУ?
Часть четвертая
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Глава пятнадцатая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
' 15.1. СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ
ЭЯЙКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
Электронно-лучевыми приборами (ЭЛП) принято называть груп-
пу электровакуумных приборов, действие которых основано на фор-
мировании и управлении интенсивностью и направлением электрон-
ных пучков.
В любом ЭЛП можно выделить следующие основные элементы:
электронный прожектор — устройство, представляющее собой систе-
му электродов, предназначенное для создания сфокусированного элект-
ронного луча. Более общим является понятие ’’электронно-оптиче-
ская система” — совокупность электродов и внешних элементов ЭЛП,
образующая электростатические и магнитные поля, формирующая
электронный луч и управляющая им;
отклоняющая система — устройство, создающее магнитные и (или)
электрические поля для отклонения электронного луча;
экран - конструктивный элемент ЭЛП, представляющий собой под-
ложку (внутренняя сторона фронтального стекла баллона) с нанесен-
ным на нее люминофором. Люминофор преобразует кинетическую
энергию электронов луча в электромагнитное излучение в видимом
диапазоне длин волн;
мишень — элемент ЭЛП, на котором создается и хранится потен-
циальный рельеф (определенное распределение потенциала).
15.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛП
Современные ЭЛП выполняют в радиоэлектронной аппаратуре самые
различные функции преобразования информации. С этой точки зрения
многообразные ЭЛП принято классифицировать на следующие группы:
приборы, осуществляющие преобразование электрических сигналов
в оптическое изображение (приемные электронно-лучевые трубки —
ЭЛТ); к ним относятся осциллографические трубки, индикаторные
радиолокационные трубки, кинескопы - приемные телевизионные
трубки, а также трубки, предназначенные для решения специальных
задач, например вывода информации с ЭВМ;
184
г
приборы, преобразующие оптическое изображение в последователь-
ность электрических сигналов (передающие ЭЛТ). К ним относятся и
первые малочувствительные передающие трубки типа кинескоп и совре-
менные суперортиконы, видиконы и их модификации;
приборы, обладающие свойством хранить и считывать введенную
информацию в течение определенного времени до ее стирания (запоми-
нающие трубки). К ним прежде всего относятся потенциалоскопы,
графеконы и др.;
приборы, позволяющие осуществлять перенос оптического изобра-
жения из одной спектральной области в другую или усиливающие яр-
кость изображения (электронно-оптические преобразователи — ^РЛ) •
Приборы этого типа хотя и рассматривают совместно с электронно-
лучевыми, но в них используют не сфокусированный, а широкий
электронный поток.	31
Глава шестнадцатая
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЖЕКТОРЫ
16.1.	ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОННЫМ ПРОЖЕКТОРАМ
Электронные прожекторы для ЭЛП должны удовлетворять сле-
дующим требованиям:
создавать в плоскости приемника электронный пучок необходи-
мой плотности тока и возможно меньшего сечения;
ток в пучке должен плавно регулироваться от нуля до максималь-
ного значения;
электронный прожектор должен быть достаточно экономичным;
материалы, используемые для изготовления элементов прожектора,
должны иметь хорошие вакуумные свойства.
В зависимости от назначения ЭЛП электронные прожекторы могут
иметь весьма различающиеся характеристики. Так, ток луча может
меняться от долей микроампера в передающих трубках до сотен мик-
роампер в приемных трубках; диаметр пучка в плоскости приемника -
от долей миллиметров в передающих трубках до единиц миллиметров
в приемных (в зависимости от размера экрана), а ускоряющее напря-
жение может изменяться от нескольких сотен вольт для малогабарит-
ных кинескопов и осциллографических трубок до десятков киловольт
для проекционных кинескопов.
16.2.	ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКА В ЭЛЕКТРОННОМ ПРОЖЕКТОРЕ
Современные прожекторы, как правило, строятся по двух- или
трехлинзовой системе. Необходимость применения таких систем выте-
кает из анализа соотношения однолинзовой геометрической оптики,
185
Рис. 16.1. К пояснению теоре-
мы Лагранжа-Гельмгольца
известного в литературе
под названием теоремы
Лагранжа—Гельмгольца:
rini7i = г2гъъ •
(16.1)
Это условие (теорема) связывает линейные размеры объекта Г\ и
изображения г2 и углы расхождения 71 и схождения у2 (рис. 16.1).
Заменив в (16.1) показатели преломления в области объекта п2
и изображения Иг соответственно величинами ч/Ц и найдем
радиус изображения на экране






Гг = (Г171(72)х/
(16.2)
Из (16.2) видно, что для уменьшения радиуса пятна на экране г2
следует уменьшать размер объекта — катода rY, апертурный угол 71
или увеличивать отношение U2/Ui. Уменьшение и у2 связано со
снижением тока луча, что нежелательно. Отношение U2/Ui ограничи-
вается электрической прочностью прибора. Наконец, для уменьшения
г2 можно было бы уменьшить отношение 7i/72- Однако в однолинзо-
вой системе уменьшение ?2 связано с приближением к линзе экрана,
что, в свою очередь, приводит к резкому снижению чувствительности
отклоняющей системы [см. (17.10) и (17.16)]. По этой причине про-
жекторы с одной линзой не применяются, а упомянутые выше проти-
воречия устраняются в прожекторе, имеющем как минимум две
линзы.
Схема формирования электронного пучка электронным прожекто-
ром с двумя линзами представлена на рис. 16.2. Под действием прелом-
ляющей силы первой линзы (иммерсионного объектива) электронные
лучи, выходящие из точек а и б катода, сходятся в некоторой плоско-
сти, где образуют электронное изображение катода а , б'. В плоско-

сти, проходящей через фокус F, электронный пучок имеет наименьшее
из всех сечений, называемое в литературе скрещением или кроссове-
ром. Вторая линза отображает кроссовер в виде пятна на экране ЭЛТ.
Следует отметить, что первая линза должна не только фокусировать
электроны, но и ускорять их. По этой причине она может быть только
электростатической. Вторая линза прожектора может быть электростати-
ческой или магнитной.
186
Изодраженае катода
Рис. 16.2. Примерный характер траектории электронов и сечения электронного
луча в электронно-оптической системе:
1 - катод; 2 - первая линза (иммерсионный объектив); 3 - вторая фокуси-
рующая линза; 4 - экран
В ЭЛТ в зависимости от начальных скоростей электронов, тока пуч-
ка и аберрации линз диаметр пятна составляет от десятков микромет-
ра до единиц миллиметра.
16.3.	ТИПЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЖЕКТОРОВ
В электронных прожекторах с электростатической фокусировкой,
как правило, используется оптическая система, где первой линзой яв-
ляется иммерсионный объектив, а второй - иммерсионная или одиноч-
ная линза. В некоторых ЭЛТ используются прожекторы, выполненные
по трехлинзовой схеме: иммерсионный объектив — иммерсионная
линза — одиночная линза. Такая схема позволяет уменьшить угол рас-
хождения пучка на входе в одиночную (главную фокусирующую)
линзу, что улучшает качество фокусировки прибора.
Простейший электронный прожектор (рис. 16.3, а) состоит из като-
да, модулятора, первого и второго анода (тетродная система).
Выше указывалось (§ 3.8), что в ЭЛТ применяются торцевые ок-
сидные катоды косвенного накала. Модулятор выполняется в виде
металлического цилиндра, перегороженного тонким диском с централь-
ным отверстием в середине. На него чаще всего подается отрицатель-
ный потенциал (несколько десятков вольт) по отношению к катоду.
Аноды выполняются в виде диафрагм, цилиндров. Для изготовления
названных электродов применяется немагнитная сталь, константан,
нихром.
Одним из недостатков тетродной системы является взаимосвязь
между линзами. При изменении, например, фокусирующего напряже-
ния на первом аноде изменяются оптические свойства не только вто-
рой, но и первой линзы, что приводит к изменению тока луча, и наобо-
рот. Для устранения этого недостатка между модулятором и первым
анодом помещается ускоряющий электрод, выполненный в виде метал-
лического цилиндра с одной или несколькими диафрагмами и слу-
187
Рис. 16.3. Схемы прожекторов с электростатической фокусировкой:
а - тетродного; б - пентодного; в - пентодного с нулевым током фокуси-
рующего электрода; г - пентодного с нулевым потенциалом фокусирующего
электрода; К - катод; М - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; и а2 -
соответственно первый и второй аноды; Э - экран
жащий электростатическим экраном между первой и второй линзами
(рис. 16.3, б).
В системе (рис. 16.3, в) первый анод представляет собой короткий
цилиндр с большим отверстием, диаметр которого превышает диафраг-
мы ускоряющего электрода и второго анода. По этой причине первый
анод при любом его потенциале не перехватывает электроны пучка.
Указанная конструкция получила название прожектора с нулевым то-
ком первого анода. Электроды такого прожектора можно питать от
одного источника питания, что является его достоинством.
Разновидностью прожектора, рассмотренного выше, является про-
жектор с нулевым потенциалом фокусирующего электрода (рис. 16.3,г).
Такой прожектор рассчитывается так, что автоматически достигается
фокусировка луча на экране. Из-за погрешностей, существующих при
188
Рис. 16.4. Прожекторы с магнитной фокусировкой:
а - триодный; б - тетродный; А - анод; К - катод; М - модулятор; УЭ -
ускоряющий электрод; МЛ - магнитная лииза
сборке прожектора, получить оптимальную фокусировку луча на экра-
не в такой системе не удается. Поэтому в указанной конструкции
предусматривают подрегулировку фокусирующего напряжения.
В прожекторах с электромагнитной фокусировкой первая линза
электростатическая (иммерсионный объектив), а вторая — магнитная,
создается полем короткой, обтекаемой током катушки.
Прожекторы с магнитной фокусировкой строят по триодной или
тетродной схеме (рис. 16.4). В схеме (рис. 16.4, а) колебания анодного
напряжения сильно влияют на изменение тока пучка, поэтому в таких
прожекторах необходимо обеспечивать жесткую стабилизацию уско-
ряющего анодного напряжения.
В тетродном прожекторе (рис. 16.4, б) между модулятором и ано-
дом помещен ускоряющий электрод, потенциал которого относитель-
но катода составляет несколько сот волы.
Между анодом и ускоряющим электродом образуется иммерсион-
ная линза, осуществляющая дополнительную фокусировку луча. Кро-
ме того, при наличии между анодом и модулятором ускоряющего
электрода, обладающего экранирующим действием, можно изменять
в значительных пределах рабочее анодное напряжение, не влияя при
этом на ток пучка.
Каждая из рассмотренных фокусирующих систем обладает опреде-
ленными достоинствами и недостатками. Прожекторы с магнитной фо-
кусировкой имеют большие габаритные размеры и массу, менее эконо-
мичны в эксплуатации, требуют стабилизации напряжений источников
питания и, как правило, дают высокое разрешение при точной установ-
ке катушки на горловине трубки. Такие фокусирующие системы широ-
ко применяются в радиолокационных и в ряде специальных ЭЛП.
Прожекторы с электростатической фокусировкой, напротив, имеют
малую массу и габаритные размеры и незначительное потребление
энергии. Недостатком их является несколько меньшая разрешающая
способность, чем разрешающая способность у электронных прожекторов
с магнитной фокусировкой.
189
Указанные положительные качества обеспечили прожекторам с Я
электростатической фокусировкой широкое распространение не только I
в осциллографических трубках, но и в современных кинескопах.	1
16.4.	ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК^	1
ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЖЕКТОРОВ	|
Наиболее важной характеристикой электронного прожектора явля- |
ется модуляционная характеристика, показывающая зависимость тока 1
катода или луча от напряжения, действующего между модулятором и 1
катодом <7М>К при постоянных ускоряющих напряжениях (рис. 16.5). i
Приближенное аналитическое выражение этой характеристики имеет я
вид:	|
,'	f у _ у \ Т	1
Л<М-а" -) 1^ап13/2.	(16.3)
х узап '	I
где 1К - ток катода; К — постоянная (для данной конструкции про- |
жектора), называемая коэффициентом качества; у — показатель сте- ]
пени (для данного прожектора — величина переменная); £/зап — за- j
пирающее напряжение; UM K - напряжение модулятора относительно |
катода.	1
ВеличиньГЦап(17зап - t/MjK), К и 7 являются параметрами прожек- 1
тора. Рассмотрим эти параметры.	1
Запирающее напряжение йзгт - разность потенциалов между моду- 1
лятором и катодом; при котором ток в цепи катода составляет задан- ]
ное малое значение (обычно 1 мкА).	|
Запирающее напряжение для трехзлектродной электронно-оптиче- 1
ской системы (рис. 16.6) определяется по приближенной формуле I
Гайне:	I
(Ом - 6)2
Цап * 0,034t/a	,	(16.4)
ак,мам,а	1
где DM - диаметр отверстия диафрагмы модулятора; 6 - толщина |
диафрагмы; с7К(М — расстояние между катодом и модулятором; 1
<7м,а — расстояние между модулятором и анодом; U3 - ускоряющее
напряжение.	!
Напряжение модуляции (модуляция) — это напряжение на управ- j
ляющем электроде, вызывающее изменение яркости или тока луча от |
уровня запирания до заданного значения (рис. 16.5) :	‘ ]
АЦлод ~ 6(эап — 6^л,к,ном-	(16.5)
Так как модуляция зависит от запирающего напряжения, то ее значе-
ние определяется также геометрическими размерами прожектора. Пара-
190	;
Рис. 16.5. Модуляционная характеристика
электронного прожектора
Рис. 16.6. Иммерсионный объектив "
метр модуляция определяет крутизну модуляционной характеристики
трубки
$	^к/^^мод-
Очевидно, чем меньше Д/7мод, тем круче модуляционная характери-
стика и тем меньший потребуется уровень видеосигнала для получе-
ния качественного изображения на экране ЭЛТ.
Уменьшения напряжения модуляции можно добиться, переходя от
сеточной модуляции к катодной. В первом случае видеосигнал пода-
ется на модулятор ЭЛТ (рис. 16.7,а),вовтором-накатод (рис. 16.7,6),
а потенциал модулятора при этом остается неизменным.
Отметим, что при сеточной модуляции изменяется только напряже-
ние между модулятором и катодом. При катодной модуляции одновре-
менно с этим изменяется напряжение между ускоряющим электродом
и катодом на значение модулирующего сигнала. Из рис. 16.7,6 видно,
что напряжение сигнала Uc складывается с напряжением, поданным на
ускоряющий электрод, увеличивает общую разность потенциалов уско-
ряющий электрод—катод. Последнее обстоятельство приводит к увели-
чению крутизны модуляционной характеристики трубки.
Очевидно, что катодная модуляция может заметно повысить крутиз-
ну модуляционной характеристики лишь в электронных прожекторах
с малым напряжением ускоряющего электрода.
Следует отметить, что в современных цветных кинескопах (см.
§ 19.5) с щелевой маской и компланарной электронно-оптической си-
стемой (ЭОС) принципиально возможно использовать только катод-
ную модуляцию, так как модуляторы прожекторов ЭОС обычно соеди-
нены между собой.
Коэффициент качества катода К, характеризующий эмиссионную
способность катода прожектора, определяется по формуле
К ~ ^ктвх/^зап2>	(16.6)
191
Рис. 16.7. Схемы сеточной (fl) и катодной (б) модуляции:
Uy - напряжение на ускоряющем электроде; Uc - напряжение
где 1ктах - максимальный ток катода при нулевом значении напряже
ния на модуляторе.
Выражение для модуляционной характеристики (16.3) в более общем
виде можно записать:
Ш)*ЖмодЛ	(16-7)
где К - постоянный для данной конструкции коэффициент, зависящий
от свойств катода, геометрии и потенциалов электродов прожектора;
7 — показатель степени, характеризующий кривизну модуляционной
характеристики.
Из (16.3) и (16.7) следует, что кинескоп является нелинейным эле-
ментом. Для компенсации этой нелинейности в видеотрактах телевизи-
онных центров вводят 7-корректор. Для обеспечения качественного цве-
товоспроизведения изображения коэффициент 7 в пределах рабочей ча-
сти модуляционной характеристики не должен превышать допустимых
значений. Так, для кинескопа 61ЛКЗЦ значение 7 в условиях сеточной
модуляции нормируется в пределах 2,6—3,3.
Прологарифмировав уравнение (16.7) .получим
VK(4) =7ig^MOH+ igK.
Выражение 7 = (lgZK - lg£)/lg ДС7мод называется 7-характеристикой
прожектора. По этой характеристике можно определить рабочий уча-
сток, в пределах которого 7 отвечает предъявленным требованиям.
16.5.	НАГРУЗКА КАТОДА
В ЭЛТ управление током катода при изменении потенциала модуля-
тора происходит за счет изменения: напряженности электрического поля
и отрицательного пространственного заряда у катода (аналогичное
действие на ток оказывает управляющая сетка в электронных лампах);
рабочей поверхности катода, у которой создается ускоряющее поле.
192
Рис. 16.8. Распределение плотности тока по по-
верхности катода при различных потенциалах
модулятора
Под нагрузкой катода понимают мак-
симальную плотность тока, приходящего-
ся на единицу его эмиттирующей поверх-
ности. Экспериментальные исследования
показывают, что катод нагружен нерав-
номерно: в центре плотность тока максимальная, а к краям она умень-
шается (рис. 16.8).
Радиус рабочей поверхности катода определяется выражением
гк
t________
1 + а (1 - Т)
1/2
(16.8)
где RM - радиус отверстия модулятора; t - управляющее напряжение
(безразмерный параметр), характеризующее электрический режим про-
жектора (рис. 16.6),
?=(^ко-^к,м)/^ко=д^к/^ко;	0<Г<1,	(16.9)
где UK<M — потенциал катода относительно модулятора (UM K = 0, катод-
ная модуляция); Uk0 — запирающее напряжение; а — коэффициент,
определяемый так:
0,75 (1 + 0,2dK,MMM)
f (^К,м/^м)
(16.10)
причем
Жс,м/*м) =
^к,м/^м
Распределение плотности тока по поверхности катода характеризу-
ется выражением
J(r) = J (0)^(г, гк, Лм),
где (/> — безразмерный коэффициент, зависящий от радиуса рабочей по-
верхности катода гк, радиуса отверстия модулятора RM и расстояния
между катодом и модулятором <7К>М; </> изменяется от максимального
значения плотности тока в центре катода J (0) до бесконечно малого
значения на границе рабочей области катода (рис. 16.8).
7-6353
193
Максимальная плотность тока в центре катода (г =0), мкА/мм*/
J (0) = 2,33
 1
(16.11)
2
&t3/2.
На основании изложенного и рис. 16.8 вводят понятие среднего зна-
чения плотности тока с катода Jcp, определяемого соотношением
Jcp= 0,47(0).
При разработке электронно-оптических систем следует учитывать
максимальную допустимую плотность тока катода, от которой зависит
долговечность прибора. В частности, максимальная нагрузка оксидных
катодов ЭЛТ не должна превышать 1—2 А/см2.
Контрольные вопросы и задания
1.	Почему для фокусировки электронного луча применяются про-
жекторы, имеющие как минимум две линзы?
2.	Нарисуйте схему электронного прожектора, состоящего из катода,
модулятора, первого и второго анода. Как осуществляется регулиров-
ка тока электронного луча и его фокусировка?
3.	Чем определяется размер пятна на экране электронно-лучевой
трубки? Что такое скрещение (кроссовер)?
4.	Сравните прожекторы с электростатической и магнитной фокуси-
ровкой. В каких ЭЛП применяются указанные системы фокусировки?
5.	Что такое нагрузка катода и от каких факторов она зависит?
Глава семнадцатая
ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
17.1.	ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА
Во многих ЭЛП электронный луч необходимо отклонять, т. е. изме-
нять. движение электронов, чтобы луч мог быть направлен на любые
участки поверхности экрана. Для отклонения луча используются элект-
рические или магнитные поля.
В зависимости от рода поля различают электростатические и магнит-
ные отклоняющие системы (ОС), выполненные соответственно в виде
отклоняющих пластин или отклоняющих катушек.
К отклоняющим системам предъявляется ряд общих требований:
система должна иметь возможно большую чувствительность к от-
клонению, т. е. отклонение пучка обеспечивается при возможно малом
отклоняющем факторе - напряжении на отклоняющих пластинах при
электростатическом отклонении луча или тока, протекающего по катуш-
кам (магнитном отклонении);
194
Рис. 17.1. Отклонение электронного луча па-
раллельными пластинами
система должна быть линейной, т. е. отклонение луча пропорциональ-
но отклоняющему фактору в любой части поверхности экрана;
система должна обеспечивать необходимый угол отклонения луча
и по возможности не влиять на его фокусировку.
Простейшая электростатическая отклоняющая система состоит из
двух плоских параллельных пластин (рис. 17.1).
Полагая, что поле между пластинами однородно и не выходит за пре-
делы пластин, вычислим отклонение луча h на экране. На рис. 17.1
обозначено: d — расстояние между пластинами; /1 - длина пластин;
12 — расстояние пластин до экрана.
Рассматривая в § 4.2 движение электрона в поперечном электриче-
ском поле для случая, когда вектор начальной скорости г0 перпенди-
кулярен вектору напряженности Е, мы получили уравнение траектории
электрона вида
Уравнение показывает, что в поле пластин электрон движется по па-
раболе, направляясь к положительно заряженной пластине. По выходу
из поля пластин электронный пучок смещается от оси Ох на
hi =
еЕ
2mev2
I2.-
(17.1)
Подставляя в (17.1) значение Е= U/d и
Vo = / 2 — Ua
V те
получаем
hi =
1\и
4UJ ’
(17.2)
где U — отклоняющее напряжение, приложенное к пластинам; Ua —
ускоряющее напряжение (разность потенциалов между катодом и
вторым анодом). Отклонение h2 определяется как
/i2 = /2tga.	(17.3)
195
Тангенс угла а вычисляется из условия (рис. 4.3)
tg«= V оу! VOX,
(17-4)
где vOy — вертикальная составляющая скорости г0> рох — горизон-
тальная составляющая скорости г0.
В направлении оси у электрон движется равноускоренно:
(17.5)
Величины а у и t определяются уравнениями
ау=(Еуе)1те, t=x/vOx.
Тогда (17.5) можно записать в виде
х
Voy= -------------•	(17.6)
у	vox .
Учитывая, что Еу - U/d, получаем
vOy = —------•	(17.7)
d vox
Подставляя это значение в (17.4) и заменяя х на 12 и вместо vox -
его значение, получаем угол отклонения траектории электрона от пер-
воначального направления
tg«= А
h _U_
'd Ua
и, следовательно

2Z/ad ‘
(17.8)
Полное отклонение h равно;

+
h = hi + h2 =
Ulil2
2UJ
1	U	Z1	(	г1
— — -----— — I ——— + /2
2	Ua	d	\	2	2
ИЛИ
III
2dUa
h
(17.9)
где L = /1/2+ 12 — расстояние от центра пластин до экрана.
196
Рис. 17.2. Конструкция отклоняющих пластин:
а — косо поставленных; б - с изломом; в - оптимальных
Дня характеристики отклоняющей системы вводится параметр
5ОТКЛ — чувствительность трубки к отклонению, показывающий на
сколько миллиметров сместится пятно в плоскости экрана при изме-
нении отклоняющего напряжения U на 1 В.
Для рассматриваемой системы (рис. 17.1) чувствительность равна
Яоткл =h/u = l^/ld Ua.	(17.10)
Чувствительность по отклонению современных ЭЛТ изменяется
от 0,1 до 3 мм/В. Реальная чувствительность из-за действия краевых
полей больше рассчитанной по (17.10) на 10—15%. Тем не менее чув-
ствительность плоскопараллельных пластин (рис. 17.1) невелика.
Из (17.10) видно, что для увеличения чувствительности необходимо
увеличивать длину пластин li и уменьшать расстояние между ними d,
но при этом уменьшится угол отклонения а. Для увеличения угла а в
электронно-лучевых трубках применяют косо поставленные, согнутые
под углом или изогнутые пластины (рис. 17.2). Конструкция и ра-
счет этих систем приведены в § 32.4.
17.2.	МАГНИТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА
Для вертикального и горизонтального отклонения электронного лу-
ча магнитным полем используются две пары катушек В и Г, располо-
женных взаимно перпендикулярно друг другу и оси трубки (рис. 17.3,а).
При протекании по ним тока образуются магнитные поля, под действием
которых электронный луч будет перемещаться в горизонтальной и вер-
тикальной плоскостях.
Катушки с магнитопроводом (внутренним или внешним) образуют
отклоняющую систему, которая располагается на горловине баллона
трубки. Внешний вид современных отклоняющих систем показан на
рис. 32.6—32.9.
Определим отклонение h электронного луча поперечным магнитным
полем короткой катушки. При этом предположим, что магнитное поле
на участке отклоняющих катушек однородно и за пределами этого
участка отсутствует (рис. 17.3,6) .
197
Рис. 17.3. К выводу чувствительности магнит-,-
иого отклонения:
, *
а - расположение катушек; б — схема от-
клонения
В § 4.3 (4-14) было показано, что
электрон, влетающий в однородное маг-
нитное поле со скоростью v0 под прят
мым углом к вектору В движется по
окружности, радиус которой равен:
R = mev0/eR,
где 1’о — скорость, выраженная через
ускоряющее напряжение,
г о = \J 'leUJ те.
При выходе за пределы области а электрон движется прямолиней
но, отклоняясь на угол а по отношению к оси х. Угол отклонения а со-
гласно рис. 17.3,6 определяется как
а/Resina.	(17.11)
Считаем, что угол отклонения а мал, т. е. а » sin а. Используя выра-
жение д ля R и подставляя в него г о, получаем
а = а В л/ e/2meUa.	(17.12)
Отклонение луча на экране
h=Ltga.	(17.13)
Учитывая, что tga~ а, получаем приближенно
h La,	(17.14)
откуда
h ® ЬаЪ / --...... ,	(17.15)
V 2те (7а
где L = а/2 + / - расстояние от центра отклонения до экрана.
Чувствительность магнитного отклонения (в миллиметрах на тес-
лу) определяется отношением отклонения электронного луча к индук-
ции магнитного поля:
£откЛ,м= Й/В= aL	(17.16)
198
Так как индукция магнитного поля пропорциональна току I в катуш-
ках и числу витков w, т. е. МДС катушки, то чувствительность трубки
к отклонению, мм/А, равна
где у = 1/& — коэффициент, зависящий от геометрических размеров ка-
тушек и их конфигурации, для данной системы постоянный и опреде-
ляемый экспериментально.
Чувствительность SM, как правило, составляет единицы миллимет-
ров на ампер.
Оценим основные характеристики отклоняющих систем. Чувствитель-
ности электростатического и магнитного отклонения соответственно
пропорциональны l/i7a и и, следовательно, при магнитном откло-
нении изменение ускоряющего напряжения Ua влияет на чувствитель-
ность в меньшей степени, чем при электростатическом. Этим объясня-
ется более частое применение магнитных отклоняющих систем в высо-
ковольтных трубках.
Индуктивности катушек электромагнитных отклоняющих систем
ограничивают скорость изменения тока в катушках. Поэтому такие
системы инерционны. Инерционность при магнитном отклонении начи-
нает сказываться на частотах в несколько десятков килогерц, в то вре-
мя как электростатические системы позволяют использовать диапазон
частот до десятков—сотен мегагерц отклоняющих напряжений.
Чувствительность при магнитном отклонении зависит от отношения
заряда к массе частицы, поэтому ионы, как более тяжелые частицы,
будут отклоняться в магнитном поле меньше, чем электроны.
Существенным преимуществом магнитного отклонения являются
меньшие аберрации. Это позволяет в несколько раз увеличивать угол
отклонения и соответственно уменьшить длину трубки.
Электростатические отклоняющие системы более экономичны, они
потребляют незначительную мощность от источника питания, имеют
малые габаритные размеры и массу. Недостатком их является малый
предельный угол отклонения и, как указывалось выше, зависимость
чувствительности от ускоряющего напряжения.
Из сказанного следует, что каждая система обладает определенными
достоинствами и недостатками. В одних случаях целесообразно исполь-
зовать электростатическое отклонение, например в осциллографиче-
ских трубках, в других, например в кинескопах, - магнитное.
17.3.	ИСКАЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛОНЕНИИ
В § 4.4 были рассмотрены аберрации, связанные с несовершенством
электронных линз. Отклоняющие системы также вносят искажения
199
Рис. Г/.4. Схемы несимметричного (fl) и симметричного (б) включения откло-
няющих пластин
электронного изображения. В ЭЛТ с электростатическим отклонением
искажение изображений существенно зависит от способа подачи напря-
жения на отклоняющие пластины.
При несимметричном способе питания отклоняющее напряжение
Ц?ткл подается на одну пару пластин, а вторая пластина соединяется
с анодом трубки (рис. 17.4, а). Отклоняющее поле в этом случае полу-
чается несимметричным относительно оси, а средний потенциал отлича-
ется от потенциала второго анода Ua на ± <7огкл/2. Следовательно, чув-
ствительность можно определить так:
с ।	_	Ь-Ъ	_ ^откл
^откл —	Гг----г —	•
| 1 ± _откл )	1 ± ^откл/21^а
а V 2Ua /
Из формулы следует, что при положительном отклоняющем напря-
жении чувствительность падает, а при отрицательном — увеличивается.
Если подать на горизонтальные пластины напряжение развертки, то
луч будет перемещаться по экрану с неравномерной скоростью. В ре-
зультате появятся нелинейные искажения, увеличивающиеся с увели-
чением отклоняющего напряжения.
При несимметричном способе питания возникают также искажения,
называемые трапецеидальными (на экране растр принимает форму тра-
пеции). Эти искажения обусловлены взаимным проникновением от-
клоняющих полей двух пар пластин. Для их устранения между пласти-
нами устанавливают электростатические экраны.
Для устранения нелинейных и трапецеидальных искажений применя-
ют симметричный способ питания отклоняющих пластин, при котором
отклоняющие напряжения подаются на обе пластины, соединенные со
вторым анодом через высокоомные (1—10 МОм) резисторы
(рис. 17.4, 5). В этом случае потенциал средней плоскости равен £7а
и не зависит от (7ОГКЛ •
200
Искажения вида расфокусировка
пятна связаны с конечными размера-
ми сечения пучка в области отклоне-
ния (рис. 17.5). При отсутствии от-
клоняющего напряжения неотклонен-
ный пучок фокусируется в пятно в
центре экрана. При подаче отклоняю-
щего напряжения часть пучка, прохо-
дящего вблизи пластины, имеющей по-
РИс. 17.5. Расфокусировка луча
при отклонении
ложительный потенциал, будет ускоряться, а следовательно, меньше от-
клоняться полем, чем противоположная часть пучка. Поэтому в плоско-
сти экрана вместо пятна круглой формы образуется эллипс. Очевидно,
размер эллипса (его большая ось) будет тем меньше, чем меньше Диа-
метр поперечного сечения пучка.
Следует отметить, что поля рассеяния, всегда возникающие у краев
отклоняющих пластин, образуют электронные линзы, которые приводят
к еще большей расфокусировке пучка. Особенно это проявляется при
несимметричном питании отклоняющих пластин.
Магнитным отклоняющим системам присущи также нелинейные
искажения и дефокусировка пятна, обусловленные, прежде всего, не-
однородностью отклоняющего поля. В целом искажения магнитных
отклоняющих систем меньше электростатических, что объясняется не-
изменностью скорости электронов и большими размерами систем.
Незначительная дефокусировка пятна позволяет использовать маг-
нитные отклоняющие системы в ЭЛТ с большим углом отклонения
(110-114°).
Контрольные вопросы и задания
1.	Какие общие требования предъявляются к отклоняющим си-
стемам?
2.	Что такое чувствительность трубки с электростатическим откло-
нением и от каких факторов она зависит?
3.	Что называется чувствительностью трубки с магнитным отклоне-
нием луча? От каких факторов зависит эта величина?
4.	Каким способом можно увеличить чувствительность отклоняю-
щих систем?
5.	Какая пара отклоняющих пластин используется для отклонения
исследуемым сигналом?
6.	Какое отклонение луча целесообразно использовать, магнитное
или электростатическое, при больших ускоряющих напряжениях и по-
чему?
7.	Сравните электростатическое и магнитное отклонение луча. Назо-
вите достоинства и недостатки отклоняющих систем.
201
8.	Что такое симметричное и несимметричное включение отклей
няющих пластин и каковы преимущества симметричного способа*
питания?
Глава восемнадцатая
ЭКРАНЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК
18.1.	ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЮМИНОФОРОВ
Экраном называется конструктивный элемент ЭЛП, на котором вос-
производится оптическое изображение. Выше указывалось (§ 15.1),
что экран состоит из подложки, на которую наносят люминофор. Слой ?
люминофора преобразует кинетическую энергию электронного луча в
энергию излучения в видимой части спектра длин волн. Свечение люми-
нофора под действием электронной бомбардировки называется като-
долюминесценцией, а вещества, способные светиться при облучении их
электронами, катодолюминофорами или просто люминофорами.
К люминофорам предъявляется ряд специальных требований. Преж- 
де всего они должны иметь хорошие вакуумные свойства: обладать j
малой испаряемостью в вакууме, достаточной температуростойкостыо
и хорошо обезгаживаться. Люминофоры должны эффективно преобра- /
зовывать кинетическую энергию электронов в световое излучение. Кро- ;
ме того, люминофоры должны обладать определенным спектральным
составом, временем послесвечения и достаточной долговечностью.
Основными параметрами люминофоров являются: яркость свече-
ния, цвет свечения, время послесвечения.
Яркость свечения экрана, кд/м2, — сила света, излучаемая 1 м2 экра-
на в направлении, перпендикулярном его поверхности. Яркость зави-
сит от свойств люминофоров, а также условия их возбуждения, т. е.
от плотности тока и скорости бомбардирующих экран электронов.
Значение яркости может быть определено эмпирической формулой:
В = AJ(Ua -UoY1,	(18.1)
где J — плотность тока, А/см2; Ua — ускоряющее напряжение, В; Uo —
потенциал возникновения свечения люминофора; А - постоянный ко-
эффициент, характеризующий люминофор; и - показатель степени,
значение которого в зависимости от люминофора находится в интер-
вале от 1 до 3.
Яркость современных кинескопов около 120-150 кд/м2. Для ха-
рактеристики эффективности экранов трубок по яркости введен пара-
метр — световая отдача (светоотдача), определяемая как сила света
Iсв в канделах на 1 Вт мощности луча: V
V ~ 1св/Рэ.П'	(18.2)
202
Рис. 18.1. Зависимость коэффициента вторичной
эмиссии экранов от напряжения, ускоряющего
первичные электроны
Светоотдача зависит от природы люминофора, его толщины, ускоряю-
щего напряжения, плотности тока и других факторов. Значение свето-
вой отдачи для люминофоров, применяемых в современных ЭЛТ, ко-
леблется от 0,14 до 10 кд/Вт.
Цвет свечения люминофора определяется его спектральной характе-
ристикой излучения и зависит от его состава, характера обработки и
активирующих примесей. В зависимости от назначения ЭЛП к его экра-
ну предъявляются конкретные требования в отношении цвета свече-
ния. Например, для кинескопов черно-белого телевидения требуется
белый цвет свечения экрана, в цветном - необходимо получить основ-
ные, чистые цвета свечения: красный, зеленый и синий.
Для фотографирования изображения с экрана целесообразно исполь-
зовать люминофоры с синим или голубым цветом свечения, как дей-
ствующим более эффективно на фотоэмульсию, и т. д.
Время послесвечения экрана — интервал времени после окончания
возбуждения люминофора, в течение которого яркость падает от пер-
воначального значения 100% до 1%. По времени послесвечения люми-
нофоры принято условно разделять на пять групп: очень короткое —
менее 1СГ® с, короткое 1(Г5 - КГ2 с, среднее КГ2 - КГ1 с, длитель-
ное 1СГ1 — 10 с и очень длительное — более 16 с.
Потенциал экрана зависит от нескольких факторов: свойств люми-
нофора, коэффициента вторичной эмиссии а и от ускоряющего на-
пряжения.
На рис. 18.1 представлена типичная зависимость коэффициента вто-
ричной эмиссии люминофора от ускоряющего напряжения (зависи-
мость коэффициента о от напряжения рассмотрена в § 2.5).
На кривой имеются две характерные точки А и В, в которых а = 1.
Потенциалы UKi и Uk2, соответствующие этим точкам, называются
первым и вторым критическими потенциалами. В зависимости от соот-
ношения потенциала экрана U3 и напряжений J7Ki и £/к2 поведение эк-
рана при бомбардировке его электронами будет различным.
Выделим на кривой три характерных участка.
На первом участке Ua < UK i (о < 1), поэтому число первичных
электронов, поступающих на экран, превышает число выбиваемых,
следовательно, экран зарядится отрицательно и в конечном счете, при-
обретет потенциал катода. Первичные электроны будут отражаться
от поверхности экрана на анод (проводящее покрытие). Рассмот-
203
ренный случай на практике встречается редко. Напряжение UKl лю- :
минофоров соответствует десяткам вольт.
На втором участке UK1 < (7а < UK2 — это реальный случай, имею-
щий место при работе ЭЛТ. Можно показать, что при таком условии
установится равновесный потенциал экрана (U3 « (7а) на Г—2 В больше
потенциала анода. При этом яркость свечения экрана будет определять-
ся потенциалом второго анода по (18.1).
На третьем участке при Ua > Uk2 (коэффициент вторичной эмис-
сии а < 1) потенциал экрана будет снижаться до тех пор, пока о = 1,
т. е. когда U3 = Uk2 .
Таким образом, при Ua > Uk2 потенциал экрана не зависит от анод-
ного напряжения, т. е. повышение Ua выше критического потенциала
не приводит к увеличению яркости. Величина UK2, определяющая мак-
симальное значение напряжения, которое может иметь экран, называ-
ется его предельным потенциалом. Значение предельного потенциала
зависит в основном от состава люминофора и находится в интервале
5—40 кВ. В целях увеличения предельного потенциала экрана его по-
верхность покрывают алюминиевой пленкой, электрически соединен-
ной с анодом. Толщина алюминиевой пленки колеблется в пределах
0,1—0,5 мкм.
Алюминиевое покрытие, кроме указанного назначения, выполняет
и другие функции: увеличивает светоотдачу за счет отражения в сторо-
ну наблюдателя излучения, испускаемого люминофором внутрь колбы.
Тонкая металлическая пленка достаточно прозрачна для быстрых элект-
ронов, но почти не проницаема для тяжелых отрицательных ионов и,
следовательно, ослабляет образование ионного пятна, т. е. повышает
контраст изображения.
18.2.	КАТОДОЛЮМИНОФОРЫ И ИХ ТИПЫ
Люминофоры, применяемые для изготовления экранов ЭЛТ, со-
стоят из основного вещества (основы), активирующего вещества (акти-
ватора) и следов от плавней.
В качестве основы для люминофоров наиболее эффективными явля-
ются следующие химические соединения: сульфиды, силикаты, суль-
фид-селениды, вольфраматы, фосфаты, окислы металлов. Кроме пере-
численных соединений применяют также фториды, бориды, фторсилика-
ты галофосфаты, фторгерманаты и др. Каждая из перечисленных групп
люминофоров обладает определенными достоинствами и недостатками.
Так, сульфидные люминофоры обладают повышенной по сравнению с
другими люминофорами светоотдачей. Однако они весьма чувствитель-
ны к очень незначительному загрязнению посторонними веществами,
резко снижающие параметры люминофоров.
Силикатные люминофоры обладают химической и термической ус-
тойчивостью, а также устойчивостью к электронной бомбардировке.
204
г
Световая отдача этих люминофоров несколько ниже, чем сульфид-
ных.
Оксидные люминофоры обладают высокой устойчивостью к
электронной бомбардировке. Цвет свечения этого люминофора силь-
но зависит от характера его обработки.
Из всех классов люминофоров фторидные имеют наиболее длитель-
ное послесвечение. Их недостатком является низкая устойчивость к
электронной бомбардировке.
Активаторами являются медь, серебро, олово, марганец, ти-
тан и др. Их вводят в люминофор в чрезвычайно малой концентрации:
в количестве тысячных или десятитысячных долей грамма на каждый
грамм основного вещества. Количество и химический состав активато-
ра определяют основные параметры люминофора: световую отдачу,
цвет свечения, время послесвечения.
Плавни - легкоплавкие вещества (типа КС1, MgCl2), добавляемые
в шихту люминофора для уменьшения температуры сплавления ос-
новного вещества с активатором. После процесса кристаллизации лю-
минофора плавни должны быть удалены из него.
Химический состав люминофора обозначается следующим образом:
на первом месте записывают химическую формулу основного вещества,
а затем, после точки или двоеточия — активатор. Например, запись
ZnS • CdS : Ag означает, что люминофор представляет собой сульфид
цинка — кадмия, активированный серебром.
18.3.	ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЭКРАНОВ
Как указывалось выше, экраны черно-белых кинескопов должны
иметь белый цвет свечения. Для получения такого цвета применяется
двухкомпонентная смесь, состоящая из люминофора с голубым цветом
свечения (БЗ-С) и желтым свечением (БЗ-Ж). Спектральная характери-
стика излучения такого экрана приведена на рис. 18.2.
Проекционные кинескопы работают при высоких плотностях тока
пучка (на площади, занятой неподвижным пятном, выделяется мощ-
ность около 103 Вт/мм2). Поэтому к экранам, используемым в этих
трубках, предъявляются требования высокой устойчивости при бомбар-
дировке электронным пучком. В качестве желтого компонента белого
экрана проекционных трубок используется люминофор К-57
(Zn, Be)2SiO4 : Мп, а синей - люминофор К-58 (Са, Mg) (SiO3) :Ti.
В цветных кинескопах компонентами люминесцентного экрана яв-
ляются:
люминофор красного свечения на основе редкоземельных соеди-
нений — оксид иттрия, активированный европием (У2О3 : Ей)-, или
оксисульфид иттрия, активированный европием (Y2O2S : Ей);
люминофор зеленого свечения — сульфид цинка и кадмия, активи-
рованный медью (ZnSCdS : Си, Al);
205
Рис. 18.2. Спектральная характеристика двухкомпонентного экрана типа Б. Пунк-
тиром показаны спектральные характеристики составляющих люминофоров
люминофор синего свечения - сульфид цинка, активированный се-
ребром (ZnS : Ag).
Основные параметры промышленных люминофоров приведены в
табл. 18.1.
Одной из важных проблем совершенствования воспроизводящих
цветных устройств является улучшение таких параметров, как яр-
кость и контраст изображения. Последний зависит не только от яркости
свечения экрана, но и от интенсивности отражения окружающего све-
та. Для уменьшения отражательной способности экрана участки его,
не обладающие собственным излучением, покрывают черным светопо-
глощающим материалом — ’’черной матрицей”, например мелкодиспер-
сионным графитом.
Другим способом повышения контраста изображения является при-
менение пигментированных люминофоров (рис. 18.3). Пигментирование
заключается в покрытий зерен люминофора определенного цвета све-
чения прозрачным для него пигментом и поглощающим прочие цвета
видимого спектра внешней засветки. Подобное корректирование цвета
излучения люминофоров помимо увеличения контраста обеспечивает
Таблица 18.1. Химический состав и характеристики промышленных
люминофоров для цветных кинескопов
Промышленная марка	Химический состав	Цвет све- чения	Световая отдача, кд/Вт	Время по- слесвече- ния, с
КТЦ-450 (К-75)	ZnS : Ag	Синий	2	ю-2
КТЦ-540 (К-83)	ZnS, CdS : Cu, Al	Зеленый	15,0	ю"2
К77-2 (К-77)	Y2O3 : Eu	Красный	4,0	5 • 10“3
К-78	Y2O2S : Eu	н	4,0-4,4	5 • 10-3
Примечание. В скобках указаны первоначальные марки люминофоров.
206
г
Рис. 18.3. Пигментированный люминофор:
1 - пленка алюминия; 2 — люминофор,
смешанный с пигментом; 3 — стекло экрана
дополнительный прирост яркости изображения за счет возможности ис-
пользования экранных стекол с большим светопропусканием.
На практике применяют синий-КТЦ-450 (К-75) и красный-К-77-2
(К-77) люминофоры. Для пигментации синего люминофора исполь-
зуется окись кобальта, для красного — окись железа.
В радиолокационных и некоторых осциллографических трубках
используются люминофоры с длительным послесвечением. Для полу-
чения длительного послесвечения используют экраны, состоящие из двух
или более слоев (каскадные экраны).
Непосредственно на стекло колбы наносится первый слой — фотолю-
минофор, обладающий длительным послесвечением при фотовозбужде-
нии. На этот слой наносится второй — люминофор. Электронный луч,
попадая на катодолюминофор, возбуждает его. В свою очередь свече-
ние катодолюминофора возбуждает фотолюминофор, имеющий дли-
тельное послесвечение (несколько секунд).
В целях увеличения объема полезной информации, содержащейся на
экране, разработаны цветные индикаторные ЭЛТ. Экраны таких трубок
состоят из двух люминофоров, например красного и зеленого цветов
свечения. Зерна одного люминофора покрыты прозрачной проводя-
щей пленкой. Известны также экраны, где барьером для второго лю-
минофора является первый люминофор.
При относительно низком ускоряющем напряжении (6-7 кВ) воз-
буждается один люминофор (красный). При ускоряющих напряжениях
12—14 кВ электроны проникают сквозь барьерную пленку и возбуж-
дают свечение второго люминофора (зеленого). Выше были рассмот-
рены экраны, в которых электронный луч возбуждает люминесценцию.
В специальных ЭЛТ с записью информации темной строкой (скиатро-
нах) в качестве материала экрана используется кристаллический слой
щелочно-галоидных солей, например хлористый калий.
В трубке хлористый калий наносится на экран распылением в ва-
кууме. После распыления на подложке (дне баллона или слюдяной
пластине) образуется тонкая бесструктурная пленка, имеющая белый
цвет. При развертке электронного пучка по поверхности такого экрана
он оставляет на нем темно-лиловый след, сохраняющийся длительное
время. Обесцвечивание окраски хлористого калия производится путем
нагревания материала до температуры порядка 350 °C. Характеристики
некоторых люминофоров приведены в табл. 18.2.
207
§
V
X
V
S
х
&

X
ю
о
X
О
с.
СП
)
сч
сч
I
о
wo
О
00
I
1/0	О	1/0	ч£5	о
СП	СП	О	«Л	00
1Л	Tf	l/о	vo	<л
i«„
s a S
h&
е g 2
208
Контрольные вопросы и задания
1.	Какие вещества применяются в качестве люминесцирующих мате-
риалов для экранов ЭЛТ?
2.	От каких факторов зависит и чем ограничивается яркость свечения
экранов?
3.	Что такое предельный потенциал экрана? Назовите способы увели-
чения предельного потенциала.
4.	Почему заряд, приносимый электронами луча на неалюминиро-
ванный экран, не накапливается на нем?
5.	Что такое барьерные люминофоры? Назовите возможные области
их применения.
6.	В чем состоит смысл применения двух слоев люминофоров в кас-
кадных экранах с длительным послесвечением?
7.	Во что преобразуется энергия электронов, бомбардирующих экран?
Глава девятнадцатая
ПРИЕМНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
19.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИЕМНЫХ ЭЛТ
Как указывалось выше, приемные ЭЛТ служат для преобразования
электрических сигналов в видимое световое изображение. В зависимости
от эксплуатационных требований приемные ЭЛТ различают по способу
фокусировки луча (трубки с электростатической или магнитной фоку-
сировкой), по способу отклонения луча (трубки с электростатическим,
магнитным и комбинированным отклонением луча), по цвету свечения
экрана, а также по электрическим, светотехническим и конструктивным
параметрам.
Качество воспроизводимого изображения на экране приемной трубки
определяется рядом важных параметров: разрешающей способностью,
яркостью свечения экрана (см. § 18.1), контрастностью экрана, ско-
ростью записи.
Разрешающая способность — это способность ЭЛП передавать или
воспроизводить максимальное число мелких деталей изображения с
контрастом, достаточным для их раздельной регистрации или преобра-
зования.
Для кинескопов разрешающая способность выражается максималь-
ным количеством различимых глазом строк, укладывающихся на нор-
мальной высоте кадра, для осциллографических и индикаторных тру-
бок разрешающая способность обычно выражается шириной сфоку-
сированной линии в центре или на определенном расстоянии от центра.
Контрастность — отношение яркости наиболее светлых, возбужденных
до заданного уровня участков экрана ЭЛП к яркости его самых темных,
209
не возбужденных электронным пучком участков. Изображение считается


хорошим при контрасте, равном 40, и отличным, если контраст
вен 80—100.
Скорость записи — важный параметр осциллографических трубок,
определяется как наибольшая скорость перемещения электронного
пятна, при которой оно может быть зарегистрировано при определенных
условиях.
При исследовании однократных быстроизменяющихся импульсов
практически невозможно провести какие-либо измерения непосредствен-
но по изображению на экране. Поэтому при изучении таких процессов
с помощью широкополосных ЭЛТ основным способом получения и со-
хранения информации является фоторегистрация осциллограмм.
Для характеристики широкополосных ЭЛТ вводят параметр ’’скорость
фотозаписи”. Под последней понимают такую максимальную скорость
движения электронного пятна по экрану, при которой в нормальных
условиях фотографирования на фотоэмульсии определенной чувстви-
тельности достигается заданное почернение. Значение максимальной
скорости фотозаписи ЭЛТ определяется режимом питания ЭЛТ, энерге-
тической отдачей экрана, его активностью к фотоэмульсии и плотностью
тока в электронном пятне.
19.2.	ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЭЛТ
Осциллографической трубкой называется приемная ЭЛТ, предназна-
ченная для графического воспроизведения электрического сигнала.
В большинстве современных осциллографических трубок применяются
электростатическая фокусировка и электростатическое отклонение
электронного пучка.
Электронный прожектор таких трубок, как правило, строится по
двухлинзовой схеме (рис. 19.1). Вторая линза является линзой одиноч-
ного типа. Ускоряющий электрод объединен со вторым анодом, при
этом его потенциал становится больше потенциала первого анода, фоку-
сирующее действие иммерсионного объектива усиливается, радиус
кроссовера, а следовательно, размер пятна на экране трубки умень-
шается. Первый анод выполняется в виде диафрагмы с большим от-
верстием или в виде короткого цилиндра.
Напряжение второго анода, приблизительно равное 1—3 кВ для
различных трубок, обеспечивает достаточно высокую чувствительность.
Кроме того, питание всех электродов трубки можно осуществить через
общий цоколь, что представляет несомненные удобства при эксплуа-
тации.
Баллон трубки имеет ножку с выводами, горловину, коническую
часть и дно. Боковые стенки колбы изнутри покрывают проводящим
покрытием — аквадагом для улавливания вторичных электронов с экра-
на. На дно трубки наносится экран, размеры которого колеблются от 3
210
г
Рис. 19.1. Схема электронного прожектора ос-
циллографической трубки:
1 — катод; 2 - модулятор; 3 — ускоряю-
щий электрод; 4 - фокусирующий электрод;
5 - второй анод; 6 ~ вырезающие диафрагмы
до 31 см. Для обеспечения хорошей фокусировки по всему экрану
угол отклонения электронного луча выбирают не более 20°.
Если осциллографическая трубка используется для анализа формы
кривой напряжения, то исследуемое напряжение, например Uy =
= l/msinojf, подается на пластины вертикального отклонения У, а на
другую пару пластин X подается пилообразное напряжение развертки
(рис. 19.2). При этом электронный луч, отклоняясь по вертикали в соот-
ветствии с законом исследуемого напряжения, одновременно будет
перемещаться равномерно в горизонтальном направлении слева направо.
При равенстве периодов исследуемого напряжения Тс и развертки Тр
на экране получится один период исследуемого напряжения.
Трубки с послеускорением электронов. Как указывалось, определяю-
щим параметром осциллографических трубок является скорость запи-
си осциллограмм. В обычных осциллографических трубках увеличение
скорости перемещения электронного луча неизбежно сопровождается
уменьшением яркости из-за сокращения времени облучения лучом
участков экрана. Увеличение ускоряющего напряжения в целях повы-
шения яркости, как известно, снижает чувствительность трубки. Поэто-
му в современных осциллографических ЭЛТ с высокой скоростью за-
писи используется дополнительное ускорение (послеускорение) элект-
ронов после прохождения ими отклоняющих пластин. В этом случае
сохраняется высокая чувствительность и достигается требуемая яр-
кость при больших скоростях перемещения пятна (луча).
Электроды послеускорения выполняются в виде колец (анодов) из
проводящего покрытия, нанесенных на внутреннюю поверхность бал-
лона между пластинами горизонтального отклонения и экраном.
Для предотвращения пробоя в промежутках между кольцами после-
ускорения наносят высокоомное полупроводниковое покрытие (окись
хрома или окись железа). Это покрытие выравнивает распределение
потенциала вдоль стенки колбы. Схематическое устройство трубки
с одним электродом послеускорения (третьим анодом) приведено
на рис. 19.3, а. Следует отметить, что между проводящими покрытиями
второго и третьего анодов трубки образуется иммерсионная линза,
смещающая электронный луч к оси трубки и снижающая чувствитель-
ность отклонения. При отношении	равном 2—2,5, искажения,
вносимые линзой последующего ускорения, незначительны.
211
Рис. 19.2. Схемы подачи напряжений на отклоняющие пластины трубки (я) и фор-
мирования осциллограммы (б)
В отдельных ЭЛТ для увеличения яркости применяется несколько
ступеней послеускорения с последовательным увеличением напряжения,
которое может быть доведено до 25 кВ (рис. 19.3, б).
Более совершенными являются трубки, у которых на внутреннюю
поверхность колбы наносится высокоомный слой в виде спирали с ма-
лым шагом (рис. 19.3, в). Один конец спирали соединяется со вторым
анодом, а на другой — подают высокий потенциал послеускорения.
В такой системе при значительном увеличении яркости потери чувстви-
тельности значительно меньше, чем в конструкциях, описанных выше.
В современных трубках, сочетающих высокую яркость экрана с боль-
шой чувствительностью к отклонению, на выходе отклоняющей системы
перпендикулярно оси ЭОС устанавливается мелкоструктурная сетка
(рис. 19,3, г). Как правило, этой сетке сообщается потенциал второго
анода. Между сеткой и проводящим покрытием третьего анода обра-
зуется рассеивающая электростатическая линза, дополнительно от-
клоняющая электронный луч и увеличивающая результирующую чув-
ствительность трубки.
Трубки с радиальным отклонением применяются для исследования
явлений в полярных координатах. В трубках подобного типа применяет-
ся круговая развертка, длина которой превышает линейную. Для по-
лучения такой развертки на обе пары отклоняющих пластин подаются
синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 90 0.
Рассмотрим два варианта трубок с радиальной разверткой (рис. 19.4).
Принцип работы трубки (рис. 19.4, а) заключается в следующем.
Электронный прожектор формирует тонкий сфокусированный луч.
После прохождения отклоняющих пластин луч на экране описывает
212
Рис. 19.3. Схемы устройства систем послеускорения электронов в осциллографи-
ческих ЭЛТ:
а - с одной ступенью послеускорения; б - с несколькими ступенями послеус-
корения; в - со спиральным покрытием; г - с мелкоструктурной сеткой
окружность. Исследуемое напряжение подводится к металлическому
стрежню, впаянному в центр экрана. Между стержнем и проводящим
покрытием на стенках колбы образуется электрическое поле, откло-
няющее луч в радиальном направлении. Если изменить сигнал, под-
водимый к стержню, то диаметр круговой развертки изменится. В дру-
гом варианте трубки (рис. 19.4, б) за отклоняющими системами рас-
полагаются два усеченных соосных конуса. Отклоняющая система
перемещает луч по конической поверхности между конусами. Ис-
следуемый сигнал подводится к обкладкам конусов, смещая луч в
радиальном направлении.
Недостатком рассмотренных систем является нелинейная зависи-
мость радиального отклонения от отклоняющего напряжения из-за не-
однородности поля.
Многолучевые осциллографические ЭЛТ нашли применение для
наблюдения на одном экране двух или нескольких процессов одновре-
менно. В колбе таких трубок может быть помещено несколько ЭОС,
как правило, от двух до пяти. Конструкция многолучевых трубок
такова, что электроды ЭОС имеют самостоятельные выводы. Для
исключения взаимного влияния электродных систем между ними
устанавливаются экраны.
Осциллографирование СВЧ-процессов имеет свои особенности. В ос-
циллографических ЭЛТ, рассчитанных на работу в низкочастотном диа-
Проводящее
Рис. 19.4. Схемы устройства трубок с радиальным отклонением луча:
а - с центральным электродом; б - с коническими электродами
213
Рис. 19.5. Отклоняющая система с бегущей
волной
пазоне, применяются системы отклоне-
ния в виде пары пластин. Верхняя гранич-
ная частота таких трубок ограничива-
ется временем пролета электронов в от-
клоняющей системе, соизмеримым с дли-
тельностью исследуемого сигнала, резонансом напряжения в цепи от-
клоняющих пластин и отражениями электромагнитной волны сигнала
между пластинами и источником сигналов.
Частично расширить частотный диапазон можно за счет уменьшения
емкости отклоняющих пластин и индуктивностей их вводов. Для этого
увеличивают расстояние между пластинами, а их выводы делают не-
посредственно в стекло колбы наиболее кратчайшим путем. Эти меры
позволяют получить предельную частоту исследуемого сигнала до
150 МГц. Для регистрации более высоких частот применяются трубки,
сигнальные отклоняющие пластины которых выполнены в виде длин-
ной линии с сосредоточенными или распределенными постоянными
(емкостью, индуктивностью и сопротивлением).
Известно, Что в длинных линиях, имеющих в качестве нагрузки
сопротивление, равное волновому, сигнал распространяется в виде бе-
гущей волны и поглощается нагрузкой без отражения. Поэтому от-
клоняющие системы подобного типа называют также системами с бегу-
щей волной (рис. 19.5).
Например, трубка ЮЛ0Ю1М имеет отклоняющую систему с бегу-
щей волной. Чувствительность сигнальной отклоняющей системы
1—1,5 мм/В, последующее ускорение электронного луча в трубке обес-
печивается с помощью спирали, нанесенной на внутреннюю поверхность
широкой части колбы. Скорость записи однократного сигнала состав-
ляет при визуальном наблюдении 7500—15 000 км/с, а при фотогра-
фировании 500—1000 км/с. Трубка позволяет исследовать процессы с
частотой до 300 МГц.
В целях увеличения скорости записи При регистрации однократных
электрических сигналов в современных осциллографических ЭЛТ диапа-
зона СВЧ перед люминесцентным экраном устанавливают усилитель
тока луча трубки. Такой усилитель выполняется в виде микроканаль-
ных пластин (МКП), образованных совокупностью большого коли-
чества канальных электронных умножителей (см. рис. 14.6). Ско-
рость записи таких ЭЛТ достигает при фотографировании сотни тысяч
километров в секунду.
19.3.	ИНДИКАТОРНЫЕ ЭЛТ
Индикаторная трубка — приемная ЭЛТ, предназначенная для визуаль-
ного отображения на экране информации, поступающей в виде электри-
ческих сигналов, управляющих интенсивностью отклоняемых по опреде-
ленному закону электронных пучков.
В качестве индикаторных трубок в принципе могут быть использова-
ны обычные осциллографические трубки. Однако в радиолокационной
аппаратуре индикаторные трубки работают с яркостной модуляцией
пучка. В этих трубках используется круговая развертка луча. Помимо
такой развертки электронный луч перемещается от центра экрана в
радиальном направлении линейно во времени.
В отсутствие сигнала трубка заперта отрицательным напряжением
модулятора, изображение на экране отсутствует. Отраженный от цели
сигнал после усиления поступает на модулятор трубки, отпирает луч,
и на линии развертки появляется яркое светящееся пятно. Положение
пятна на экране определяет координаты цели: азимут и дальность.
Трубки, применяемые в радиолокационных индикаторах, должны
отвечать ряду требований: иметь высокую разрешающую способность,
большую яркость и высокую линейность отклонения. С учетом того,
что длительность отпирающего импульса мала, экран трубки должен
иметь длительное послесвечение для надежного определения координат
пятна на экране.
Прожекторы индикаторных радиолокационных трубок строят по
триодной или тетродной схеме (см. § 16.3).
Экраны индикаторных трубок имеют как круглую, так и прямоуголь-
ную форму. Диаметр рабочей части экрана составляет от 60 до 400 мм.
Необходимая длительность послесвечения обеспечивается применением
экранов с каскадным возбуждением (см. § 18.3).
К индикаторным трубкам прикладывается высокое анодное напря-
жение (5—25 кВ), которое способствует получению высокой разрешаю-
щей способности и достаточной яркости свечения пятна на экране. Пита-
ние последнего анода трубки осуществляется через внутреннее прово-
дящее покрытие и вывод на боковой поверхности баллона.
Для увеличения объема полезной информации, содержащейся на
экране, применяются трубки с цветным изображением. Наиболее пер-
спективным является использование в них экранов на основе барьер-
ных люминофоров (см. § 18.3). Изменение цвета свечения экрана до-
стигается коммутацией ускоряющего напряжения быстродействующим
(высоковольтным) переключателем. Наличие переключателя услож-
няет конструкцию аппаратуры, что ограничивает области применения
таких приборов.
В индикаторных ЭЛТ применяют также цветные экраны, которые
не имеют в своем составе барьерных слоев. Здесь используют специаль-
ные люминофоры с нелинейными характеристиками, позволяющими
215
Рис. 19.6. Схема устройства скиатрона:
1 - электронный прожектор; 2 - хлори-
стый калий; 3 - подложка экрана - слю-
дяная пластина; 4 - проводящая пленка
осуществить управление цветом свечения путем изменения плотности
тока пучка.
В качестве индикаторных трубок используются также трубки с
записью темной строкой — скиатроны. Один из вариантов скиатрона
схематически показан на рис. 19.6. В трубке, как правило, используется
магнитная фокусировка и магнитное отклонение луча. На слюдяную
пластинку нанесен скотофор (хлористый калий) толщиной 20—30 мкм.
Подложкой скотофора служит прозрачная проводящая пленка. Слюда
крепится к жесткой металлической раме.
Под действием электронной бомбардировки скс/тофор приобретает
темную окраску (темно-лиловый след). Интенсивность окраски зависит
от тока луча. Стирание записанной информации производится кратко-
временным прогревом скотофора путем пропускания тока через прово-
дящую пленку. При этом след электронного луча полностью исчезает
через несколько секунд. Рассмотренный вариант скиатрона (типа
16ЛМ1Г — с внутренним стиранием) может быть использован в основ-
ном для непосредственного наблюдения изображения на экране. Скиат-
роны типов 11ЛМ2Г, 11ЛМЗГ с наружным стирающим устройством
используются для проектирования изображения на внешний экран
(см. гл. 20). Время обесцвечивания экрана при помощи внешнего ис-
точника составляет более минуты.
Скиатроны обладают рядом достоинств — высокой разрешающей
способностью, длительным послесвечением (часы и сутки), значитель-
ным контрастом, который не снижается в присутствии внешнего осве-
щения.
19.4.	КИНЕСКОПЫ ЧЕРНО-БЕЛОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Кинескоп — приемная ЭЛТ, применяемая в промышленном и веща-
тельном телевидении для воспроизведения телевизионного изобра-
жения. Кинескоп (рис. 19.7) состоит из баллона (колбы), в котором
создается и поддерживается высокий вакуум с остаточным давлением
КГ3 —10“5 Па (10~5 — IO"7 мм рт. ст.). Внутри баллона размещены
электронный прожектор и люминесцирующее покрытие.
Современные кинескопы имеют прямоугольную форму экрана,
размер которого определяется его диагональю. Промышлен-
ность выпускает кинескопы размером до 67 см для стационарных
216
Рис. 19.7. Устройство черно-белого кинес-
копа:
1 - баллон; 2 - люминесцирующее пок-
рытие; 3 - электронный прожектор; 4 -
цоколь; 5 - отклоняющая система; 6 -
электронный луч; 7 - анодный вывод
телевизионных приемников и 11-
31 см — для переносных. Соотношение
сторон экрана принято равным 3 : 4
(как телевизионное изображение).
В последних конструкциях за счет
уменьшения радиуса спрямления углов
соотношение сторон экрана стало рав-
ным 4 : 5.
Дно колбы кинескопа изготовляют из толстого высокосортного стек-
ла для обеспечения высокой механической прочности, поскольку дав-
ление, действующее на экран больших кинескопов, около 10 кН и
более. Все современные крупногабаритные кинескопы снабжаются ме-
таллической рамой - бандажом. Бандаж стягивает экран по периметру
и нейтрализует растягивающее усилие, что устраняет опасность взрыва
кинескопа при повреждении. Создание взрывобезопасных кинескопов
позволило исключить защитное стекло, применявшееся ранее в телеви-
зионных приемниках. Эта мера уменьшила число отражающих поверх-
ностей между люминофором и зрителем, в результате чего яркость
и контраст изображения увеличиваются.
Использование для изготовления экрана дымчатого стекла, являю-
щегося нейтральным светофильтром, уменьшает яркость ореолов и
внешней засветки, что также повышает контрастность изображения.
Экраны современных кинескопов, как правило, алюминируют (см.
§ 18.1). Внутреннюю поверхность колбы покрывают проводящим
слоем — аквадагом, через который осуществляется контакт анодного
вывода с алюминиевой пленкой на экране и анодом прожектора.
В большинстве кинескопов применяются прожекторы с электроста-
тической фокусировкой (рис. 19.8). В отличие от конструкций, при-
веденных на рис. 16.3, б-г в прожекторе между ускоряющим электро-
дом и модулятором помещают дополнительный ускоряющий электрод
с невысоким потенциалом (200—600 В) относительно катода. В этом
прожекторе имеются три электростатические линзы. Катод, модулятор
и первый ускоряющий электрод образуют иммерсионный объектив Л2,
первый и второй ускоряющие электроды — иммерсионную линзу Л2,
второй ускоряющий электрод и аноды At и А2 — одиночную линзу Л3.
Иммерсионная линза уменьшает угол схождения электронного пучка
217
К П y3t 33t *	* л2
Рис. 19.8. Устройство прожектора кинескопа
перед входом его в главную линзу, что снижает аберрации этой линзы |
и в конечном счете улучшает фокусировку пучка на экране. Кроме ;
того, введение дополнительного ускоряющего электрода с промежуточ-
ным потенциалом позволяет легче обеспечить необходимую электри- j
ческую прочность трубки.	|
Для отклонения электронного луча в кинескопах применяются маг- 1
нитные отклоняющие системы, имеющие предельный угол отклонения *
луча 110°. Использование таких систем обеспечивает высокое качество i
изображения по всему полю экрана без заметных искажений и дефо- т
кусировки.
19.5.	КИНЕСКОПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В последние годы было предложено несколько вариантов конструк- |
ций цветных кинескопов. В настоящее время практическое применение j
нашли разновидности цветных кинескопов с цветоделительной (тене- ?
вой) маской: с дельтообразной ЭОС (оси трех прожекторов распола-
гаются в вершинах равностороннего треугольника) и мозаичным экра- '<
ном и с планарной ЭОС (оси прожекторов располагаются в горизон- j
тальной плоскости) и линейчатым экраном.	1
Кинескоп с теневой маской н точечным экраном. Упрощенный эскиз 1
кинескопа показан на рис. 19.9. В колбе кинескопа располагается ЭОС,
состоящая из трех прожекторов, цветоделительная (теневая) маска 5, '
люминесцирующий экран 6. Снаружи кинескопа на его горловине распо-
ложена общая отклоняющая система и органы электромагнитного ]
управления.	J
Люминесцирующий экран состоит из ряда групп (триад), каждая из j
которых содержит три точки люминофора - красного, синего и зеле- I
ного цвета. Такой экран наносится методом фотопечати на дно обо-
лочки кинескопа.	|
Перед экраном помещается цветоделительная маска. Она расположе- ]
на на расстоянии 8—12 мм от экрана и должна обеспечивать прохождение <
лучей только на свои точки люминофора. Принцип цветоделения пояс- ;
няется рис. 19.10. Теневая маска 2 представляет собой тонкий отфор-
218	j
г
Рис. 19.9. Масочная цветная ЦЭЛТ с наружными элементами управления:
1 - магнит синего луча; 2 - магнит чистоты цвета; 3 - система сведения;
4 - отклоняющая система; 5 - теневая маска; 6 — экран
Рис. 19.10. Цветоделение в кинескопе с апертурной маской:
1 - точечный (мозаичный) экран; 2 - апертурная маска; 3 - электронные
лучи
мованный стальной лист толщиной 0,15—0,2 мм, повторяющий сферу
экрана. В маске имеется большое число круглых отверстий, распре-
деленных с заданным шагом. Количество отверстий в маске равно чис-
лу триад на экране, т.е. примерно 500 тысяч.
Электронно-оптическая система состоит из трех электронных про-
жекторов с одинаковыми техническими характеристиками (рис. 19.11).
Оптическая схема прожектора такова: катод, модулятор, ускоряющий
электрод образуют иммерсионный объектив, фокусирующий электрод
и анод - главную фокусирующую линзу. За анодом расположен цилиндр
сводящей системы, являющийся общим для всех трех прожекторов,
в котором имеются полюсные наконечники из магнитной стали. Пары
полюсных наконечников экранированы друг от друга внутренним маг-
нитным экраном. Три прожектора монтируются на специальных оправ-
ках так, чтобы затем в горловине кинескопа их оси лежали в вершинах
равностороннего треугольника. По этой причине данная ЭОС получила
название дельтообразной. Оси симметрии прожекторов имеют по отно-
шению к общей оси трубки наклон 1° (с точностью не ниже 2').
При правильно выбранных геометрических соотношениях между
маской, экраном и ЭОС электронные лучи трех независимых прожекто-
ров при любом угле отклонения должны сходиться в каждом отвер-
стии маски. При дальнейшем расхождении каждый луч ЭОС должен
попасть на свою точку люминофора, т.е. точку, светящуюся своим цве-
том, и не должен попадать на соседние чужие точки (см. рис. 19.10).
219
Рис. 19.11. Электронно-оптическая система с дельтообразным расположением |
прожекторов:	1
1 - модулятор; 2 - ускоряющий электрод; 3 - фокусирующий электрод; ]
4 - анод; 5 - сводящая система; 6 - газопоглотитель; 7 - контактно-центровоч- 
ные пружины; 8 - ножка	‘
Таким образом, маска препятствует попаданию электронных лучей не
на свои люминофорные точки, т.е. осуществляет цветоделение.
Через одно отверстие маски возбуждается свечение трех люминофор-
ных точек разного цвета свечения - триад. Так как размер люмино-
220
форных триад чрезвычайно мал (рис. 19.10), на экране кинескопа
происходит пространственное сложение цветов. При подведении к моду-
ляторам прожекторов трех видеосигналов, управляющих соответствен-
но тремя развернутыми по растру лучами, на экране кинескопа будет
воспроизводиться независимо друг от друга три совмещенных изобра-
жения в основных цветах. Эти изображения при визуальном наблюдении
сливаются в одно суммарное цветовое изображение.
Следует отметить, что при работе кинескопа около 85% тока электрон-
ных пучков перехватывается маской, что приводит к ее нагреву, т.е.
потерям энергии. Во избежание изменения формы и положения маски
относительно экрана маска чернится, а также используется термоком-
пенсирующее устройство. Так как лишь 15% электронных лучей дости-
гает экрана, то необходимую яркость изображения на экране можно
получить при достаточно большом суммарном токе всех трех элект-
ронных лучей (около 1000 мкА) и высоком напряжении анодов
(до 25 кВ). Для увеличения яркости и контрастности изображения
экраны алюминируются.
Изготовить цветной кинескоп с абсолютной точностью расположения
прожекторов и маски относительно экрана практически невозможно.
Поэтому в трубке предусмотрена возможность дополнительной регу-
лировки электронных пучков с помощью органов электромагнитного
управления.
Система электромагнитного управления устанавливается снаружи на
горловине и включает в себя три пары магнитопроводов статического
и динамического сведения лучей (рис. 19.12). Сведение неотклонен-
ных лучей в центре экрана (статическое сведение) обеспечивается при-
ложением отдельно к каждому лучу постоянного отклоняющего маг-
нитного поля. Изменяя напряженность поля магнита, можно заставить
электронный пучок соответствующего прожектора отклоняться в ра-
диальном направлении. Для осуществления статического сведения еще
недостаточно отклонять лучи в радиальном направлении, необходимо
также иметь возможность смещать хотя бы один луч в направлении,
перпендикулярном радиальному. Для этой цели служит магнит кор-
рекции синего луча (рис. 19.12, б).
Совмещение трех лучей во время отклонения по всему полю маски
(динамическое сведение) обеспечивается специальными электромагни-
тами, конструкция которых поясняется рис. 19.12, а. Обмотки электро-
магнитов питаются токами параболической формы синхронно со строч-
ной и кадровой развертками. Переменные магнитные потоки электро-
магнитов замыкаются через внутренние полюсные наконечники, при
этом каждый из трех лучей будет независимо друг от друга перемещать-
ся в радиальном направлении.
Вследствие неточностей при сборке кинескопа, разброса параметров
отклоняющих систем, влияния внешних магнитных полей и других при-
чин электронные лучи, проникая через отверстия маски, могут возбуж-
221
Рис. 19.12. Системы статического и динамического сведения электронных лучей:
а - радиальное сведение; б - система поперечного сведения синего луча; 1 -
постоянные магниты статического сведения; 2 - электромагниты; 3 - кадровая
катушка сведения; 4 - строчная катушка сведения; 5 - полюсные наконечни-
ки; 6 - электронные лучи
дать свечение не только своих, но и чужих люминофорных точек. В этом
случае произойдет нарушение чистоты цвета, т.е. искажение цветопере-
дачи.
Для коррекции чистоты цвета подбирают оптимальное положение
отклоняющей системы путем ее перемещения вдоль оси горловины труб-
ки, а также испойьзуют магнит чистоты цвета (рис. 19.9, поз. 2). Послед-
ний состоит из двух намагниченных по диаметру колец, сложенных вмес-
те и надетых на горловину кинескопа. Магнитные кольца можно повора-
чивать вместе или независимо друг от друга вокруг оси трубки. Взаим-
ным расположением полюсов магнитов, а также их совместной ориента-
цией на горловине кинескопа изменяются как напряженность корректи-
рующего магнитного поля и его полярность, так и наклон магнитных си-
ловых линий. Таким образом можно добиться необходимой чистоты
цвета на каждом из трех цветных растров кинескопа.
Кинескоп со щелевой маской и планарной ЭОС. Рассмотренный выше
вариант цветного кинескопа с дельтообразным расположением прожек-
торов обеспечивает высокое качество цветного изображения. Однако в
то же время такой кинескоп имеет ряд недостатков:
невысокая прозрачность маски с круглыми отверстиями, ограничи-
вающая яркость свечения экрана;
сложность коррекции сходимости электронных пучков в центре экра-
на (статическое сведение) и обеспечение сходимости при развертке
пучков по всему экрану (динамическое сведение). Число органов регу-
лировки, необходимых для осуществления сходимости, достигает
12-15;	!
большая мощность, затрачиваемая на отклонение электронного луча;
сильное влияние магнитного поля Земли на чистоту цвета.
222
Г
Рис. 19.13. Кинескоп с планарной ЭОС и ще-
левой маской:
а - устройство кинескопа; б - цветоделе-
ние в кинескопе; 1 - линейчатый (штриховой)
экран; 2 - щелевидная маска; 3 - электрон-
ные лучи
Эти недостатки практически устранены в кинескопе с щелевой мас-
кой и планарной ЭОС (рис. 19.13, а). В таком кинескопе в качестве
цветоделительного элемента используется щелевидная теневая маска,
отверстия которой имеют сравнительно небольшую длину (19.13, б).
Электронные прожекторы располагаются в горловине кинескопа в од-
ной горизонтальной плоскости, перпендикулярной вертикально рас-
положенным щелям в маске. Экран кинескопа имеет линейчатую струк-
туру, состоящую из сплошных вертикальных люминофорных полос
зеленого (G), красного (R) и синего (В) цвета свечения, сгруппи-
рованных в триады. Принцип действия кинескопа с планарной ЭОС не
отличается от описанного кинескопа с дельтообразным расположением
прожекторов.
В кинескопах с планарной ЭОС при использовании специальных пре-
цизионных отклоняющих систем возможно автоматическое сведение
223
Рис. 19.14. Характер магнитного поля в кинескопах с самосведением:
а - типа ’’подушки”; б - типа ’’бочки”
электронных лучей по всему полю экрана без использования сложных
устройств динамического сведения, т.е. осуществление принципа так
называемого самосведения.
Суть самосведения заключается в том, что подбором формы откло-
няющих катушек и специальным расположением витков создается не-
равномерное отклоняющее поле с заданным астигматизмом. При этом
катушки горизонтального отклонения должны создавать магнитное
поле подушкообразной формы (рис. 19.14, а) для совмещения лучей
по горизонтали, а катушки вертикального отклонения — бочкообразной
(рис. 19.14, б) для совмещения по вертикали.
Надежность работы системы самосведения в значительной степени
зависит от точной ориентации трех электронных лучей в поле откло-
няющей системы. Поэтому в кинескопах с самосведением применяют-
ся прецизионные ЭОС с единой системой электродов для трех лучей.
В таких ЭОС раздельными являются только катоды, а все остальные
электроды — общими. Наиболее широко применяют ЭОС коробчатого и
пакетного типа (рис. 19.15).
Система из кинескопа, отклоняющей системы и блока магнитоста-
тического устройства (МСУ), включающего в себя систему статиче-
ского сведения и чистоты цвета, образует интегрированный комплекс.
На заводе, изготовляющем этот комплекс, производится тщательная
юстировка отклоняющей системы на кинескопе. Для этой цели она пере-
мещается по направляющим стойкам и закрепляется винтовыми зажи-
мами в положении, при котором достигается оптимальное сведение
электронных лучей и наилучшая чистота цвета. После этого отклоняю-
щая система приклеивается к кинескопу. Такой комплекс в собранном
и настроенном виде может поставляться заводу—изготовителю телеви-
зионных приемников.
Рассмотренные кинескопы имеют определенные преимущества перед
кинескопами с апертурной маской: повышенную на 15-20% яркость
изображения, хорошую чистоту цвета в основных цветах и в белом, бо-
лее высокую стойкость к воздействию внешних магнитных полей, от-
сутствие системы динамического сведения лучей, что позволяет отка-
224
коробчатого (а) н пакетного (б) типов;
1 - катод; 2 - модулятор; 3 - уско-
ряющий электрод; 5 - второй анод;
6 - контактные пружины
заться от большого числа органов регулировки. Но в то же время увели-
чиваются затраты труда и возникает ряд достаточно сложных техниче-
ских проблем у изготовителей кинескопов и отклоняющих систем.
Кинескопы с повышенной разрешающей способностью. Современные
кинескопы повышенной четкости (1000—1200 линий) используют мас-
ку с круглыми отверстиями при дельтообразном или планарном рас-
положении прожекторов. Особенностью таких цветных ЭЛТ по срав-
нению с трубками, используемыми для телевизионных приемников,
являются:
применение теневой маски малой толщины (0,1—0,15 вместо
0,15—0,2) с уменьшенным шагом отверстий (0,2—0,45 вместо обыч-
ного 0,6);
наличие антибликовых покрытий экрана цветной ЭЛТ;
применение ЭОС с многоступенчатой фокусировкой и специальных
прецизионных отклоняющих систем с уменьшенным остаточным несве-
дением электронных лучей.
8-63S3
225
Основные размеры диагонали экрана цветной ЭЛТ с высокой разре-
шающей способностью: 32, 37, 42, 51 см. Кинескопы с повышенной
четкостью предназначены для работы в дисплейных устройствах с вы-
водом буквенно-цифровой, графической и полутоновой информации.
Следует отметить, что разработка цветных кинескопов повышенной чет-
кости актуальна не только для дисплеев, но и для перспективных си-
стем цветного телевидения.
Контрольные вопросы и задания
1.	В чем состоит смысл послеускорения в осциллографических ЭЛТ?
2.	Почему в индикаторных ЭЛТ применяются экраны с каскадным
возбуждением? Каким способом создается радиальная развертка луча
в этих трубах?
3.	Назовите основные особенности индикаторной трубки с записью
темной строкой. Каковы достоинства этой трубки?
4.	В чем заключается принцип совместимости черно-белого и цвет-
ного телевидения?
5.	Как устроен кинескоп с теневой маской и точечным экраном?
Назовите основные недостатки этого кинескопа.
6.	Какие функции выполняет система электромагнитного управле-
ния, устанавливаемая снаружи на горловине кинескопа?
7.	В чем отличие цветного кинескопа с планарной ЭОС от кинескопа с
дельтообразной ЭОС. В чем суть самосведения?
8.	Назовите основные типы современных цветных кинескопов. Како-
вы достоинства и недостатки каждого типа?
Глава двадцатая
ПРОЕКЦИОННЫЕ ЭЛТ И СИСТЕМЫ
Телевизионные устройства отображения информации на больших
экранах получают в последние годы широкое распространение. Это
связано как с определенными достижениями в совершенствовании
воспроизводящих устройств, так и с расширением круга задач, для реше-
ния которых они необходимы. В настоящее время телевизионные уста-
новки с большим экраном используются в центрах управления кос-
мическими полетами, в медицине, для демонстрации хирургических
операций, в учебных заведениях, в телевизионном вещании, для про-
ведения массовых зрелищных мероприятий, в различного рода АСУ,
диспетчерских, информационных и других комплексах.
Для получения телевизионных изображений на большом экране
используются устройства с проекционными кинескопами, простран-
ственными модуляторами света (светоклапанными устройствами) й*
системы с применением лазерного луча.
226
Рис. 20.1. Электронный прожектор магнитной (<z) и электростатической (6) фоку-
сировки (К - катод; М - модулятор; ИГ - искрогаситель; А - анод; А1 - пер-
вый, А2н - второй нижний, А2в - второй верхний аноды)
Катодолюминесцентные кинескопы применяются для создания черно-
белого и цветного изображения на экране средних размеров (площадью
1-2 м2) и в системе бегущего луча. Для получения хорошего изображе-
ния на экране яркость свечения экрана трубки с учетом потерь света
в оптической системе и ослабления яркости за счет увеличения отно-
шения площадей изображения на проекционном экране и экране кине-
скопа должна в сотни раз превышать яркость кинескопа для непосред-
ственного наблюдения. Большая яркость создается за счет применения
люминофоров с возможно большим коэффициентом светоотдачи,
алюминирования экрана и, главное, повышения значений рабочих токов
и анодных напряжений (до 25—80 кВ). Проекционные кинескопы имеют
прямоугольные или круглые экраны с диагональю (или диаметром)
6-18 см. Для уменьшения искажений при проекции на большой экран
экраны таких кинескопов изготовляются из высокооднородного опти-
ческого стекла. Фокусировка электронного луча может быть как
электростатической, так и магнитной, но отклонение луча всегда маг-
нитное.
Схемы электронных прожекторов магнитной и электростатической
фокусировки приведены на рис. 20.1. Для уменьшения вероятности
возникновения пробоев и искрений в конструкцию прожекторов введен
заземленный электрод—искрогаситель (ИГ).
Для обеспечения высокой разрешающей способности у большинства
проекционных кинескопов вторая линза прожектора магнитная.
Применяемые в трубке высокие рабочие напряжения определяют осо-
бенности ее конструкции. Электроды ЭОС делают полированными, с
закругленными краями, чтобы исключить возможность пробоя или
возникновения короны. Анодный вывод окружен конусообразным
изолятором для увеличения пути утечки между анодом и внешним по-
крытием из аквадага.
227
Рис. 20.2. Лазерный проекционный кинескоп (квантоскоп) :
1 - полупроводниковая пластина; 2 - подложка из сапфира; 3
холодильник; 4 - отражательный экран
крио статный

Ддя защиты от рентгеновского излучения, возникающего при бом-
бардировке электронным лучом люминофора, кинескоп заключают в
металлический экран, а переднее стекло изготовляют с добавкой окиси
свинца или стронция. Следует отметить, что в таких трубках при напря-
жениях на аноде выше 60 кВ на экране выделяется значительная мощ-
ность, поэтому в рабочих условиях используют принудительное охлаж-
дение экрана.
Для получения на экране цветных изображений, как правило, исполь-
зуют способ оптического совмещения изображений, проектируемых
с экранов трех монохромных кинескопов, каждый из которых соответ-
ствует только одному цвету (красному, синему и зеленому).
Лазерные кинескопы (квантоскопы). По принципу формирования
телевизионных изображений на внешнем экране телепроекторы с кван-
тоскопами во многом аналогичны телевизионным устройствам с проек-
ционными кинескопами. Основное отличие заключается в самом харак-
тере генерируемых полупроводниковым лазерным экраном световых из-
лучений. По сравнению с проекционными кинескопами эти излучения
когерентны по длине волны (ширина спектральной линии приблизи-
тельно 10 нм), расходимость излучения лежит в пределах 0,1 ср, что
обеспечивает существенное упрощение и снижение стоимости приме-
няемой оптики.
По принципу построения телепроекторы с квантоскопами можно раз-
делить на две группы: с растровым излучающим экраном и одностроч-
ным излучающим экраном. Принцип построения первых аналогичен
устройствам с проекционными кинескопами. Один из вариантов кван-
тоскопа представлен на рис. 20.2.
Основным элементом квантоскопа является лазерный экран, изго-
товляемый из полупроводниковой пластины с плоскопараллельными
гранями толщиной 30—50 мкм. На обе поверхности пластины нанесены
отражающие покрытия — зеркала оптического резонатора. Со сто-
роны прожектора обычно находится непрозрачное зеркало, а с противо-

положной стороны — полупрозначное. Полупроводниковая пластина
228
приклеивается к сапфировой подложке, края которой припаяны к
криостату с жидким азотом.
Изображение формируется при сканировании поверхности лазерного
экрана электронным лучом и генерации последним излучения света.
Средняя яркость лазерного экрана составляет 108 кд/м2, чтр на три
порядка превышает яркость люминофорных экранов проекционных
кинескопов.
Особенностями телепроекторов на основе квантоскопов являются
необходимость эффективного отвода тепла от экрана и применение
специальных мер защиты от воздействия рентгеновского излучения,
обусловленного использованием высоковольтных источников пита-
ния (до 75 кВ). Положительным качеством телепроекторов с кванто-
скопами является возможность получения изображения с более высо-
кой, чем у других устройств, четкостью и контрастностью.
Проекционные устройства на основе квантоскопов с однострочным
лазерным экраном весьма перспективны для создания на их основе
цветных проекционных устройств. Экран такого квантоскопа содер-
жит три полупроводниковых кристалла с излучениями красного, зеле-
ного и синего цвета. Из-за небольших размеров кристаллов и рас-
стояний между ними суммарный световой поток представляет собой
излучение единой цветной строки. В таких устройствах строки теле-
визионного изображения на выходе экрана квантоскопа совмещены в
пространстве и излучаются последовательно во времени. Необходимость
применения оптико-механической развертки является недостатком
подобных проекционных систем.
Большая импульсная яркость, спектральная чистота, малая расходи-
мость генерируемых лазерным экраном световых потоков, высокая
четкость и контрастность, а также малое послесвечение таких экранов
обеспечивают целесообразность использования квантоскопов в пере-
датчиках ’’бегущего луча” для телекинопроекционной аппаратуры,
систем оптического ввода и вывода информации в вычислительной
технике, создания объемных и стереоскопических телевизионных
устройств.
Светоклапанные устройства. Подобные устройства работают на прин-
ципе управления световым потоком средой, меняющей свои оптические
свойства под воздействием приложенного электрического поля.
В настоящее время предложено и в технике частично используется
много светоклапанных устройств на различных физических явлениях:
поглощении, дифракции, рассеянии и поляризации световых потоков.
В качестве примера светоклапанных ЭЛТ могут служить скиатроны
(11ЛМЗГ и 16ЛМ4Г), в которых модуляция светового потока осуще-
ствляется за счет поглощения фотонов. Несмотря на ряд трудностей,
возникающих при эксплуатации этих приборов (длительное время
стирания информации - от единиц до десятков и сотен секунд, малый
срок службы - 100 ч и др.), они нашли достаточно широкое применение
229
Рис. 20. 3. Светоклапанная
система ’’Аристон”:
1 - светомодулирующая
среда; 2 - сферическое
зеркало; 3 - электронный
прожектор; 4 - электрон-
ный луч; 5 — отклоняющая
система; 6 - ЭЛТ; 7 - си-
стема зеркальных полосок;
8 - зеркальный отражатель;
9 - дуговая лампа; 10 -
конденсор; 11 - экран;
12 - проекционный объек-
тив
как для проекции изображения на внешний экран площадью около
1 м2 (11ЛМЗГ), так и для длительного хранения информации (16ЛМ4Г).
Устройство и принцип работы скиатрона рассмотрены в § 19.3.
Весьма перспективным является светоклапанное устройство с твер-
дотельными электрооптическими кристаллами, проявляющими эффект
Поккельса, который заключается, в изменении плоскости поляризации
света, проходящего сквозь кристаллы, на поверхности которых обра-
зуются заряды в результате воздействия электронного пучка.
Далее мы ограничимся рассмотрением телевизионных светоклапан-
ных устройств с жидкими средами, которые используются в серийно
выпускаемых телевизионных проекторах.
Упрощенная схема проекционной телевизионной системы ’’Аристон”,
в которой модуляция светового потока осуществляется посредством
деформации поверхности масляной пленки, представлена на рис. 20.3.
Тонкий слой светомодулирующей среды (масляной пленки) нанесен
на поверхность сферического зеркала. Под углом 45° к оси трубки
на расстоянии, равном радиусу кривизны сферического зеркала, рас-
положен растр, состоящий из системы зеркальных полосок. Этот растр
совместно со сферическим зеркалом и слоем масляной пленки является
световым клапаном. Чтобы световой поток, отраженный от зеркала,
не попадал на экран, растр должен быть определенным образом ориенти-
рован относительно поверхности зеркала.
Если поверхность слоя абсолютно гладкая, недеформированная, то
она не оказывает заметного воздействия на оптические условия отраже-
ния световых лучей. В противном случае (при деформированной плен-
ке) лучи света, отраженные от сферической поверхности зеркала, от-
230
клоняются от первоначального положения и проходят через промежут-
ки зеркальных полосок к экрану.
При бомбардировке развертывающим модулированным электрон-
ным лучом на поверхности масляной пленки образуются электричес-
кие заряды. Возникающие при этом электростатические силы деформи-
руют пленку масла. Каждому элементу изображения соответствует
определенная глубина деформации масляной пленки. Созданный элект-
ронным лучом рельеф деформаций (потенциальный рельеф) модули-
рует световой поток, образуя на экране изображение.
К достоинствам описанной установки следует отнести возможность
воспроизведения как черно-белых, так и цветных изображений на
экране размером 100 м2 при яркости 20 кд/м2 с высокой четкостью и
контрастностью.
Существенными недостатками являются большие габаритные разме-
ры, масса, высокая стоимость, сложность эксплуатации, обусловлен-
ная непрерывной откачкой ЭЛТ, системой охлаждения зеркала и други-
ми трудностями, связанными с компенсацией потерь масла в трубке,
созданием равномерного слоя его на сферическом зеркале и т.д.
Контрольные вопросы и задания
1.	Расскажите об особенностях конструкции катодолюминесцент-
ного проекционного кинескопа.
2.	Объясните, почему в катодолюминесцентных проекционных кине-
скопах используется повышенное анодное напряжение, достигающее
60-80 кВ.
3.	Какие способы фокусировки и отклонения луча обычно исполь-
зуются в проекционных кинескопах?
4.	В чем состоит отличие квантоскопа от катодолюминесцентного
проекционного кинескопа?
5.	Как устроен лазерный экран квантоскопа?
6.	В чем состоит принцип действия светоклапанного устройства?
7.	Назовите достоинства и недостатки телевизионных светоклапанных
систем.
8.	Назовите области использования телевизионной аппаратуры с боль-
шим экраном.
Глава двадцать первая
ЗАПОМИНАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
21.1.	НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ЦИКЛЫ РАБОТЫ
Запоминающими трубками, или пэтенциалоскопами, называются
ЭЛТ, предназначенные для запоминания информации, поступающей в
виде электрических сигналов, хранения ее в течение определенного вре-
231
мени и воспроизведения в виде электрического сигнала, оптического
(видимого) изображения или того и другого одновременно.
Современные запоминающие ЭЛТ способны выполнять в радиоэлект*
ронной аппаратуре самые различные функции. В радиолокации, на-
пример, с их помощью удается отделить неподвижные цели от движу-
щихся объектов. Н специальных осциллографах запоминающие трубки
позволяют длительное время воспроизводить изображение однократно
записанного электрического сигнала. В телевидении с помощью запо-
минающих трубок удается преобразовать телевизионное изображение
с одним стандартом разложения (числом кадров и строк) в изображение
с другим стандартом разложения. Запоминающие трубки, как элемен-
ты памяти, находят широкое применение в вычислительной технике,
устройствах автоматики, телемеханики и других областях.
В работе запоминающих трубок условно можно выделить следующие
циклы: подготовка к записи, запись информации, хранение записанной
информации, считывание (воспроизведение) информации, стирание
записанной информации.
Основным элементом запоминающих ЭЛТ является диэлектрическая
мишень, называемая также потенциалоносителем. На первом этапе
работы запоминающей трубки последовательность входных электри-
ческих сигналов с помощью электронного луча преобразуется в рас-
пределение электрических зарядов на поверхности мишени —
потенциальный рельеф. В зависимости от назначения трубки, режима
ее работы, а также свойств диэлектрической мишени эти заряды могут
сохраняться в течение определенного времени, которое может изме-
няться в широких пределах: от долей секунды до нескольких суток.
На следующем этапе работы электрические заряды (потенциальный
рельеф) преобразуются в выходные сигналы, с достаточной точно-
стью воспроизводящие записанную информацию.
21.2.	ПОВЕДЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ
Диэлектрическая мишень—потенциалоноситель является элементом,
на котором происходят основные, характерные для запоминающих тру-
бок преобразования информации: преобразование входных электри-
ческих сигналов в электрические заряды — потенциальный рельеф,
преобразование электрических зарядов в выходной сигнал. Эти преоб-
разования осуществляются посредством пучка электронов, бомбарди-
рующих поверхность диэлектрической мишени.
Рассмотрим простейшую схему (рис. 21.1), состоящую из электрон-
ного прожектора 1, формирующего узкий сфокусированный пучок
электронов, бомбардирующих некоторый участок (элемент) изолиро-
ванной диэлектрической мишени 3. Устройство содержит также кол-'
лектор 2, служащий для отбора вторичных электронов с мишени.
232
Рис. 21.1. Схема исследования
вторично-эмиссионных свойств
изолированной диэлектриче-
ской мишени
Энергия первичных электронов при подходе к диэлектрической ми-
шени зависит только от разности потенциалов конечного и начального
электродов на пути электронного пучка независимо от какого-либо
ускорения или торможения пучка между этими электродами. В приме-
нении к рассматриваемой схеме (рис. 21.1) начальным электродом яв-
ляется катод прожектора 1, служащий источником первичного пучка
электронов, а конечным — поверхность диэлектрической мишени 3.
Поэтому энергия электронов, бомбардирующих поверхность мише-
ни, будет равна:
mev2/2= e(UM - UK),
где v - скорость электрона при подходе к мишени; UM — потенциал
мишени; UK — потенциал катода прожектора.
Если считать потенциал катода равным нулю, то
mev2/2=eUM.	(21.1)
Основным процессом, определяющим работу запоминающей ЭЛТ,
является вторичная электронная эмиссия с элемента поверхности ди-
электрической мишени при облучении этого элемента пучком пер-
вичных электронов. Вторичные электроны, выбитые с поверхности
мишени, могут попасть на коллектор 2 или возвратиться на мишень.
Возвращение вторичных электронов на мишень в подавляющем боль-
шинстве случаев является нежелательным, фактором, так как проис-
ходит паразитный ’’засев” элементов мишени, проявляющийся в виде
шума на выходе запоминающей ЭЛТ или потери записанной инфор-
мации.
Типичная для диэлектриков зависимость коэффициента вторичной
эмиссии о от энергии первичных электронов или, в соответствии с ра-
венством (21.1), от потенциала облучаемого элемента поверхности
мишени UM, кратко рассмотренная в § 18.2, представлена на рис. 21.2.
С ростом потенциала мишени коэффициент вторичной эмиссии внача-
ле возрастает, достигает своего максимального значения отах (для
применяемых в этих случаях диэлектрических материалов, как прави-
233
ПО, Отах > 1), а затем начинает уменьшаться. В связи с этим на кри-
вой о = f(UM~) имеются точки А п В, для которых о = 1. Потенциалы,
соответствующие этим точкам, носят название первого критического
икр1 и второго критического UKp2 потенциалов. Весь диапазон изме-
нения потенциалов мишени можно разбить на три области (рис. 21.2).
В области I Q < UM < UKpi, в области II UKpi < UM < UKp2, в об-
ласти III UM > t/KP2- Если запоминающая трубка работает при по-
тенциалах мишени, соответствующих области I, то такой режим ра-
боты носит название режима медленных электронов, а при потенциа-
лах, соответствующих областям II, III,	— режима быстрых
электронов. Следует отметить, что режим работы прибора, соответствую-
щий области III, является не характерным — запоминающие трубки,
как правило, в этом режиме не работают.
Электроны первичного пучка, попадая на мишень, вносят на нее от-
рицательный электрический заряд ~-Ixt, где t — время облуче-
ния элемента мишени первичным электронным пучком, а знак минус
в этом выражении означает появление отрицательного заряда на ми-
шени. В то же время выбиваемые вторичные электроны уносят с по-
верхности мишени отрицательный электрический заряд, заряжая ее
положительно на заряд q2 = I2t. Суммарное изменение заряда на об-
лучаемом элементе мишени
Д<7= qi + q2 - (/2 ~ Л) t.
Так как 12 = о!х, то
Д<7 = ЛГ(а-1).	(21.2)
Изменение заряда облучаемого участка мишени приводит к изменению
ее потенциала:
Д(7 = bq/C =ht(o- 1)/С,	(21.3)
где С — емкость участка мишени относительно всех других электро-
дов рассматриваемой схемы.
Анайиз (21.3) показывает, что знак изменения потенциала зависит
от значения коэффициента вторичной эмиссии. Действительно, если
234
о < 1, то на мишень приходит больше первичных электронов, чем ухо-
дит от нее вторичных, вследствие чего на мишени накапливается отри-
цательный электрический заряд, что ведет к уменьшению ее потенциала,
т. е. Д(7 < 0. Если о > 1, то, наоборот, количество вторичных электронов
больше первичных, мишень получает положительный электрический
заряд и ее потенциал при облучении увеличивается, т. е. ДС/> 0. (Здесь
следует учитывать, что значение о зависит от потенциала мишени, т. е.
изменяется при облучении.)
На кривой о = f (t/M), в точках А нВ а = 1. Из (21.3) следует, что
если потенциал поверхности мишени перед облучением был равен Z7Kp j
или С/Кр2, то облучение мишени первичным электронным пучком не
вызывает изменения заряда ее поверхности, так как число первичных
электронов равно числу вторичных. Поэтому для этих точек ДС/ = 0,
т. е. потенциал мишени не изменяется.
Для области I (рис. 21.2) в соответствии с (21.3) потенциал облу-
чаемого элемента будет уменьшаться (так как ДС/ < 0). При достаточ-
но большом значении произведения I xt потенциал облучаемого элемен-
та сравняется с потенциалом катода и первичные электроны, не дости-
гая мишени, будут уходить на коллектор или на другие электроды си-
стемы, потенциал которых выше потенциала катода.
Таким образом, в режиме медленных электронов потенциал облучае-
мого элемента диэлектрической мишени уменьшается, а при достаточ-
ном значении произведения Ixt становится близким к потенциалу ка-
тода и далее не изменяется. Из-за наличия начальных скоростей электро-
нов, испускаемых катодом, конечный потенциал мишени будет на 0,2—
0,5 В ниже потенциала катода.
Для области II на облучаемом элементе мишени будет накапливать-
ся положительный заряд, а потенциал этого элемента будет увеличивать-
ся, так как в соответствии с (21.3) ДС/> 0. Покажем, что при значи-
тельном значении произведения I\t потенциал облучаемого элемента
мишени сравняется с вторым критическим потенциалом С/кр2. Для
этого рассмотрим процессы, характерные для области III. В этой
области UM > С1кр2, а а < 1, поэтому потенциал облучаемого элемен-
та будет уменьшаться до тех пор, пока не сравняется со вторым крити-
ческим потенциалом и дальнейшее уменьшение потенциала облучаемого
элемента будет невозможно. В противном случае произошел бы пере-
ход в область II, в которой потенциал облучаемого элемента, как было
сказано выше, должен увеличиваться, сдвигаясь в сторону UKp2, при-
чем при достижении этого потенциала зарядка облучаемого элемента
должна прекратиться, так как произойдет переход уже в область III, в
которой изменение потенциала направлено в противоположную сто-
рону, и т. д.
Таким образом, в режиме быстрых электронов (области II и III на
рис. 21.2) потенциал облучаемого элемента мишени сдвигается в сторо-
ну второго критического потенциала С/Кр2, в области II потенциал
235
увеличивается, а в области III уменьшается. При достаточно большом
значении произведения I\t потенциал облучаемого элемента мишени
устанавливается равным второму критическому потенциалу С7кр2 и ос-
тается таковым при продолжении воздействия первичного пучка элект-
ронов.
Из сказанного следует, что точка В на кривой o=f (С7М) (рис. 21.2)
является точкой устойчивого равновесия. Действительно, любое неболь-
шое отклонение потенциала облучаемого элемента мишени от значения
i/Kp2, соответствующего точке В, в сторону уменьшения или увеличе-
ния ведет к тому, что первичный электронный пучок восстанавливает
потенциал элемента мишени до значения UKp2, т. е. поддерживает потен-
циал мишени на этом уровне.
Точка А на кривой о =/(^м) является точкой неустойчивого рав-
новесия. Любое случайное небольшое отклонение потенциала облучае-
мого элемента мишени от значения J7Kpl, соответствующего точке А,
ведет к тому, что первичный электронный пучок увеличивает степень
случайного отклонения, еще дальше смещая потенциал мишени от зна-
чения (/Kpi в сторону первичного отклонения.
Нулевое значение потенциала мишени является полуустойчивым,
так как потенциал мишени возвращается к этому значению только при
отклонениях в положительную сторону.
Анализ процессов, происходящих на облучаемом первичным элект-
ронным пучком элементе мишени, проводился без учета потенциала
коллектора 2 вторичных электронов (см. рис. 21.1). Если потенциал
мишени ниже потенциала коллектора, поле для вторичных электронов
является ускоряющим и все вторичные электроны уходят на коллек-
тор. При равных потенциалах коллектора и мишени практически все
вторичные электроны также достигнут коллектора за счет собственных
начальных скоростей, соответствующих энергиям 5—15 эВ. Если потен-
циал мишени будет на 5—15 В выше, чем потенциал коллектора, поле
для вторичных электронов становится тормозящим, медленные вто-
ричные электроны не смогут преодолеть разности потенциалов между
мишенью и коллектором и вернутся на поверхность мишени, т. е. при
некотором потенциале мишени электроны практически не будут по-
падать на коллектор.
Отношение тока электронов, уходящих на коллектор 1КОЛ, к току
первичного пучка Ц, называется эффективным коэффициентом вто-
ричной эмиссии
®эф ~ U/A •
Зависимость аэф = /(^м) представлена на рис. 21.3. Штриховой ли-
нией для сравнения показана зависимость о = f (UM). На этом рисунке
потенциал, соответствующий точке В*, называется равновесным потен-
циалом i/р. Значение равновесного потенциала, как было указано вы-
236
Рис. 21.3. Зависимость эф-
фективного коэффициента
вторичной эмиссии ди-
электрической мишени от
потенциала мишени
ше, на 5-15 В превышает потенциал коллектора. Очевидно, точка В1
является точкой устойчивого равновесия. Точка С соответствует потен-
циалу мишени, при котором все вторичные электроны остаются на ней.
При очень малых энергиях первичных электронов часть из них отража-
ется от мишени и вместе с вторичными электронами уходит на кол-
лектор.
21.3.	СПОСОБЫ ЗАПИСИ И СЧИТЫВАНИЯ
ПОТЕНЦИАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА
Образование потенциального рельефа (распределения зарядов) на
поверхности диэлектрической мишени возможно лишь в том случае,
если потенциал всех элементов поверхности мишени будет иметь оди-
наковое вполне определенное значение.
Покажем, каким образом можно задать первоначальный потен-
циал элементов поверхности мишени, т. е. подготовить мишень к за-
писи потенциального рельефа.
В большинстве случаев мишень представляет собой пластину из
диэлектрика 2, с тыльной стороны которой нанесено проводящее покры-
тие 3, называемое сигнальной пластиной (рис. 21.4). Эквивалентная
схема такой системы представляет собой некоторую емкость С между
сигнальной пластиной и поверхностью мишени 1, которая ни с чем не
соединена. (Последовательно с емкостью С включена емкость С', пред-
ставляющая собой емкость поверхность диэлектрика — прочие электро-
ды прибора, которую можно не учитывать, так как С С.)
Если потенциал на одной из обкладок емкости С (на сигнальной пла-
стине) изменить на Uc>a, то потенциал на второй обкладке емкости С
(на поверхности мишени 7) изменится на то же значение. Такое изме-
нение потенциала поверхности мишени является одним из способов
задания первоначального потенциала мишени перед записью.
Значения начального потенциала могут быть разными для различ-
ных элементов мишени, так как они определяются режимом работы
прибора на предыдущих этапах. В этом случае мишень также должна
быть подготовлена к циклу записи потенциального рельефа, т. е. потен-
циал всех элементов ее поверхности должен быть одинаковым и иметь
вполне определенное значение. Очевидно, простым изменением по-
237
Рис. 21.4. Диэлектрическая мишень с сигнальной
пластиной и их эквивалентная схема
тенциала сигнальной пластины, как это было описано выше, добиться
выравнивания потенциалов на поверхности диэлектрика невозможно.
Выше было показано, что если произведение lit достаточно велико,
то при облучении первичным пучком каждого элемента мишени по-
тенциал этого элемента устанавливается приблизительно равным по-
тенциалу катода UK при работе в режиме медленных электронов, либо
приблизительно равным потенциалу коллектора икол при работе в
режиме быстрых электронов. Этим обстоятельством и пользуются для
задания первоначального, одинакового для всех элементов потенциала
мишени.
Рассмотрим некоторые способы записи и считывания потенциального
рельефа.
Равновесная запись. Пусть ток Ц первичного записывающего элект-
ронного пучка постоянен, и этот пучок перемещается по поверхности
мишени по некоторой трассе записи, например растру или спирали.
Если первоначальный потенциал поверхности мишени соответствует
режиму быстрых электронов, т. е. заключен в пределах UKp j < UM <
< Ц<р2> а во время записи на коллектор подано переменное напряжение
записываемого сигнала, то при достаточно большом значении произве-
дения lit потенциалы элементов мишени становятся равными потен-
циалу коллектора икол. Таким образом изменяющееся во времени
напряжение сигнала, прикладываемое к коллектору, преобразуется
в потенциальный рельеф, распределенный по поверхности мишени по
трассе записывающего пучка. Полярность записываемого сигнала может
быть любой, т. е. потенциал элементов мишени после записи может быть
как больше, так и меньше первоначального потенциала мишени.
В режиме быстрых электронов равновесная запись может быть осуще-
ствлена также при постоянном потенциале коллектора. Для рассмотре-
ния происходящих здесь процессов обратимся к рис. 21.5. Записывае-
мые сигналы в этом случае подаются на сигнальную пластину. Для про-
стоты будем считать, что сигналы представляют собой разнополярные
прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды исигн и длительно-
сти t (рис. 21.5, а), а записывающий пучок находится на облучаемом
элементе мишени в течение времени, в точности равного длительности
t записываемого сигнала. На рис. 21.5, бив показано изменение во вре-
мени потенциалов двух элементов мишени, облучаемых электронным
пучком, во время поступления на сигнальную пластину поло житель-
238
Рис. 21.5. Изменение потенциалов при равновесной записи на сигнальной пластине
(а) и на мишени при различных начальных потенциалах мишени (б) и (в):
1 - положительный сигнал; 2 — отрицательный сигнал
ного 1 или отрицательного 2 импульса (рис. 21.5,6 соответствует слу-
чаю, когда начальный потенциал всех элементов мишени (7М> нач равен
потенциалу коллектора С/кол, а рис. 21.5, в — случаю, когда начальный
потенциал ниже потенциала коллектора).
До поступления на сигнальную пластину записываемого сигнала и
соответственно начала облучения некоторого элемента мишени первич-
ным электронным пучком потенциал этого элемента равен на-
чальному потенциалу поверхности мишени (/м,нач (участки аб и а’б’
239
на рис. 21.5, б и в). В момент времени t ] (или для другого элемен-
та) на сигнальную пластину приходит импульс записываемого сигнала.
Согласно сказанному выше потенциалы рассматриваемых элементов
должны измениться на (7СИГН (участки бе и б* в ). В этот же момент вре-
мени элемент начинает облучаться электронным пучком. При доста-
точно большом значении произведения Щ потенциал облучаемого
элемента доводится до потенциала, близкого к потенциалу коллектора
Цсол (участки вг и в г’). Дальнейшее облучение рассматриваемого
элемента мишени первичным электронным пучком не изменяет потен-
циалы облучаемых элементов (участки гд и г д'),
В момент времени t2 (или для другого элемента) первичный
электронный пучок прекращает облучение рассматриваемого эле-
мента мишени (переходит на другой элемент). В этот же момент вре-
мени, как было условлено выше, прекращается действие записывае-
мого сигнала на сигнальной пластине. В связи с этим потенциал рас-
сматриваемого элемента мишени должен измениться на ту же величи-
ну, что и потенциал сигнальной пластины, т. е. на Ц;ИГН (участки де и
де), и в дальнейшем оставаться неизменным (участки еж и е' ж’).
Отметим, что глубина потенциального рельефа Д1/П,р определяется как
значением входного сигнала £7СИГН, так и значением начального потенциа-
ла мишени £7м,нач- Полярность записываемых сигналов может быть
любой.
Равновесная запись может быть осуществлена также в режиме мед-
ленных электронов (UK < С/М;Нач < ^кр1» ° < 1)- В этом случае по-
тенциалы коллектора и сигнальной пластины постоянны, а записывае-
мые сигналы подаются на катод прожектора. При достаточно большом
значении произведения Ц t первичный пучок доводит потенциалы об-
лучаемых элементов до потенциала, который в данное время имеет
катод, т. е. на мишени образуется потенциальный рельеф, глубина ко-
торого ДС/П;Р пропорциональна записываемому сигналу. Полярность
этого сигнала может быть лишь отрицательной, так как в противном
случае электроны пучка могут не достигать мишени.
Неравновесная запись. Здесь, как и при равновесной записи, воз-
можно применение нескольких вариантов. Отличительными особен-
ностями всех этих вариантов являются малое значение тока Ц запи-
сывающего пучка и возможность записи сигналов только одной по-
лярности.
Наиболее распространенным способом неравновесной записи явля-
ется следующий. Потенциал коллектора остается постоянным, началь-
ный потенциал мишени должен отличаться от потенциала коллектора
и лежать в пределах UKp t < С/М<нач < t/Kp2.
Потенциал сигнальной пластины постоянен, а записываемые сигналы
подаются на модулятор прожектора для изменения тока записывающего
пучка. В силу малости произведения Ixt потенциалы облучаемых
элементов смещаются в сторону потенциала коллектора, не достигая
240
его. Глубина потенциального рельефа Д(7П1Р ПРИ этом оказывается
прямо пропорциональной току записывающего пучка Ц, т. е. значениям
записываемых сигналов при условии работы на линейном участке моду-
ЛЯ1Ш0НН0Й характеристики прожектора.
Неравновесная запись может быть осуществлена подобно описанному
выше способу и в режиме медленных электронов (UK < (7М < UKpl;
cr <31). При этом потенциалы облучаемых первичным пучком элементов
мишени сдвигаются в сторону потенциала катода, не достигая его.
Перезарядное считывание. Этот способ считывания получил наиболь-
шее Апрактическое применение. После записи потенциального рельефа
потенциалы элементов мишени будут иметь различные значения (участ-
ки еж и еж на рис. 21.5, б и в). Элементы непроводящей мишени и
сигнальную пластину или любой другой электрод прибора можно пред-
ставить как совокупность элементарных конденсаторов (см. рис. 21.4),
потенциалы на обкладках которых различны. Электронный пучок с по-
стоянным током Ц, попадая на элемент мишени, доводит его потен-
циал до одного из стабильных значений: в режиме медленных электро-
нов до потенциала катода прожектора UK, а в режиме быстрых электро-
нов до цотенциала коллектора UKon. Указанные элементарные емкости
при этом будут перезаряжаться, и в цепях соответствующих электродов,
в частности в цепи сигнальной пластины, возникает перезарядный ток,
представляющий собой выходной сигнал. Значение перезарядного тока
определяется первоначальной разностью потенциалов на обкладках
элементарных конденсаторов, т. е. значением записанного сигнала. При
перезарядном считывании обязательным является доведение потенциа-
лов элементов мишени электронным пучком до указанных стабильных
значений UK или UK0„, что определяется значением тока Ц. В против-
ном случае произойдет потеря записанной информации.
21.4.	ПОТЕНЦИАЛОСКОП С БАРЬЕРНОЙ СЕТКОЙ
Потенциалоскоп с барьерной сеткой является запоминающей ЭЛТ,
преобразующей входные электрические сигналы в электрические за-
ряды (потенциальный рельеф), сохраняющей эти заряды в течение
определенного времени, а затем воспроизводящей их в виде электри-
ческих сигналов.
В зависимости от назначения существуют различные конструкции
потенциалоскопов с барьерной сеткой, причем ряд приборов в зависи-
мости от решаемых ими задач может работать в различных режимах.
Устройство одного из наиболее распространенных вариантов потен-
циалоскопа с барьерной сеткой показано на рис. 21.6. В нем имеется
прожектор 9 с катодом 10. Прожектор формирует узкий сфокусиро-
ванный пучок 6 первичных электронов. С помощью отклоняющих пла-
стин 7 и 8 этот пучок сканирует по определенной трассе диэлектриче-
скую мишень 2. Мишень представляет собой слюдяную или стеклянную
241
Рис. 21.6. Устройство потенциалоскопа с барьерной сеткой
пластину толщиной 0,2-0,8 мм, тыльная сторона которой покрыла про-
водящим слоем, образующим сигнальную пластину 1. В непосредствен-
ной близости от мишени, на расстоянии 0,08—0,12 мм от нее, располо-
жена барьерная сетка 3, служащая для предотвращения паразитного
’’засева” вторичными электронами элементов мишени, не облучаемых
электронным пучком. На расстоянии 4—15 мм от барьерной сетки рас-
положен коллектор 5 вторичных электронов 4.
Рассмотрим один из возможных режимов работы этого потенциало-
скопа. Входные сигналы подаются на сигнальную пластину. Выходные
сигналы снимаются с сопротивления R t, включенного в цепь коллек-
тора. Катод прожектора имеет высокий отрицательный (—1,5 -1- 2 кВ)
потенциал относительно заземленной барьерной сетки, поэтому облу-
чение поверхности диэлектрика первичным электронным пучком про-
исходит как при записи, так и при считывании потенциального рельефа
в режиме быстрых электронов (а > 1). Коллектор вторичных электро-
нов имеет высокий положительный (+ 100 ± 200 В) потенциал, что
позволяет эффективно производить отбор вторичных электронов, ухо-
дящих с поверхности мишени 2.
При отсутствии входных сигналов первичный электронный пучок 6
постоянной интенсивности последовательно перемещается по некото-
рой трассе с одного элемента мишени на другой. При значительном
произведении lit потенциалы всех облученных элементов мишени
должны достигнуть потенциала, близкого к потенциалу коллектора
UKOn. Таким образом, перед записью потенциального рельефа между
поверхностью мишени, обращенной к прожектору, и сигнальной пласти-
ной 1 установится разность потенциалов, равная приблизительно по-
тенциалу коллектора. Если входные сигналы отсутствуют, то в цепи
коллектора течет постоянный ток, приблизительно равный току пер-
вичного пучка Ii, потенциал в точке а (рис. 21.6) остается постоян-
ным, а сигнал на выходе из-за наличия разделительной емкости G
отсутствует.
242
\ При подаче на сигнальную пластину входных сигналов С/Вх потен-
циал поверхности диэлектрика, обращенной к прожектору, должен из-
мениться на С/вх. Если одновременно с этим облучать поверхность ди-
электрика электронным пучком, то потенциал облучаемого элемента
при равновесной записи будет доводиться вновь до потенциала, близ-
кого к потенциалу коллектора, а на мишени образуется потенциальный
рельеф. При записи положительного относительно коллектора сигнала
вторичные электроны будут оставаться на мишени, следовательно,
после окончания облучения элемента его потенциал будет ниже потен-
циала коллектора. В цепи коллектора будет течь ток <т/1( где а < 1,
т. е, на выходе прибора одновременно с записью будет воспроизводить-
ся копия записываемого сигнала.
При следующем цикле работы потенциалоскопа (считывании) ми-
шень ^облучается первичным пучком электронов постоянной интенсив-
ности без подачи на сигнальную пластину входных сигналов. Посколь-
ку потенциал элемента, на котором был записан положительный отно-
сительно коллектора сигнал, ниже потенциала коллектора, то считы-
вающий пучок стирает потенциальный рельеф, приводя потенциал эле-
ментов мишени к потенциалу коллектора (перезарядное считыва-
ние) . В цепи коллектора будет течь ток al 1, где а > 1, т. е. в цепи кол-
лектора будет воспроизводиться зеркальное отображение записанного
ранее сигнала. Аналогичным образом могут быть рассмотрены процес-
сы, происходящие при записи сигналов, потенциал которых ниже по-
тенциала коллектора.
Одним из примеров практического применения потенциалоскопа
с барьерной сеткой в рассмотренном выше режиме работы является
его использование для селекции движущихся целей в радиолокации.
Если цель неподвижна, то сигналы от нее на выходе потенциалоскопа
будут равны нулю. Если же цель движется в пространстве, то результи-
рующий сигнал на выходе прибора в рассматриваемый момент времени
будет отличен от нуля. Анализ значения, формы и положения в простран-
стве этого результирующего сигнала позволяет определить ряд характе-
ристик цели, например направление и скорость ее движения.
21.5.	ЗАПОМИНАЮЩАЯ ТРУБКА
С ВИДИМЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ
В качестве примера рассмотрим устройство и принцип действия ос-
циллографической запоминающей трубки с видимым изображением,
применяемой в запоминающих осциллографах. Ее конструкция пока-
зана на рис. 21.7. Она содержит записывающий 10 и воспроизводящий
7 прожекторы, отклоняющую систему 9, с помощью которой записы-
вающий электронный пучок 8 разворачивается по поверхности мише-
ни. Сетчатая мишень представляет собой мелкоструктурную сетку из
проводящих прутков 2 с шагом 0,1-0,2 мм и шириной перемычки
243
3 с большим коэффициентом вторичной эмиссии. На расстоянии 0,2—
0,3 мм от поверхности диэлектрика располагается коллекторная сет-
ка 4, выполняющая роль коллектора вторичных электронов и барьер-
ной сетки, устраняющей перераспределение вторичных электронов по
поверхности диэлектрической мишени. В трубке имеется также алюми-
нированный люминесцентный экран 1, на котором воспроизводится
изображение записанных сигналов, и электроды 6 коллимирующей
линзы, обеспечивающей ортогональный подход электронов 5 вос-
производящего пучка к мишени по всей ее поверхности.
Воспроизводящий прожектор действует непрерывно и создает расфо-
кусированный пучок электронов, облучающих одновременно всю по-
верхность мишени. Проходя между витками сетчатой мишени, эти
электроны попадают на экран, вызывая его свечение. Большая раз-
ность потенциалов (6—10 кВ) между экр'аном и катодом воспроизводя-
щего прожектора позволяет получить достаточно высокую яркость
изображения.
Большая прозрачность сетчатой мишени (больше 60%) позволяет
пропускать на экран значительные токи воспроизводящего пучка, что
также способствует получению высокой яркости изображения. Фраг-
мент этой сетчатой мишени представлен на рис. 21.8, а. Основной ха-
рактеристикой, определяющей работу прибора, является сеточная ха-
рактеристика мишени, показанная на рис. 21.8, б. Она представляет
собой зависимость тока воспроизводящего пучка, попадающего на
экран 1Э, от потенциала поверхности диэлектрика UM. Если потенциал
поверхности диэлектрика ниже некоторого значения С/М>зап, называе-
мого запирающим потенциалом диэлектрика, то электроны воспроиз-
водящего пучка не могут преодолеть тормозящее поле между витками
мишени и на экран не попадают — экран не светится. Этот случай иллю-
стрируется рис. 21.8, в.
Если же потенциал поверхности диэлектрика выше С/М,зап (Цд.зап <
< С/м < 0), то электрическое поле между витками мишени будет уско-
244
Рис. 21.8. Работа сетчатой мишени:
а - фрагмент сетчатой мишени;
б - сеточная характеристика мише-
ни; в - эквипотенциальные линии
и траектории электронов у сетчатой
мишени при UM < UM, зап; г - экви-
потенциальные линии и траектории
электронов у сетчатой мишени при
<41,зап < UM < 0;	1 - прутки сет-
ки; 2 - диэлектрик; 3 - траекто-
рии электронов; 4 - эквипотен-
циали
ряющим для электронов воспроизводящего пучка, они будут проходить
на экран, вызывая его свечение. Этот случай иллюстрирует рис. 21.8, г.
В связи с тем, что потенциал поверхности диэлектрика в режиме воспро-
изведения сигналов всегда меньше нуля (рис. 21.8, б), электроны вос-
производящего пучка непосредственно на поверхность мишени не попа-
дают (потенциал катода воспроизводящего прожектора Цк,ВОСПр ~ 0)
и, следовательно, не могут изменять потенциал мишени. Таким образом,
если при записи потенциал поверхности диэлектрика был доведен до не-
которого значения UM (Цм>зап < UM < 0), то это значение потенциала
будет сохраняться при длительном воспроизведении записанных сиг-
налов.
Перед записью потенциального рельефа производят подготовку ми-
шени к записи, которая совмещена в данном случае со стиранием ранее
записанных сигналов. Для объяснения процессов, происходящих при
стирании и записи, обратимся к рис. 21.9. Пусть некоторый элемент
сетчатой мишени имел начальный потенциал t/M нач, оставшийся от ра-
нее записанных сигналов (участок аб). Цикл подготовки - стирания
начинается в момент времени 11. Для этого на прутки сетчатой мише-
ни подается импульс положительной полярности с амплитудой Е/С)М >
> I ^м,зап1 • Тогда потенциал поверхности диэлектрика в момент вре-
245
Рис. 21.9. Изменение потенциала мишени при подготовке к записи и при записи
сигналов
мени fj изменяется на ту же величину (участок бв) и становится боль-
шим нуля (больше потенциала катода воспроизводящего прожек-
тора). Вследствие этого электроны воспроизводящего пучка начинают
попадать на диэлектрик, облучают его в режиме медленных электро-
нов (а < 1) и доводят его потенциал до потенциала катода воспроиз-
водящего прожектора, т. е. до нуля (участок вг). Этот потенциал со-
храняется на диэлектрике до момента времени t3 (участок гЭ). В мо-
мент времени t3 стирающий импульс, поданный на прутки мишени,
заканчивается, а потенциал диэлектрика вследствие этого снижается,
оказывается отрицательным и равным по абсолютному значению ам-
плитуде стирающего импульса (участок де). Теперь электроны воспро-
изводящего пучка не попадают на мишень и ее потенциал сохраняет
свое значение до начала записи (участок еж).
В режиме осциллографирования записываемые сигналы подаются
на нижние отклоняющие пластины системы 9 записывающего прожек-
тора (см. рис. 21.7), вследствие чего размах изображения сигнала на
экране будет пропорционален амплитуде записываемого сигнала.
Цикл записи начинается в момент времени (рис. 21.9). При этом
узкий сфокусированный записывающий пучок электронов постоян-
ной интенсивности сканирует мишень по трассе в соответствии с запи-
сываемыми сигналами. Электроны записывающего пучка подходят к
мишени с энергией около 1000—3000 эВ, и для них а > 1 (режим быст-
рых электронов). Поэтому в местах, на которые воздействовал элект-
ронный пучок, потенциал диэлектрика повышается, смещаясь в сторо-
ну потенциала коллекторной сетки (неравновесная запись), и стано-
вится выше запирающего С/Мзап (участок жз). В момент времени ts
записывающий пучок уходит с рассматриваемого элемента мишени,
потенциал которого может сохраняться длительное время (участок
зи). Воспроизводящий пучок в этих местах начинает проходить на
246
экран и вызывает его свечение, т. е. на экране создается как бы проек-
ция потенциального рельефа, записанного на мишени.
Записанный однократно сигнал может в течение длительного време-
ни воспроизводиться на экране.
Контрольные вопросы и задания
1.	Каково назначение запоминающих ЭЛТ?
2.	Какие физические принципы и явления используются при записи
потенциального рельефа?
3.	Какой режим работы запоминающей трубки называется режимом
быстрых электронов (режимом медленных электронов) ?
4.	Какой потенциал при записи или считывании потенциального релье-
фа называется равновесным?
5.	Что такое равновесная запись потенциального рельефа?
6.	Опишите основные процессы, происходящие при перезарядном
считывании потенциального рельефа.
7.	Каково назначение барьерной сетки в потенциалоскопах?
8.	Назовите основные циклы работы потенциалоскопа с барьерной
сеткой.
9.	Поясните управляющее действие сетчатой диэлектрической ми-
шени в осциллографической запоминающей трубке.
10.	Каким образом производится стирание потенциального рельефа
в осциллографических запоминающих трубках?
Глава двадцать вторая
ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ
22.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАЮЩИХ ТРУБКАХ
Под передающей телевизионной трубкой понимают ЭЛП, преобразую-
щий оптическое изображение в соответствующие электрические сигна-
лы. По принципу действия передающие трубки можно разделить на две
группы: трубки мгновенного действия и трубки с накоплением зарядов.
Последние можно классифицировать по фотоэлектрическому преобра-
зованию : с внешним и внутренним эффектом.
В настоящее время в телевизионном вещании и прикладном телеви-
дении используют ряд передающих трубок, отличающихся по принци-
пу действия и конструкции: диссектор, суперортикон, видикон и его
модификации.
Независимо от способа преобразования и устройства передающие
трубки характеризуются целым рядом качественных показателей:
чувствительностью, разрешающей способностью, характеристиками (све-
товой и спектральной), уровнем собственных шумов, инерционностью.
247
Рис. 22.1. Апертурная характеристика суперор-
тикона
Чувствительность передающих трубок
определяется минимально допустимой
освещенностью на фотокатоде при за-
данном отношении сигнал/помеха. В спра-
вочной литературе обычно указывается
интегральная чувствительность трубки Sv, определяемая для области ви-
димого света. Как правило, интегральная чувствительность оценивается
отношением тока сигнала к световому потоку, падающему на фото-
катод, мкА/лм, или тока сигнала к освещенности фотокатода, мкА/лк.
Часто приводят также значение тока сигнала 1С для конкретного зна-
чения освещенности.
Разрешающая способность передающей трубки определяется мак-
симальным числом воспроизводимых мелких деталей изображения с
контрастом, достаточным для их регистрации. Объективно этот пара-
метр характеризуется апертурной характеристикой, показывающей
зависимость значения глубины модуляции сигнала изображения от от-
носительных размеров деталей изображения, оцениваемых числом строк
или числом линий.
На рис. 22.1 представлена апертурная характеристика передающей
трубки. По оси ординат откладывается глубина модуляции т, под ко-
торой понимается отношение абсолютного значения сигнала от мелких
деталей изображения к размаху сигнала от черно-белого перепада круп-
ной детали изображения, принятому за 100%. Как правило, глубину
модуляции сигнала определяют на отметке 400 или 600 строк.
Световая характеристика трубки (характеристика свет — сигнал) —
зависимость величины выходного сигнала от освещенности фоточув-
ствительного слоя. Эта характеристика отражает способность трубки
воспроизводить яркостные полутона (градации яркости) и контраст
воспроизводимого изображения.
Спектральная характеристика трубки — зависимость сигнала изоб-
ражения от длины волны падающего света при равных его энергиях.
Инерционность передающей трубки — явление запаздывания изме-
нений выходного сигнала относительно соответствующих изменений
светового сигнала на входе трубки. Этот параметр определяет качество
воспроизведения телевизионного изображения при передаче движущих-
ся объектов.
22.2.	ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Принцип мгновенного действия можно рассмотреть на эквивалент-
ной схеме рис. 22.2. При замкнутом выключателе 5 и освещении фото-
катода фотоэлемента световым потоком Ф по резистору протекает фо-
248
Рис. 22.2. Образование сигнала в системе
мгновенного действия
тоток /ф, создавая напряжение сигна-
ла, равное
ф
С/с = ^фЯн-	(22.1)
Фототок
1ф = Sv Ф,	(22.2)
где Sv — световая чувствительность фотоэлемента.
После подстановки выражения (22.2) в (22.1) получим:
Uc = Sv ФЯа.
Световая энергия, участвующая в образовании сигнала,
н/. = t Ф
гкф 1 э^э»
где t3 — время коммутации элемента. Следующая коммутация должна
произойти через время кадра Тп. Очевидно, что на интервале времени
Тп световая энергия не используется. Эта энергия: W$n = ФГЛ.
Определим, какая часть светового потока участвует в образовании
сигнала:
И'ф/И'фи = t3/Tn = 1/7V,
здесь N — количество элементов разложения. Если предположить, что
время передачи кадра равно Тк = 1//к = (1/25) Гц = 40 мс, а среднее
число элементов разложения в кадре N = 400000, то время, в течение
которого освещен фотокатод фотоэлемента, составляет ?эл =40 • 1СГ3/
400000 = 0,1 мкс.
Следовательно, фототок от отдельного элемента используется для
образования сигнала в течение весьма короткого времени (около
1(Г7 с), а все остальное время (4 • 1(Г2 с) фототок остается неисполь-
зованным. Поэтому трубки мгновенного действия весьма неэффек-
тивны.
Диссектор - передающая телевизионная трубка мгновенного дей-
ствия, в которой сфокусированное электронное изображение, полу-
ченное с фотокатода путем электронного отклонения, развертывается
относительно неподвижного отверстия или щели.
Устройство диссектора схематически представлено на рис. 22.3.
В этом приборе можно выделить две основные секции: секцию пере-
носа электронного изображения и секцию вторично-электронного умно-
жения сигнала изображения.
249
Секция переноса электронного изображения содержит полупрозрач-
ный фотокатод 1, нанесенный на внутренней поверхности плоского дна
колбы, ускоряющий электрод 2, анод 3 с отверстием в центре, размер
которого определяет один элемент разложения.
Цепь вторично-электронного умножения (ВЭУ) состоит из несколь-
ких динодов 4 и коллектора 5, в цепь которого включен резистор на-
грузки /?„.
Снаружи баллона располагаются отклоняющая система 6 и фокуси-
рующая катушка 7. Между фотокатодом и ускоряющим электродом
2 приложено ускоряющее напряжение. Соответствующее напряжение
приложено к коллектору ВЭУ и его динодам.
Оптическое изображение объекта проекцируется на фотокатод, где
преобразуется в электронное. Продольное электростатическое поле
ускоряет электроны в направлении анода. Магнитное поле, создаваемое
длинной фокусирующей катушкой, переносит электронное изображе-
ние в плоскость анода. С помощью двух пар отклоняющих катушек
электронное изображение непрерывно развертывается относительно
отверстия анода в горизонтальном и вертикальном направлениях соот-
ветственно со строчной и кадровой частотами. Попадающие в отверстие
анода поочередно элементарные токи, соответствующие освещенностям
элементов изображения, усиливаются ВЭУ и с нагрузки коллектора
снимается видеосигнал.
Как и все системы мгновенного действия, диссектор обладает низ-
кой чувствительностью. Поэтому его нельзя использовать в системах
вещательного телевидения. Однако диссектор имеет ряд достоинств:
простоту конструкции (отсутствие прожектора), надежность, мгно-
венную готовность к работе, большой срок службы, хорошую переда-
чу градаций яркости, высокую разрешающую способность. Благодаря
этим свойствам эти трубки нашли применение в установках промыш-
250
3	4
Рис. 22.4. Принципиальная оптическая схема системы бегущего луча
ленного телевидения, а также в малокадровых системах прикладного
назначения.
Принцип мгновенного действия используется также в системе ’’бе-
гущий луч” (рис. 22.4). На экране проекционного кинескопа 1 созда-
ется изображение пятна повышенной яркости, который проецируется
с помощью объектива 2 на передаваемый объект, например фотоплен-
ку 3. Конденсорная система 4 фокусирует световой поток, прошедший
фотопленку, на фотокатод ФЭУ 5. Мгновенное значение тока на вы-
ходе ФЭУ пропорционально яркости светящегося пятна и прозрачности
фотопленки. Такая система обеспечивает высокое качество передавае-
мых изображений, но пригодна практически для передачи кинофиль-
мов, диапозитивов, графических документов.
22.3.	ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ
С НАКОПЛЕНИЕМ ЗАРЯДА
Принцип накопления зарядов. Выше было показано, что трубки
мгновенного действия малоэффективны, обладают низкой чувстви-
тельностью из-за того, что при формировании видеосигнала в каждый
момент времени используется малый фототок с одного элемента изо-
бражения. Для повышения чувствительности передающих трубок было
предложено использовать световую энергию всего изображения с ее не-
прерывным накоплением в виде электрической энергии в конденса-
торах.
Принцип накопления зарядов можно рассмотреть на примере неко-
торой светочувствительной мишени, состоящей из большого числа ми-
ниатюрных фотоэлементов 3, нагруженных одинаковыми элементарны-
ми конденсаторами С (рис. 22.5).
Представим себе, что имеется z строк, на которых расположены фо-
тоэлементы. Тогда полное число фотоэлементов N с учетом формата
мишени (кадра) К будет равно:
N=Kz2.
Допустим, что на все фотоэлементы падает световой поток Ф. Этот
световой поток вызовет фототок с одного элемента 1ф1, а каждый
элементарный конденсатор накопит заряд
q = 1фТк, где Тк — время передачи кадра.
251
Рис. 22.5. Принцип накопления электрических зарядов на поверхности мишени
передающей трубки:
1 - объект; 2 - объектив; 3 - фотоэлементы; 4 - накопительные емкости;
К - коммутирующее устройство
В момент коммутации ключа К (роль ключа в передающих трубках
выполняет развертывающий электронный луч) происходит разряд эле-
ментарного конденсатора по цепи: левая обкладка конденсатора — пол-
зунок коммутатора — резистор нагрузки — правая обкладка конденса-
тора. При этом на нагрузочном резисторе Ru ток разряда zp создает
видеосигнал Uc, равный Uc = ipRu. Разряд конденсатора происходит за
время коммутации одного элемента, т. е. за время тэ = TK/N. Средний
разрядный ток
ip ~ Qi "гз~ гф (Гк/Тэ) •
Сигнальный ток в данной системе равен
z с ip •
Таким образом, эффект накопления теоретически позволяет повы-
сить чувствительность передающей трубки в N раз по сравнению с систе-
мой мгновенного действия.
Суперортикон — передающая ЭЛТ с переносом изображения и считы-
ванием информации с двухсторонней диэлектрической мишени пучком
медленных электронов и с вторичным усилением отраженного обрат-
ного электронного пучка. Схема устройства суперортикона показана
на рис. 22.6. Трубка состоит из трех секций: переноса электронного
изображения, коммутации и вторично-электронного усиления.
Секция переноса электронного изображения содержит: полупрозрач-
ный фотокатод 1, нанесенный на торцевую поверхность трубки,
ускоряющий электрод 2 и мишень 3, представляющую собой полупро-
водниковый стеклянный диск толщиной 3—5 мкм. Перед мишенью со
252
Рис. 22.6. Суперортикон
стороны фотокатода на небольшом расстоянии, примерно 10—50 мкм,
расположена мелкоструктурная сетка. Эта сетка имеет небольшой по-
ложительный потенциал 1—3 В относительно катода электронного про-
жектора.
Секция коммутации включает в себя тормозящий электрод 4, вырав-
нивающую сетку 5, фокусирующий электрод 6 и цилиндр умножения
7. Сетка 5 расположена на расстоянии 10—12 мм от тормозящего элект-
рода, имеет отдельный вывод. В некоторых конструкциях суперортико-
на она соединяется с тормозящим электродом. Фокусирующий элект-
род представляет собой проводящее покрытие, нанесенное на внутрен-
нюю поверхность узкой части колбы.
Секция вторично-электронного усиления состоит из ВЭУ 8 жалюзий-
ного типа и электронного прожектора 9. Последний содержит подогрев-
ный катод, управляющий электрод и анод. Первым динодом ВЭУ явля-
ется наружная поверхность анодной диафрагмы прожектора. На выходе
ВЭУ к коллектору включен резистор нагрузки Ru.
Снаружи колбы располагаются длинная фокусирующая катуш-
ка 12, строчные и кадровые отклоняющие катушки 11 и корректирую-
щие катушки 10.
Корректирующие катушки компенсируют небольшое отклонение
электронного луча от оси, вызванное неточностью сборки электродов
прожектора.
Рассмотрим работу трубки. Передаваемое изображение проектиру-
ется на фотокатод 1, который эмиттирует фотоэлектроны пропорцио-
нально освещенности. Сфокусированные магнитными и электрически-
ми полями фотоэлектроны, попадая на мишень, выбивают из нее вторич-
ные электроны, которые собираются сеткой. В результате на мишени
образуется положительный потенциальный рельеф со стороны фотока-
253
тода, соответствующий распределению света на передаваемом объекте.
Потенциальный рельеф за счет электростатической индукции и попе-
речной проводимости тонкого полупроводникового стеклянного диска
воспроизводится на противоположной поверхности мишени.
Потенциалы электродов секции коммутации подобраны так, что
электроны подходят к мишени перпендикулярно и почти с нулевой
скоростью. Перпендикулярность попадания электронного пучка на ми-
шень обеспечивается соответствующим подбором напряжения на тор-
мозящем электроде. Достигая мишени, часть электронов оседает на
ней и восполняет недостающее число электронов на данном участке
мишени. Чем больше положительный заряд, тем большее количество
электронов пучка оседает на мишени. Остальная часть электронов воз-
вращается обратно ускоряющим полем на анод. Таким образом, воз-
вращающийся пучок электронов оказывается промодулированным в
соответствии с распределением освещенности на передаваемом объек-
те. Более освещенному элементу фотокатода соответствует больший
положительный заряд этого элемента мишени.
Для компенсации этого заряда требуется больше электронов пуч-
ка, поэтому более светлому участку в передаваемом объекте будет
соответствовать меньший обратный ток пучка. Промодулированный
пучок электронов двигается в обратном направлении в ускоряющем
поле, падает* на анод прожектора, являющийся одновременно первым
каскадом ВЭУ, выбивает из него вторичные электроны, которые попа-
дают на диноды (2, 3 и т. д.). Расположенный вблизи первого каскада
ВЭУ электрод, называемый цилиндром умножителя, способствует наи-
более полному отбору электронов с первого каскада в умножитель.
Электроны с последнего каскада ВЭУ собираются коллектором и обра-
зуют выходной сигнал трубки. Благодаря наличию секции ВЭУ супер-
ортикон обладает высоким уровнем выходного сигнала 0,1-0,5 В.
К достоинствам суперортикона, обеспечивающим ему широкое приме-
нение в телевизионной технике, относятся высокая чувствительность,
разрешающая способность и хорошая передача градаций яркости.
Световая характеристика суперортикона, представляющая собой
зависимость выходного сигнала от освещенности, представлена на
рис. 22.7. К недостаткам суперортикона следует отнести высокий уро-
вень шумов, растущий с уменьшением освещенности объекта. Объясня-
ется это тем, что наиболее темной точке изображения объекта соответ-
ствует максимальный выходной ток, а следовательно, и наибольший
уровень шумов. За последние годы были разработаны суперортиконы
с высоким отношением сигнал/шум (около 80-120) за счет увеличе-
ния размеров мишени и уменьшения расстояния сетка—мишень.
Видикон — передающая ЭЛТ с фотопроводящей мишенью, работа
которой основана на использовании внутреннего фотоэффекта. Види-
коны могут работать в двух режимах развертки лучом медленных
электронов (а< 1) и быстрых электронов (о > 1).
254
Рис. 22.7. Световая характеристика суперорти-
кона
Рассмотрим устройство и принцип
работы видикона, работающего в режи-
ме медленных электронов, получивших
большое распространение (рис. 22,8).
Внутри баллона находится светочувствительная мишень и электрон-
ный прожектор. Мишень 9 состоит из фотослоя и сигнальной пласти-
ны, нанесенной на плоскую поверхность стеклянного диска в виде
проводящей прозрачной пленки двуокиси олова.
В качестве фотопроводящего слоя применяются, например, трехсер-
нистая сурьма SbS3, сернистый кадмий Cd2S3 толщиной 1-3 мкм и
удельным сопротивлением 1011 - 1012 Ом • см. Сигнальная пластина
имеет хороший контакт с металлическим кольцом, вваренным в стек-
ло баллона и имеющим вывод наружу.
Прожектор состоит из катода 4, модулятора 5, первого 6 и второго
7 анодов.
Перед мишенью со стороны прожектора расположена мелкоструктур-
ная сетка 8. Обычно на нее подают напряжение, в 1,5—1,7 раза превы-
шающее напряжение второго анода. Дополнительная электронно-опти-
ческая линза, образованная между сеткой и анодом, позволяет испра-
вить неортогональность электронного пучка при подходе его к поверх-
ности мишени.
Прожектор формирует пучок медленных электронов диаметром 20—
30 мкм при токе 0,3—0,5 мкА. Дополнительная фокусировка пучка
создается продольным однородным магнитным полем катушки 1.
Корректирующие катушки 3, так же как и в суперортиконе, служат для
юстировки положения электронного пучка. Отклоняющая система 2
состоит из двух пар катушек (без сердечника) горизонтальной и вер-
тикальной разверток. В режиме медленных электронов потенциал сиг-
нальной пластины на несколько десятков вольт превышает потенциал
катода прожектора. На катоде — нулевой потенциал, а на аноды пода-
ется напряжение около 300 В.
В режиме быстрых электронов на сигнальную пластину подается от-
рицательный относительно анода потенциал Uc п =-(10-^30) В.
Образование сигнала изображения в видиконе поясняет эквивалент-
ная схема рис. 22.8, б.
Накопительные конденсаторы .......Сп образованы участками по-
верхности фотослоя и сигнальной пластиной. Последняя является об-
щей обкладкой для всех элементарных конденсаторов. Каждый кон-
денсатор шунтирован фоторезистором.
255
При отсутствии освещения (Ф = 0) и большом отрицательном напря-
жении на модуляторе (трубка закрыта) правая сторона мишени при-
обретает потенциал сигнальной пластины за счет темновой проводимо-
сти. Так как потенциалы левой и правой обкладок конденсатора оди-
наковы и равны напряжению источника питания сигнальной пластины
ис>п, то конденсаторы С1(.. Сп не заряжены.
При открытой трубке и световом потоке, равном нулю, правая сто-
рона мишени под влиянием развертывающего луча приобретает потен-
циал катода, так как фотопроводящий слой обладает высоким удель-
ным сопротивлением и его можно рассматривать как изолированный
электрод. Следовательно, емкости Сг......Сп заряжаются до напря-
жения С/с>п.
При проекции оптического изображения на мишень проводимость
будет определяться освещенностью данного элемента и элементарные
256
Рис. 22.9. Световые характеристики видикона при различных напряжениях на
сигнальной пластине (СС; п) > Сс> п2 > Сс> пз)
конденсаторы будут разряжаться в разной степени в интервалах време-
ни между коммутациями. Вследствие этого на поверхности мишени
образуется положительный потенциальный рельеф.
Электронный луч, обегая мишень, доводит поверхность всех ее
участков до одинакового потенциала, равного потенциалу катода. Как
и в суперортиконе, считывающий электронный луч оставляет на осве-
щенных участках фотослоя больше электронов, чем на затемненных.
Таким образом, токи до заряда элементарных конденсаторов, возникаю-
щие в процессе развертки потенциального рельефа электронным лу-
чом, несут в себе информацию о распределении освещенностей на
фотокатоде. Перезарядный ток, протекая через резистор нагрузки,
образует напряжение видеосигнала.
К достоинствам видиконов следует отнести высокую чувствитель-
ность, простоту конструкции и настройки. Использование в видико-
нах фотопроводящих материалов с большим квантовым выходом
позволяет создавать трубки малых габаритных размеров без ухудше-
ния ее качеств.
Существенным недостатком видикона является его инерцион-
ность, проявляющаяся при передаче быстро движущихся объектов в
виде снижения четкости и контрастности изображения. Инерцион-
ность резко уменьшается при увеличении освещенности.
Световая характеристика видикона (рис. 22.9) зависит от свойств
мишени, напряжения на сигнальной пластине и тока луча.
В плюмбиконе в отличие от видикона фотомишень состоит из трех
слоев и представляет собой p-i-n-структуру (рис. 22.10). Проводящее
прозрачное покрытие — сигнальная пластина 1, как и в видиконе, нане-
сено на внутреннюю поверхность планшайбы трубки 5. Слой 2 (полу-
проводник и-типа) прилегает к сигнальной пластине, а слой 4 (р-типа)
обращен к развертывающему лучу. Между двумя этими слоями рас-
положена область i с собственной проводимостью 3. Эта область вы-
полняется из окиси свинца толщиной 10—15 мкм и имеет упорядо-
9-6353	257
ченную кристаллическую структуру в виде иголок размером 0,1 X
X 0,1 X 1,0 мкм, расположенных перпендикулярно мишени. Темновое
сопротивление области i около 108 Ом • см. На сигнальную пластину
подается небольшое положительное напряжение +20 + 30 В относи-
тельно катода. Если учесть, что на первый и второй аноды подводят на-
пряжение 300—500 В, то развертка фотомишени осуществляется мед-
ленными электронами.
Рассмотрим работу плюмбикона. Пусть поверхность мишени не
освещена. При развертке мишени лучом потенциал ее доводится до рав-
новесного значения, равного потенциалу катода, т. е. нулю (режим мед-
ленных электронов). При этом происходит заряд элементарных кон-
денсаторов.
При проецировании на мишень оптического изображения носители
тока (электроны и дырки), возникающие в области i, проходят ее,
не рекомбинируясь. Такое прохождение носителей тока обусловлено
высокой напряженностью электрического поля и малой концентрацией
ловушек. Под последними следует понимать примесные атомы, захва-
тывающие электроны или дырки. Генерируемые при освещении фотоми-
шени носители тока разряжают элементарные конденсаторы, а на по-
верхности слоя 4 образуется потенциальный рельеф. При считывании
потенциального рельефа, так же как и в видиконе, на резисторе на-
грузки образуется напряжение видеосигнала.
Плюмбикон по сравнению с видиконом имеет ряд преимуществ:
высокую чувствительность, соизмеримую с чувствительностью супер-
ортикона, низкую инерционность, линейную световую характеристику
в широком диапазоне освещенностей, спектральные характеристики,
близкие к кривой чувствительности глаза. Эти достоинства обеспечили
применение их в современных камерах цветного телевидения.
Кремникон имеет мишень, состоящую из сверхминиатюрных фото-
диодов (рис. 22.11). Основой мишени служат пластина кремния тол-
щиной приблизительно 20 мкм с проводимостью л-типа. При изготовле-
нии мишени используется метод планарной технологии кремниевых
интегральных схем. На поверхности, обращенной к прожектору, фор-
мируются области с проводимостью p-типа, образующие с кристаллом
кремния мозаику фотодиодов. Противоположная сторона пластины
имеет потенциал 10—15 В относительно катода прожектора.
При коммутации мишени сфокусированным пучком медленных
электронов p-области доводятся до равновесного потенциала, равного
потенциалу катода. При этом диоды матрицы приобретают смещение
в обратном направлении, происходит заряд элементарных конденса-
торов — диодов.
При проецировании на мишень оптического изображения в ее теле
генерируются пары электрон—дырка, которые захватываются внешним
полем мишени и разряжают элементарные конденсаторы. Степень раз-
рядки пропорциональна освещенности элемента. Формирование сигна-
258
кона
Рис. 22.11. Мишень кремни-
кона
ла в кремниконе аналогично плюмбикону и стандартному видикону.
Важным свойством рассматриваемой трубки является отсутствие вы-
жигания мишени при длительном воздействии значительных освещен-
ностей.
Суперкремниконы являются модификацией кремникона. В них
осуществлено электронное усиление сигнала за счет переноса изобра-
жения подобно известной передающей трубке — суперортикону. Супер-
кремниконы обладают высокой чувствительностью (КГ4 лк), сравни-
тельно небольшой инерционностью и достаточно высокой разрешающей
способностью. Несложная конструкция, небольшие размеры и масса
трубки, а также надежность в эксплуатации делают их перспективны-
ми приборами.
Контрольные вопросы и задания
1.	Чем объясняется повышение чувствительности в передающих
трубких, работающих с использованием накопления заряда?
2.	Как происходит образование и усиление видеосигнала в супер-
ортиконе?
3.	На каком физическом явлении основана работа мишени види-
кона?
4.	Нарисуйте эквивалентную схему видикона и объясните образо-
вание сигнала в нем.
5.	Назовите достоинства и недостатки видикона, его применение.
6.	Поясните назначение i -слоя в плюмбиконе.
Глава двадцать третья
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
23.1.	НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Электронно оптическим преобразователем (ЭОП) называется
электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования спект-
рального состава излучения и усиления яркости изображения.
В настоящее время ЭОП находят широкое применение в науке, раз-
личных областях техники и народного хозяйства. Являясь элементом
оптического звена системы передачи изображения, ЭОП позволяет ре-
шать три основные задачи: изменение спектрального состава излучения,
усиление яркости (или энергетической яркости) изображения в опреде-
ленном спектральном диапазоне и высокоскоростная регистрация быст-
ропротекающих процессов. Приборы, предназначенные для решения
первой задачи, преобразуют невидимое излучение ИК, УФ или рентгенов-
ского диапазона в видимое излучение. Как правило, ЭОП этой группы
производят и усиление преобразуемого сигнала. Эти ЭОП находят при-
менение в приборах ночного видения, рентгеновской технике и специ-
альной аппаратуре для научных исследований.
Приборы, служащие для усиления яркости, обычно работают в види-
мом диапазоне спектра и позволяют увеличивать яркость изображения
объекта в сотни тысяч раз. Разработка таких ЭОП позволила изучать
объекты с низким уровнем излучения, наблюдение и фотографирова-
ние которых с помощью обычных оптических приборов не представля-
лось возможным (например, далекие звезды, физические процес-
сы и т. п.).
Для изучения сверхбыстрых процессов в ядерной физике и лазерной
технике непригодны даже самые совершенные оптико-механические
затворы. Быстродействующие ЭОП позволили создать устройства с вре-
менном разрешением, составляющим доли пикосекунд. Для указан-
ных целей были разработаны многокадровые импульсные ЭОП с элект-
ронным затвором.
Несмотря на многообразие конструкций принцип действия любого
ЭОП основан на фотоэлектронной эмиссии, усилении слабого электрон-
ного потока по мощности при. сохранении пространственного распреде-
ления его плотности и катодолюминесценции. Основными элементами
конструкции ЭОП являются полупрозрачный фотокатод, катодо-
люминесцентный экран и ЭОС для ускорения и фокусировки элект-
ронов. В состав последней может входить вторично-электронный умно-
житель фотоэлектронов.	,
Принцип работы однокамерного ЭОП схематически показан на
рис. 23.1. Изображение объекта проецируется объективом на фотока-
260
Рис. 23.1. Принцип действия электронно-опти-
ческого преобразователя:
1 — фотокатод; 2 - фокусирующая ЭОС;
3 - катодолюминесцентный экран
тод. В вакуумном объеме за счет фотоэлектронной эмиссии создается
электронное изображение объекта, в котором плотность распределе-
ния электронов соответствует распределению освещенности по поверх-
ности фотокатода. Полученное электронное изображение переносится
с помощью фокусирующей ЭОС на поверхность катодолюминесцент-
ного экрана. Яркость свечения каждой точки экрана, определяемая
плотностью электронного потока, попадающего в эту точку, будет за-
висеть от значения потока изучения, приходящего на соответствующую
точку фотокатода. В результате на экране образуется изображение
наблюдаемого объекта.
Параметры и характеристики ЭОП, определяющие его функциональ-
ные свойства, можно разделить на две группы. Первая группа включает
в себя характеристики и параметры его элементов: фотокатода, экрана
ЭОС. Эти характеристики были рассмотрены в предыдущих главах.
Вторую группу составляют характеристики и параметры самого ЭОП
как прибора соответствующего назначения.
В качестве фотокатодов ЭОП используются материалы, рассмотрен-
ные в гл. 12. Весьма перспективными для ЭОП спектра являются ОЭС-
фотокатоды (см. § 12.3), позволяющие повысить чувствительность
в ближней к ИК области спектра.
Экраны ЭОП, как правило, имеют желто-зеленый, иногда синий,
цвет свечения, характерный для цинкосульфидных люминофоров с при-
месями меди или серебра (см. гл. 18). Важным параметром люминес-
цирующего экрана ЭОП является светоотдача, определяемая световым
потоком, приходящимся на единицу мощности электронного потока
= Фу/Р. Светоотдача экранов желто-зеленого цвета свечения обычно
составляет несколько десятков люменов на ватт.
Одним из важнейших параметров ЭОП - усилителей яркости изобра-
жения является коэффициент усиления яркости, определяемый отно-
шением яркости или светимости экрана RV3 к освещенности фотока-
тода EVK:
Руэ
7?в=
° bVK
эПк
(23.1)
где Пк и Пэ — площади изображений на фотокатоде и на экране соот-
ветственно.
Отношение светового потока с экрана к световому потоку, падающе-
му на фотокатод, Фр э/Фу к называется интегральным коэффициентом
261
преобразования светового потока riv или просто коэффициентом пре-
образования светового потока.
Если изображение переносится с фотокатода на экран без измене-
ния масштаба, то коэффициент усиления яркости равен коэффициенту
преобразования, который можно выразить через параметры фотокато-
да и экрана. Пусть поток излучения Фе падает на фотокатод, имеющий
интегральную чувствительность к этому потоку Se. Фототок будет ра-
вен 1К = 8еФе. Мощность электронного потока, бомбардирующего
люминофор экрана, Р= IKU3, где U3 - приложенное к ЭОП напряже-
ние. Световой поток с экрана равен произведению мощности потока
на светоотдачу экрана Уф
Фу3 = Руф=1ф8еФеиз.	(23.2)
Световой поток от объекта, падающий на фотокатод, связан с по-
током излучения соотношением
Ф„к = 680Фет?р,	(23.3)
где т? — КПД глаза при восприятии потока излучения реального
объекта.
С помощью (11.14) и (11.16) выразим интегральную чувствитель-
ность фотокатода через световую чувствительность, известную из пас-
порта ЭОП:
Se = 16-,6SvKp/K3,	(23.4)
где Кр и Кэ - коэффициенты использования фотокатодом потока излу-
чения реального объекта и эталонного потока источника типа А соот-
ветственно.
Подставив (23.3) и (23.4) в (23.2), получим
ФУЭ= 0,0246Ф,к7ф[/э5^р//ГэТгр.
Отсюда коэффициент преобразования светового потока от объекта
T)v = Фр Э/Ф1> к = 0,0246 УфИдб'r Xp/XgTjp.	(23.5)
Допустим, световой поток, излучаемый объектом, соответствует
желто-зеленой части видимой области спектра, тогда коэффициент пре-
образования ЭОП с многощелочным фотокатодом, имеющим свето-
вую чувствительность Sv = 200 мкА/лм, U3 = 10 кВ и Уф = 50 лм/Вт,
составит 60.
Коэффициент преобразования, указанный в паспорте ЭОП, обычно
измеряется по излучению эталонного потока источника типа А. В этом
случае выражение для расчета r)v а упрощается
<23’6)
262
г
Когда границы спектральной чувствительности фотокатода выходят
за пределы видимого диапазона, под коэффициентом преобразования
потока излучения т]е часто понимают отношение потока излучения эк-
рана к потоку излучения, падающему на фотокатод, т?е = Феэ/Фек-
Если изображение переносится с фотокатода на экран с изменением
масштаба, то, как следует из формулы (23.1), коэффициент усиления
яркости равен коэффициенту преобразования, умноженному на отно-
шение площадей изображений на фотокатоде и на экране.
Преобразование спектрального диапазона излучения объекта опреде-
ляется спектральной чувствительностью фотокатода. Если представить
сложный поток излучения объекта в виде ряда монохроматических
потоков, то световой поток с экрана при воздействии каждого из них
на фотокатод можно определить по формуле
<Кэ= ^е\Фе\уфиэ,
где Зе\ — спектральная чувствительность фотокатода на длине волны
X, а Фех - монохроматический поток на этой длине волны. В этом слу-
чае спектральный коэффициент преобразования равный световому
потоку с экрана, приходящемуся на один ватт монохроматического
потока, находится из выражения
т?еХ = фтэ/ФеХ= ЯеХТфЦ-
Этот параметр зависит от длины волны и измеряется в люменах на
ватт.
Способность ЭОП сохранять четкость изображения объекта на экра-
не характеризуется пределом разрешения, измерение которого произ-
водится по тест-таблицам, носящим название штриховых мир. Предел
разрешения обьино оценивается числом пар черно-белых линий миры,
приходящихся на миллиметр ее изображения на фотокатоде. Четкость
изображения определяется рассеянием электронов, вылетающих из
различных точек фотокатода, обусловленным разбросом начальной
энергии электронов и аберрацией фокусирующей системы, а также
рассеянием излучения в зернах люминофора. Важным параметром
ЭОП, определяющим правильность воспроизведения на экране дета-
лей наблюдаемого объекта, является коэффициент сохранения кон-
траста Ск, который равен отношению контраста изображения на экра-
не к контрасту этого изображения на фотокатоде. Он измеряется при
проецировании на фотокатод непрозрачного объекта диаметром 1—
2 мм и рассчитывается по формуле
ск ~ (Во — Втем)/ (Во + #Тем) ,
где Во и В1ем — яркости освещенного участка и изображения объекта
на экране соответственно.
263
Коэффициент сохранения контраста во многом зависит от темно-
вого фона, обусловленного токами термо- и автоэлектронной эмиссий,
ионной обратной связью, оптической обратной связью между фотока-
тодом и экраном и рассеянным отражением излучения, прошедшего
через полупрозрачный фотокатод, от деталей фокусирующей системы.
Пороговый поток ЭОП в основном определяется шумами термо-
и автоэлектронной эмиссий фотокатода, а также флуктуациями токов
ионной и оптической обратных связей.
Если ЭОП используется как регистратор оптических излучений, то
его пороговый поток Фп может быть представлен зависимостью
Фп — pV>
где Sp - чувствительность к потоку от реального объекта; /щ - сред-
неквадратическое значение суммарного шумового тока.
Определение порогового потока ЭОП, используемого в качестве уси-
лителя или преобразователя изображения с учетом требуемых контрас-
та и предела разрешения, является более сложной задачей.
23.2.	ОДНОКАМЕРНЫЕ ЭОП
В простейшем двухэлектродном плоском ЭОП, конструкция кото-
рого представлена на рис. 23.2, перенос электронов производится толь-
ко за счет действия однородного электростатического поля. Каждая
точка фотокатода изображается на экране в виде кружка рассеяния,
диаметр 2г которого зависит от расстояния фотокатод—экран и от
значения приложенного напряжения
2г = Ad^U0/U3,
где Uo - напряжение, эквивалентное начальной кинетической энергии
электрона (при начальной кинетической энергии 1 эВ Uo ~ 1 В); d -
расстояние фотокатод — экран; U3 — приложенное напряжение.
Приближенно можно считать, что предел разрешения ЭОП обратно про-
порционален диаметру кружка рассеяния.
Для обеспечения электрической изоляции расстояние между фото-
катодом и экраном не может быть менее
одного миллиметра при U3 = 10 кВ. Плос-
кие ЭОП позволяют получить коэффици-
ент усиления яркости около 20 при преде-
ле разрешения до 25 пар линий на милли-
Рис. 23.2. Конструкция двухэлектродного пло-
ского ЭОП:
1 - баллон; 2 — фотокатод; 3- манжеты;
4 - экран; 5 - выводы
264
Рис. 23.3. Конструкция трех-
электродного ЭОП:
1 - фотокатод; 2 - ман-
жета; 3 - корпус; 4 - фоку-
сирующий электрод; 5 -
анод; 6 - экран
метр. Для снижения обратной оптической связи экран покрывают сплош-
ной непрозрачной алюминиевой пленкой, которая должна иметь низкий
коэффициент отражения для излучения, проходящего через полупро-
зрачный фотокатод.
Одним из достоинств плоских ЭОП является отсутствие всех абер-
раций, кроме хроматической. Предел разрешения в ЭОП одинаковый
по всей площади экрана. Недостатком таких ЭОП являются низкий
коэффициент преобразования из-за ограниченного напряжения U3 и
технологические трудности при их создании. Увеличение междуэлект-
родного расстояния с целью повышения напряжения приводит к рез-
кому ухудшению предела разрешения.
Этот недостаток в значительной мере устранен при использовании
в ЭОП электростатических линз с двумя, тремя и т. д. электродами
между фотокатодом и экраном. На рис. 23.3 приведен вариант кон-
струкции трехэлектродного ЭОП. Поле двух иммерсионных линз об-
разуется манжетой фотокатода, фокусирующим электродом в виде
диафрагмы или цилиндра и анодным электродом, имеющим вид усе-
ченного конуса с диафрагмой. Анодный электрод имеет потенциал
экрана 15—20 кВ. Фокусировка изображения на экране производится
регулировкой потенциала фокусирующего электрода.
В ряде однокамерных ЭОП применяется магнитная фокусировка
электронов. Прибор помещается в длинную катушку с сильным маг-
нитным полем. Электроны, ускоряемые электрическим полем, двигают-
ся по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля.
Предел разрешения ЭОП с магнитной фокусировкой может быть полу-
чен очень высокий. Недостатком таких ЭОП является громоздкость
магнитных фокусирующих систем и значительная потребляемая мощ-
ность.
23.3.	МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Как следует из (23.5) и (23.6), коэффициент преобразования ЭОП
зависит от чувствительности фотокатода, светоотдачи экрана и напряже-
ния между электродами. Если напряжение, приложенное к ЭОП, превы-
265
шает 25—30 кВ, то возникают рентгеновское излучение из люминофора
и паразитные явления, обусловленные автоэлектронной эмиссией.
Одним из путей повышения коэффициента усиления яркости [см.
(23.1)] является уменьшение размеров изображения на экране по
сравнению с размером его на фотокатоде. Использование для этой цели
электростатических фокусирующих систем приводит к ухудшению
предела разрешения ЭОП.
В ряде случаев от ЭОП требуется усиление яркости изображения
объекта в сотни тысяч раз. Получить такое усиление в однокамерном
ЭОП за счет повышения чувствительности фотокатода, светоотдачи
экрана, увеличения напряжения питания и сжатия изображения не
представляется возможным.
Существуют два способа дальнейшего повышения коэффициента
усиления яркости: каскадное усиление, основанное на последователь-
ном соединении однокамерных ЭОП, и внутрикамерное усиление фото-
катода с помощью вторичных электронных эмиттеров. Последовательное
соединение ЭОП позволяет получить общее усиление светового потока,
близкое к произведению коэффициентов усиления отдельных ЭОП,
с учетом спектральных характеристик излучения экрана и чувствитель-
ности фотокатода.
Последовательное соединение, при котором изображение объекта
проецируется с экрана предыдущего преобразователя на фотокатод
последующего с помощью оптических систем, является малоэффектив-
ным из-за больших потерь светового потока в промежуточных оптиче-
ских системах.
Распространение получили конструкции ЭОП, основанные на прин-
ципе оптического контакта, когда однокамерные преобразователи
объединяются в общий вакуумный баллон (рис. 23.4). Каждая камера
отделяется от соседней тонкой (около нескольких микрон) прозрач-
ной пластинкой слюды или стекла, на которую с одной стороны
наносится слой люминофора, а с другой — фоточувствительный слой.
Комбинация экран—слюда—фотокатод называется каскадом усиления,
а ЭОП, содержащий каскады усиления, — многокамерным или каскад-
ным. Камер всегда на одну больше, чем каскадов усиления; так, двух-
камерный ЭОП содержит один каскад усиления. В практических кон-
струкциях число каскадов усиления обычно не превышает пяти, что
позволяет регистрировать каждый электрон, вылетающий из фото-
катода.
Для получения высокого коэффициента преобразования спектраль-
ные характеристики экрана и фотокатода каждого каскада усиления
должны быть хорошо согласованы, т.е. необходим высокий коэффи-
циент использования фотокатодом потока излучения с экрана. При этом
неважно, в каком участке спектра работает каскад с согласованными
спектральными характеристиками. Предел разрешения многокамерных
ЭОП определяется свойствами экрана и толщиной слюдяной перегород-
266
Рис. 23.4. Конструкция двухкамерного однокаскад-
ного ЭОП:
1 - фото катод первой камеры; 2 - анод первой
камеры; 3 - экран первой камеры; 4 - фотокатод
второй камеры; 5 - анод второй камеры; 6 - экран
второй камеры
Рис. 23.5. Трехмодульный двухкаскадный ЭОП:
1 - фотокатоды; 2 - экраны; 3 - стекловоло-
конные пластины
ки. Порошковые экраны на слюдяной перегородке толщиной 5-10 мкм
обеспечивают предел разрешения около 50 пар линий на миллиметр.
Недостатками многокамерных ЭОП с электростатической фоку-
сировкой являются высокое напряжение питания, неравномерность
предела разрешения по поверхности экрана (разрешение от центра к
краям экрана спадает в 5-10 раз), а также громоздкость конструкции
и сложность изготовления.
В значительной мере лишены указанных недостатков многокамерные
ЭОП, составляемые из отдельных однокамерных ЭОП-модулей, с ис-
пользованием для оптического контакта стекловолоконных плоско-
вогнутых пластин (рис. 23.5). Эти пластины состоят из множества тон-
ких (диаметром несколько микрон) стеклянных волокон. Плоские
отполированные наружные поверхности пластин позволяют осуще-
ствить хороший оптический контакт отдельных модулей, которые обыч-
но вставляются в общую цилиндрическую капсулу. Определенный
профиль внутренней поверхности стекловолоконных пластин, на кото-
рые наносится фоточувствительный слой или люминофор, обеспечивает
равномерную разрешающую способность по экрану. В результате раз-
решающая способность на краях поля зрения увеличивается более чем
в 10 раз. Коэффициент усиления яркости многомодульных ЭОП несколь-
ко ниже, чем в многокамерных ЭОП с таким же количеством камер,
что объясняется большими потерями света (до 40%) в стекловолокон-
267
1 2
3
4
Рис. 23.6. Устройство ЭОП с динодным умножителем, работающим ”на прострел”:
1 - фото катод; 2 - фокусирующая катушка; 3 - диноды; 4 - экран
ных межкаскадных соединениях по сравнению с потерями в тонких
слюдяных пластинках.
Эффективным способом повышения коэффициента усиления ярко-
сти является внутрикамерное усиление фототока вторично-электрон-
ными умножителями. В настоящее время в ЭОП применяются два типа
умножительных систем: система с плоскими вторичными эмиттерами
сквозного типа, работающими ”на прострел”, и распределенная умножи-
тельная система в виде микро канальных пластин (см. § 14.3).
Тонкопленочные эмиттеры, работающие ”на прострел”, были рас-
смотрены в §. 13.2, поэтому остановимся толькона особенностях их
использования в ЭОП. При ускоряющем напряжении между пластинами
около 5 кВ коэффициент вторичной эмиссии динода достигает 5. Более
высокий коэффициент вторичной эмиссии (30-40) может быть получен
в толстых (около 10 мкм) рыхлых пленках хлористого калия, нане-
сенных на алюминиевую пленку путем испарения в атмосфере инертного
газа. Вдоль слоя пористого диэлектрика располагается мелкоструктур-
ная сетка, на которую подается напряжение 50—250 В относительно
проводящей подложки. В результате в слое диэлектрика возникает
сильное электрическое поле, напряженность которого достигает
105 В/см. Это поле облегчает выход вторичных электронов, образуемых
в результате лавинной ионизации первичными электронами. Коэффи-
циент усиления яркости в таких ЭОП может быть получен около
104- 10s.
Предел разрешения каскада усиления ”на прострел” в основном опре-
деляется большим значением начальной энергии вторичных электронов
268
Рис. 23.7. Конструкции ЭОП с умножительной системой на микроканальных пла-
стинах:
а - плоский ЭОП; б - ЭОП с электростатической линзой (7 - фотокатод;
2 — анод; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран)
по сравнению с фотоэлектронами. Снижение предела разрешения и
уменьшение контрастности изображения происходит также в результате
пролета первичных электронов через динод без потери энергии. Вы-
сокая энергия электронов (более 50 эВ) препятствует их фокусировке,
что значительно снижает качество изображения.
На рис. 23.6 схематически изображен ЭОП с динодным умножителем,
работающим ”на прострел”. Фокусировка электронов осуществляется
длинной магнитной катушкой. Поле катушки создает ряд фокальных
плоскостей, с которыми и совмещены диноды. Предел разрешения пя-
тидинодного ЭОП с магнитной фокусировкой достигает 30 пар линий на
миллиметр.
Серьезный недостаток ЭОП с умножительной системой, работающей
”на прострел”, — малая долговечность, которая объясняется отравле-
нием фотокатода хлором, выделяющимися из динодов при электрон-
ной бомбардировке.
В последнее время широкое распространение получают системы
умножения ЭОП на МКП. Множество соединенных параллельно каналов
диаметром 10-20 мкм в одну микроканальную пластину усиливает
двухмерное электронное изображение с фотокатода, сохраняя при
этом пространственное распределение информации.
В плоском ЭОП с МКП (рис. 23.7, а) электронное изображение с фо-
токатода переносится на входную поверхность микроканальной пласти-
ны однородным электростатическим полем. Разделенное множеством
независимых каналов на элементы, электронное изображение усили-
269
вается по интенсивности и с выхода МКП переносится на экран также
однородным полем. Входная поверхность МКП находится на расстоянии
0,1—0,2 мм от фотокатода, что обеспечивает высокую напряженность
поля при сравнительно небольшом ускоряющем напряжении
(300-500 В). Предел разрешения такого ЭОП составляет 30-40 пар
линий на миллиметр. При расстоянии МКП от экрана 0,5 мм и ускоряю-
щем напряжении 5 кВ кружок рассеяния получается меньше отверстия
канала. Недостатками плоских ЭОП с МКП являются сложность изго-
товления, ионная и оптическая обратные связи, а также ’’сквозной”
пролет электронов через канал без соударений со стенками.
Эти недостатки почти устранены в ЭОП с электростатической линзой
и МКП (рис. 23.7, б). Увеличение расстояния фотокатод - МКП дает
возможность увеличить напряжение, ускоряющее фотоэлектроны.
Повышение энергии фотоэлектронов, в свою очередь, позволяет нанес-
ти на входную поверхность МКП тонкую алюминиевую пленку, предот-
вращающую появление ионной и оптической обратных связей; Кроме
того, угловое распределение электронов на выходе такой пленки почти
не зависит от угла прихода первичных фотоэлектронов, что обеспечи-
вает более равномерное усиление по всей поверхности МКП.
Применение МКП дает возможность получить в одном приборе коэф-
фициент преобразования 103 — 10s, т.е. такое же значение, какое дает
трехкамерный ЭОП с двумя каскадами усиления, построенными по
принципуоптического контакта экран—фотокатод.
Рентгеновские ЭОП. Широкое применение ЭОП находят в рентгенов-
ской технике. Малая допустимая доза рентгеновского облучения в меди-
цинской рентгеноскопии не позволяет получить удовлетворительное
изображение объекта исследования на люминесцентном экране. Уве-
личение эффективности рентгенолюминофоров до максимального теоре-
тического значения позволило бы повысить яркость современных экра-
нов не более чем на порядок, а для существенного улучшения качества
рентгеновских приборов необходимо усиление яркости в несколько
тысяч раз. Использование рентгеновского ЭОП обеспечивает усиление
яркости в 5—15 тыс. раз при пределе разрешения, отнесенном к входно-
му экрану, до 3 пар линий на миллиметр.
В рентгеновском ЭОП в отличие от обычного происходит тройное
преобразование изображения: рентгеновское излучение преобразуется
рентгенолюминофорным экраном в световое, световое изображение
с экрана передается на находящийся с ним в оптическом контакте
фотокатод, далее электронное изображение прееносится на катодолю-
минофорный экран, на котором возникает световое изображение, обыч-
но сжатое в 10 раз.
Применение рентгеновских ЭОП в области нераэрушающего контроля
материалов и изделий позволило повысить информативность и чув-
ствительность дефектоскопов.
270
Контрольные вопросы и задания
1.	Каково назначение ЭОП?
2.	От чего зависят и чем отличаются коэффициент усиления яркости
и коэффициент преобразования?
3.	Какие достоинства и недостатки имеют плоские ЭОП?
4.	Какую роль в работе ЭОП играет его ЭОС?
5.	Для чего применяются волоконно-оптические элементы в конструк-
ции ЭОП?
6.	Как осуществляется фокусировка электронов в ЭОП с динодным
усилителем, работающим ”на прострел”?
7.	Опишите принцип работы и конструкцию ЭОП с умножительной
системой на МКП.
8.	Каково принципиальное отличие рентгеновских ЭОП?
Часть пятая
ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава двадцать четвертая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОННЫХ ПРИБОРАХ
24.1. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
И ОСОБЕННОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ
Электрический разряд (ток) в газе возникает, когда к электродам
газонаполненного промежутка прикладывается напряжение, способное
вызвать ионизацию атомов и молекул газа и превратить его из диэлект-
рика в проводник.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) простейшего
диодного газонаполненного промежутка, представляющего собой два
холодных металлических электрода (анод и катод), пространство между
которыми заполнено газовой средой. Такая ВАХ для стационарного
включения изображена на рис. 24.1, причем по оси абсцисс откладывается
ток в логарифмическом масштабе.
При низких напряжениях (менее 50 В) газовый промежуток является
почти идеальным изолятором, а небольшой начальный ток 10'10~
10'12 А, протекающий через него, обусловлен внешними ионизирую-
щими факторами, в частности космическим излучением. Увеличение
начального тока с напряжением на участке АВ ВАХ обусловливается
более полным собиранием на электродах ионов и электронов, появив-
шихся в результате ионизации внешними факторами нейтральных ато-
мов или молекул в объеме. На участке ВС ВАХ собирание происходит
полностью и ток достигает почти постоянного значения.
Когда напряжение становится выше 50—200 В (в зависимости от ма-
териала катода и используемого газового наполнения), электроны,
созданные благодаря внешним факторам, ускоряются в электрическом
поле настолько сильно, что приобретают способность ионизировать ато-
мы или молекулы нейтрального газа; при этом возникают вторичные
электроны и ионы. Этот процесс, называемый газовым усилением, соот-
ветствует участку CD ВАХ.
Область ВАХ между точками А и D характеризует несамостоятельный
разряд, поддержание которого возможно только с помощью заряженных
частиц, создаваемых под действием внешних факторов. Помимо упо-
мянутого выше космического излучения ими могут быть радиоактив-
ность, нагрев или облучение катода. При ослаблении действия внешних
факторов ВАХ несамостоятельного разряда сдвигается влево (штрихо-1
вая часть ВАХ между точками AB'C'D).
272
Рис, 24.1. Вольт-амперная ха-
рактеристика диодного газо-
разрядного промежутка
По мере дальнейшего увеличение напряжения нарастает число вторич-
ных электронов и ионов, ионы, двигаясь к катоду, вызывают эмиссию
новых электронов, последние, ускоряясь по направлению к аноду, вы-
зывают ионизацию новых атомов и т.д. При определенных условиях
такого замкнутого цикла ионизация-эмиссия-ионизация разряд из
несамостоятельной формы переходит в самостойтельную, для под-
держания которой уже не требуется внешних ионизирующих фак-
торов.
При самостоятельном разряде воздействие внешних ионизирующих
факторов несущественно, и две ветви ВАХ, соответствующие разным
уровням внешних факторов, сливаются в одну (ВАХ между точками
DEFGHKL).
Участок самостоятельного разряда DE соответствует тихому (таун-
сендовскому) разряду. Напряжение на промежутке для этого участка
называется напряжением возникновения самостоятельного разряда UB.
Дальнейшее увеличение тока через промежуток приводит к искаже-
нию электрического поля между электродами, в результате которого
основная часть перепада напряжения прикладывается к катодной об-
ласти. Вследствие этого эффективность ионизационных процессов в
промежутке нарастает, а напряжение, необходимое для поддержания
разряда, падает (участок EF ВАХ) .
За падающим участком ВАХ следует область плоского минимума
FG, соответствующая нормальному тлеющему разряду и характеризуе-
мая примерно постоянными плотностью тока и падением напряжения на
промежутке t7KjH, а также возникновением интенсивного свечения у
катода. Поскольку плотность тока здесь постоянна, то при увеличении
полного тока пропорционально растет часть катода, покрытая свечением
разряда. Когда вся поверхность катода светится, дальнейшее увеличение
тока становится возможным лишь за счет повышения его плотности.
При этом тлеющий разряд переходит из нормальной в аномальную
форму (участок GH ВАХ) .
273
I----------- Рис. 24.2. Схема включения диодного газоразрядного
Д.	промежутка
[К
Еа Режим сильно аномального тлеющего разря-
| ® А	да (близко к точке Н) характеризуется интен-
К-Ф-У	сивным нагревом и усилением электрического
к [____________ поля у катода. Под воздействием этих факто-
ров происходит переход от тлеющего к дугово-
му разряду (участок НК ВАХ). Для дугового
разряда (участок KL ВАХ, токи больше ампера) характерно увеличение
плотности мощности, выделяемой на катоде, и локализация тока на
небольшом участке — катодном пятне, являющемся интенсивным ис-
точником термоэлектронной или электростатической эмиссии.
Простейшая схема включения диодного газонаполненного проме-
жутка изображена на рис. 24.2. То обстоятельство, что рассматривае-
мый прибор наполнен газом, отмечено жирной точкой на поле баллона
(согласно ГОСТ любые газоразрядные приборы отмечаются таким же
образом).
Из приведенной ВАХ следует, что ограничение тока через промежуток
на горизонтальных участках ВАХ возможно только с помощью бал-
ластного (токоограничивающего) резистора Ял. Дифференциальное
сопротивление прибора на этих участках близко к нулю, и при непо-
средственном подключении его к источнику напряжения Еа ничто не
препятствует неограниченному нарастанию тока. Поскольку именно
горизонтальные участки (тлеющего FG и дугового разрядов KL) наи-
более часто используются в реальных приборах, то токоограничивающий
элемент почти всегда присутствует в схемах включения.
Для приведенной на рис. 24.2 схемы можно записать простое соот-
ношение, связывающее токи и напряжения:
Ел = Za^a + ип(Г),	(24Л)
где Un(I) — напряжение поддержания разряда, являющееся функцией
тока. Для тлеющего разряда Un ъ UK,H составляет 50—200 В, для ду-
гового 10—20 В.
24.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОННЫХ ПРИБОРОВ
Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газе, при-
веденная на рис. 24.1, часто используется для построения классификации
ионных приборов по типам разряда. Несамостоятельные разряды, а так-
же слаботочный таунсендовский разряд применяются в газоразрядных
детекторах ионизирующих излучений. В этих приборах под воздействием
ионизирующих частиц (а-частиц, рентгеновского излучения, 7-излучения
и т.п.) в газовом промежутке генерируются электрон-ионные пары,
274
которые либо просто собираются на электродах (ионизационные каме-
ры) , либо размножаются в газовом промежутке и затем уже собираются
на электродах (пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюл-
лера) .
Широкое применение в современной радиоэлектронике нашли прибо-
ры тлеющего разряда и в особенности индикаторы тлеющего разряда.
Их распространение обусловлено малой потребляемой электрической
мощностью и высоким коэффициентом-преобразования электрической
энергии в световую, а также некоторыми функциональными свойствами
тлеющего разряда — возможностями запоминания и адресации информа-
ции по индикаторному полю прибора с помощью весьма простых схем
управления.
Поскольку дуговой разряд происходит при сравнительно больших
токах, основанные на нем приборы применяются для преобразования
одного вида электрической энергии в другой (переменного тока в
постоянный, постоянного тока в переменный, постоянного тока в им-
пульсный) . В приборах этой группы часто используются вентильные
свойства газоразрядного промежутка, обусловленные тем,' что катод
эмиттирует намного больше электронов, чем анод. Преобразовательное
приборы дугового разряда разделяются на две подгруппы: приборы не-
самостоятельного дугового разряда (газотроны и тиратроны), в кото-
рых источником электронов является термокатод, и приборы само-
стоятельного дугового разряда с металлическим (обычно ртутным)
катодом.
Следует отметить, что в связи с бурным прогрессом полупроводни-
ковой силовой электроники область применения выполняющих те же
функции ионных приборов резко сузилась и они используются, в ос-
новном, для преобразования электрической энергии при высоких уров-
нях мощности. Наиболее конкурентоспособными по отношению к по-
лупроводниковым приборам оказались импульсные приборы (водо-
родные тиратроны и клиперные диоды, применяемые в модуляторах
радиолокационных станций).
Помимо перечисленных групп ионных приборов широко исполь-
зуются искровые разрядники (искровой разряд — сильноточная им-
пульсная форма разряда, возникающая при высоком давлении напол-
няющего газа). Рисунок 24.1 относится к стационарному режиму разря-
да, искровой разряд на нем не показан.
Глава двадцать пятая
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ ПРИБОРАХ
25.1.	ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ В РАЗРЯДЕ
Под воздействием электрического поля частицы в газовой среде
приобретают кинетическую энергию, в результате чего между ними
начинают происходить разнообразные взаимодействия - элементарные
процессы. Элементарные процессы делятся на две группы: упругие
соударения, при которых не меняется потенциальная энергия участвую-
щих во взаимодействии частиц, и неупругие соударения, сопровождаю-
щиеся переходом кинетической энергии в потенциальную или потен-
циальной энергии в кинетическую. Дополнительно различают неупругие
соударения первого рода, в которых потенциальная энергия в резуль-
тате взаимодействия возрастает, и второго рода, в которых потенциаль-
ная энергия в результате взаимодействия уменьшается.
Основные сведения о наиболее важных видах взаимодействий частиц
сведены в табл. 25.1. При записи использованы следующие обозначе-
ния: hv — фотон, А, В — нейтральный атом или молекула; А* — воз-
бужденный атом или молекула, Ам, Вм — метастабильный1 атом или
молекула, А +, В+ — положительный атомный или молекулярный ион.
Упругие соударения в основном происходят при малых энергиях
электронов, когда возбуждение или ионизация невозможны и резуль-
татом взаимодействия является только передача доли кинетической
энергии от электрона к атому или молекуле. Эта доля определяется
формулой
ке = 2те/ тЛ,
(25.1)
где те — масса электрона; та — масса атома. Поскольку масса элект-
рона много меньше массы атома, ке всегда мало. Значение ке изменя-
ется от 2,78 • 1СГ4 для атомов Не до 5,5 • 1СГ6 для атомов Hg.
Неупругие соударения становятся возможными при больших энер-
гиях электронов. Исходя из законов сохранения полной энергии систе-
мы частиц, участвующих во взаимодействии, можно найти максималь-
ную кинетическую энергию, переходящую в потенциальную энергию,
при соударении двух частиц с массами гщ и в случае, когда частица
с массой т2 находится в состоянии покоя
m2
Листах ~ ~	,
гП J + гП 2
(25.2)
1 От греческого meta — после, за, через. Метастабильные атомы или моле-
кулы — это разновидность возбужденных атомов или молекул с большим вре-
менем жизни.
276
Я
Я
е
в
и
§
§
п
Я
сп
&
§
Таблица 25.1. Основные виды элементарных процессов в газовом разряде
Я
о
&
§
ffi
я
В
у
’5
я
§
tn
ffi
о
g
я
S
к
Я
S
Я
X
я
о
&
2S
С.
*&
&
8 &
&
5
8
и
а
2
		си	а> + +	<и +		
	« 2	+ +	* + •ч;	+ ач	+	-5!
	•ч; х		+ +	+	t	+
+	+ +	+	Si			
си	<А> <и	си	1	1	t	+	t
t	1 ф	t	S 2	ач	+	X
	•ч; -ч;			+		
+	+ +	+	+ g +	2	+	+
си	си CW	си	<u S <u		си	
св я S						
о Й			о			
	3		§			
Я «	3	g	о		3	
о о S £	S о	§	hs		§ «	<Ь £
о Я g g V о g- 3 fi ° 3 о Л О s	£ о S V S в •г 2	ация электрон и	ация или возб; обильного ато >онным ударо	Св § X X о е 1	о & я 1 X S ю	S ж и я S 9 1
И и >» и	«о а п « £ К	СП Л § а S « о я X >ч	s s S	СП S S О X	3 § V 0-	о S СХ 0 с? « я S >ч 0-
§
§
где Wr - энергия частицы с массой wij. Если первая частица - элект-
рон, а вторая - атом (т2 > то из (25.2) следует, что &WKtnax ~
«и Wi, т. е. вся кинетическая энергия электрона тратится на возбуждение
или ионизацию. Очевидно, что возбуждение или ионизация становятся
возможными при > t/B, > £/., где С7В, С7. — потенциалы воз-
буждения или ионизации атома.
Вероятность возбуждения или ионизации зависит от того, насколь-
ко Wj превышает С7В или С7. . Чтобы найти эту вероятность, зададим
дифференциальное эффективное сечение элементарного процесса,
определяемое как число соударений, испытываемых электроном на
одном метре пути, которые заканчиваются данным элементарным про-
цессом. Из этого определения вытекает, что эффективное сечение Q
обратно. пропорционально средней длине свободного пробега X, т. е.
Q = 1/Х. Очевидно, что сумма таких дифференциальных эффективных
сечений равна полному эффективному сечению для электронов
Qe = Qey + 2ев + Qei + • • •>	(25.3)
где Qe у - дифференциальное эффективное сечение для упругих соуда-
рений; QeB - дифференциальное эффективное сечение для возбужде-
ния; Qei — дифференциальное эффективное сечение для ионизации.
Теперь можно найти вероятности элементарных процессов соеу =
= Qe у/ Qe > weB = Qesl Qe j ^ei = Qei I Qe > •••
Разделив правую и левую части (25.3) на Qe, получим, что
соеу + ыев + ые1- + ... = 1.	(25.4)
Как и следовало ожидать, сумма вероятностей элементарных про-
цессов равна единице.
Экспериментальные зависимости вероятностей упругих, возбуж-
дающих соударений и ионизации от энергии электронов, выраженной
через потенциал, для паров Hg иллюстрируется рис. 25.1. Из рисунка
видно, что наибольшее абсолютное значение имеет вероятность упругих
соударений соеу, однако с ростом энергии электронов ее значение
быстро падает.
Кривая вероятности возбуждения соев начинается в области напряже-
ний, близких к потенциалу возбуждения, достигает максимума около
потенциала ионизации, после чего круто спадает.
Значения вероятности ионизации с ростом энергии почти линейно
нарастают в диапазоне Ue от Ц. до (3 + 4) Ц , затем достигают макси-
мума и спадают. Таким образом, упругие соударения и возбуждение
происходят в значительно более узком диапазоне энергий электронов,
чем ионизация.
Дифференциальное эффективное сечение и вероятность элементар-
ного процесса задаются для строго определенной энергии электрона.
В каждой точке пространства газоразрядного промежутка скорость
278
Рис. 25.1. Вероятности упругих, возбуждающих соударений и ионизации в за-
висимости от энергии электронов
Рис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента ионизации от приведенной
напряженности электрического поля
электронов не постоянна, а распределена вокруг некоторого среднего
значения, определяемого, с одной стороны энергией, приобретенной
в электрическом поле, и, с другой стороны, потерями энергии при раз-
личного рода соударениях с частицами газа. Таким образом, даже при
строго постоянной напряженности электрического поля в промежутке
электроны характеризуются не постоянной энергией, а распределе-
нием по энергиям, что затрудняет расчет ионизации газа.
Для того чтобы обойти эту трудность, Таунсенд ввел понятие коэф-
фициента объемной ионизации а, равного числу ионизаций, производи-
мых электроном в среднем на 1 м пути для данной напряженности
электрического поля Е. Найдем связь между вероятностью ионизации
соег- и коэффициентом а.
Как указывалось выше, на 1 м пути электрон испытывает Qe = 1 /Хе
столкновений с атомами газа. Из этих столкновений ионизирующими
будут только те, при которых электрон пройдет в электрическом
поле путь Хе/ , достаточно большой, чтобы накопить энергию, необ-
ходимую для ионизации. Этот путь можно найти по формуле
eE\ei = еСЛ ,	(25.5)
где Е — напряженность электрического поля в промежутке.	_
Вероятность того, что при средней длине свободного пробега Хе
электрон пройдет до соударения путь, равный или больший Хе/, опре-
деляется как
=е-Хе//Ч	(25.6)
Очевидно, что коэффициент а, т. е. число ионизаций на 1 м пути, ра-
вен произведению общего числа соударений, испытываемых электроном
279
на 1 м пути Qe, на вероятность того, что электрон пройдет до
соударения путь, равный или больший Хег- (при условии, что для лю-
бых X > Хе; вероятность ионизации принята равной единице). Тогда
«= <%;•& = <%.Ае,	<25’7)
и, подставляя сюда (25.5) и (25.6), получаем
а =	(25.8)
Хе
Поскольку
Хе = Хео/Ро>	(25.9)
где Хе о - средняя длина свободного пробега электронов для давления
1 Па при температуре О °C, а р0 — давление газа, приведенное к темпе-
ратуре О °C, то (25.8) принимает вид
-СгКЕ/ро)
a/ро = С,е ™ ,	(25.10)
где Ci = 1/Хе0; С2 = Ц./Хе0.
На рис. 25.2 приведен график зависимости а/р0 от Е/р0 согласно
(25.10), причем коэффициенты С\ и С2 подобраны эмпирически. Такой
подход оказывается необходим, поскольку при выводе было сделано
допущение о постоянстве <ое1- при X > Хег-. Заметим, что коэффициент
а значительно удобнее для теоретического анализа и расчета параметров
разряда, чем <х>е!- или Qet .
В газовых средах, используемых в приборах, часто возникает разно-
видность возбужденных атомов или молекул - метастабили. Для мета-
стабильного атома вероятность перехода на более низкий энергетиче-
ский уровень на несколько порядков ниже, чем у обычных возбужден-
ных атомов. В результате время жизни метастабильных атомов оказы-
вается больше и, следовательно, концентрация их в разрядном проме-
жутке значительна.
Потенциалы обычных и метастабильных уровней возбуждения и по-
тенциалы ионизации наиболее часто применяемых газовых наполнителей
приборов приведены в табл. 25.2. Из таблицы видно, что энергия мета-
стабильного состояния составляет значительную долю энергии иониза-
ции, но все же меньше этой энергии.
Наличие метастабильных атомов в газовом промежутке приводит
к возникновению ступенчатых процессов возбуждения и ионизации^
Первой ступенью такого процесса является создание метастабильного
атома (поз. 2, табл. 25.1), второй ступенью — ионизация или возбужде-
ние метастабильного атома электронным ударом (поз. 4, табл. 25.1).
Для таких реакций требуется подвести к атому энергию U. — Um илй1
С7В - Um, что значительно меньше энергий t/B или Ц., необходимых для
280
Таблица 25.2. Потенциалы возбуждения J7B, метастабильного состояния Um
и ионизации [Л для различных газов
Потен- циал	Не	Ne	Аг	Кг	Хе	Hg	Н
Ц,	21,2	16,85	11,6	10	8,45	4,89	10,2
ит	19,8	16,62	11,55	9,91	8,32	4,67 •	-
Ui	24,58	21,56	15,75	13,99	12,13	10,43	13,6
прямого возбуждения или ионизации. Например, для паров Hg соот-
ветствующая энергии для ступенчатой ионизации составляет ~ 5 эВ,
а не ~ 10 эВ.
Другой важной особенностью ступенчатых процессов является то,
что их интенсивность пропорциональна квадрату разрядного тока, а не
его первой степени, как это имеет место при возбуждении или иониза-
ции прямым электронным ударом. Это связано о тем, что в ступенчатой
реакции участвуют и электрон, и метастабильный атом, а число и тех
и других пропорционально току.
Перейдем теперь от рассмотрения ударов первого рода, при кото-
рых потенциальная энергия частиц после реакции возрастает, к ударам
второго рода, приводящим к ее уменьшению.
Как пример неупругих соударений второго рода рассмотрим иониза-
цию Пеннинга (поз. 5, табл. 25.1) смеси Ne с небольшим количеством
Аг, процесс, часто используемый в приборах тлеющего разряда для
понижения напряжений возникновения и поддержания разряда. Из
табл. 25.2 видно, что потенциал ионизации Аг (15,75 В) несколько
меньше, чем потенциал метастабильного уровня Ne (16,62 В), что дела-
ет энергетически возможным реакцию Ne"1 + Аг -* Ne + Аг+ + е. При
этом метастабильный атом Ne"1 отдает свою энергию нейтральному
атому Аг и последний ионизируется.
Поскольку разность значений Um для Ne и U. для Аг мала, вероят-
ность этого процесса оказывается велика. В результате в данной смеси
уже при сравнительно низкой напряженности электрического поля,
недостаточной для ионизации, электроны соударяются с атомами Ne,
которых в данной смеси подавляющее большинство, и переводят их в
метастабильное состояние. В свою очередь метастабили, соударяясь
с атомами Аг, ионизируют их.
Помимо генерации заряженных частиц в газоразрядном промежутке
всегда происходит и обратный процесс — их исчезновение (рекомбина-
ция) . В этом случае избыточная потенциальная энергия превращается
в кинетическую.
При рекомбинации положительного иона с электроном (поз. 6,
тдбл. 25.1) число актов рекомбинации, происходящих в единице объе-
ма газа за время dt, пропорционально и концентрации положительных
281
ионов и концентрации электронов, т. е.
dn = -агп{ n^dt,	(25.11)
где н;. — концентрация положительных ионов; пе — концентрация
электронов; аг — коэффициент; пропорциональности, называемый
коэффициентом объемной рекомбинации, м3 • с-1. Вероятность про-
цесса, т. е. коэффициент а? , зависит от того, как отводится избыточ-
ная потенциальная энергия. При рекомбинации в тройном соударении
эта энергия передается молекуле газа. Поэтому процесс рекомбинации
в тройных соударениях оказывается вероятным только при высоких
давлениях. При рекомбинации с излучением избыточная энергия выде-
ляется в виде кванта. Вероятность последнего процесса невелика и
слабо зависит от давления.
25.2.	ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭМИССИИ В УСЛОВИЯХ
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
Необходимым условием прохождения тока в ионном приборе явля-
ется эмиссия заряженных частиц (электронов) из катода. Конкретный
вид эмиссии в приборе связан с формой разряда, т. е. с используемым
участком ВАХ.
В детекторах ионизирующего излучения и приборах тлеющего разря-
да применяются холодные катоды, эмиттирующие электроны под дей-
ствием бомбардировки ионами, метастабильными атомами и фотонами.
Процессы вторичной эмиссии электронов в условиях газового разряда
объединяются под названием 7-процессов.
На катод попадают практически все ионы, поскольку эти положитель-
но заряженные частицы притягиваются полем, и только определенная
часть остальных незаряженных частиц, метастабильных атомов и фото-
нов, зависящая от телесного угла, под которым виден катод из места
зарождения частицы.
Обычно 7-процессы не детализируют, а характеризуют обобщенным
коэффициентом 7, который определяется как вероятность освобожде-
ния из катода вторичного электрона на один попадающий на катод ион,
но с учетом того, что одновременно катода достигают сопутствующие
метастабильные атомы и фотоны. Такой подход оправдан с точки зре-
ния расчетов основных параметров — напряжений возникновения и
поддержания разряда.
Обобщенный коэффициент 7 можно представить в виде
7~ 7/ + fr^rlr +	>	(25.12)
где 7,-, 7r, 7т — коэффициенты вторичной электронной эмиссии для
положительных ионов, фотонов и метастабильных атомов соответст-
венно; Nr — отношение числа соударений, приводящих к генерации
282
Рис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной на-
пряженности электрического поля для разных материалов
Рис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7от приведенной на-
пряженности электрического поля при разных видах обработки катода
фотонов, к числу ионизирующих соударений; Nm — отношение числа
соударений, приводящих к появлению метастабильных атомов, к чис-
лу ионизирующих соударений; f и fm — геометрические коэффи-
циенты, определяющие доли фотонов и метастабильных атомов, ко-
торые попадают на катод.
Экспериментально полученные зависимости 7 от отношения напря-
женности электрического поля к давлению Е/р0 в газоразрядном про-
межутке в аргоне для различных материалов катодов приведены на
рис. 25.3. Как отмечалось в § 25.1, параметр Е/р0 характеризует сред-
нюю энергию, приобретаемую электроном в электрическом поле на
длине свободного пробега, т. е. перед элементарным процессом соуда-
рения, в результате чего от Е/р0 зависит распределение энергии, идущей
на возбуждение, ионизацию и излучение, а также кинетическая энергия
иона перед ударом о катод. Поэтому обобщенный коэффициент 7 зави-
сит от Е/р0.
Из кривых на рис. 25.3 видно, что 7 сильно зависит от материала
катода, причем катоды с малой работой выхода (Na, Ва) имеют
большее 7,чем катоды с высокой работой выхода (Pt).
Характер зависимости 7 от Е/р0 может быть объяснен следующим
образом. При высоких значениях Е/р0 > 30 В • м-1 • Па-1 имеет место
монотонное возрастание 7, что связано с увеличением коэффициента
7. с ростом кинетической энергии ионов, набираемой в электрическом
поле. При снижении отношения Е/рй резко возрастают коэффициенты
Nr и Nm в (25.12) и 7 снова увеличивается.
В реальных приборах существенное влияние на 7 оказывают поверх-
ностные пленки, зависящие от обработки электродов прибора. Кривые,
иллюстрирующие влияние поверхностных пленок на 7 для медного ка-
тода и водородного наполнения, даны на рис. 25.4. Кривая 1, относя-
щаяся к слегка окисленной меди, имеет явно выраженный максимум
при низких значениях Е/ра. После обезгаживания катода в вакууме
283,
при 400 °C в течение 100 ч у снижается, а максимум исчезает (кри-
вая 2). Ионная бомбардировка поверхности в тлеющем разряде в во-
дороде приводит к дальнейшему спаду у во всем диапазоне Е/ р0 (кри-
вая 2). Анализ кривых позволяет сделать вывод, что удаление окис-
ной пленки приводит к увеличению работы выхода катода и сначала
к исчезновению максимумов, связанных с фотоэффектом, а затем и
к дальнейшему уменьшению у, причем кривая 3 имеет монотонно нара-
стающий вид, характерный для чисто ионного механизма вторичной
эмиссии, когда
7,- > fr1rNr + fm^m-
В дуговых приборах несамостоятельного разряда применяются термо-
катоды. Напомним, что закономерности термоэмиссии и виды таких
катодов описаны в гл. 2, 3. В дуговых приборах самостоятельного раз-
ряда с жидким ртутным катодом имеет место электростатическая эмис-
сия, которая также была описана выше [см. гл. 2]. Наконец, в импуль-
сных приборах, подобных разрядникам, на различных стадиях работы
прибора существуют различные виды эмиссии. В начальной стадии воз-
никновения разряда существенны у-процессы, а в стадии протекания
мощного импульса тока преобладает электростатическая или термо-
электронная эмиссия. Таким образом, в ионных приборах используются
практически все основные известные типы эмиссии.
25.3.	ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ
Появляющиеся в результате ионизации или эмиссии в газе заряжен-
ные частицы, так же как и нейтральные частицы, находятся в состоя-
нии непрерывного движения. В отсутствие электрического поля и при
условии, что концентрация заряженных частиц в пространстве всюду
одинакова, движение частиц является строго беспорядочным, а все на-
правления этого движения равновероятными. Создаваемый таким дви-
жением ток через любое сечение в газовом промежутке равен нулю.
Появление электрического тока, т. е. направленного движения ча-
стиц в газе, может быть связано с одной из двух причин: наличием
электрического поля; неравномерностью распределения зарядов в
пространстве.
Из-за большого числа нейтральных частиц движение заряженных
частиц и при наличии тока остается в значительной степени беспоря-
дочным, т. е. возникает так называемое беспорядочно-направленное
движение. Для упрощения дальнейшего анализа будем считать, что
имеются две независимые составляющие такого движения: беспоря-
дочная и направленная.
Беспорядочно направленное движение заряженных частиц под воз-
действием электрического поля называется дрейфовым. Сначала рас-
284
смотрим дрейфовое движение электронов, считая, что они в основном
испытывают упругие соударения. В отличие от движения в вакууме,
где электрон непрерывно набирает скорость, пока не достигнет анода,
в газе происходят многократные соударения, т. е. движение с ’’трени-
ем”, в результате чего устанавливается средняя скорость v.ex, направ-
ление которой противоположно вектору напряженности электриче-
ского поля Е и совпадает с осью X (рис. 25.5).
Найдем основные соотношения между средней скоростью направ-
ленного движения Vex, напряженностью электрического поля Е и сред-
ней длиной свободного пробега \е, характеризующей число соударе-
ний, испытываемых электроном на 1 м пути. Очевидно, что vex можно
определить по формуле
’гех= ДаЛпр.	(25.13)
Здесь Дх - среднее перемещение электрона в направлении оси X за
время пролета тпр, протекающее между двумя последовательными
соударениями электрона с атомами или молекулами (рис. 25.5). Для
7Пр можно записать соотношение
тПр = М^,.	(25.14)
где 7е — средняя скорость беспорядочного движения электронов. Тог-
да, считая движение электрона в поле равноускоренным и приняв на-
чальную скорость электрона после соударения равной нулю, полу-
чаем
Дх=ат*р/2,	(25.15)
где ускорение
а = -еЕ1те.	(25.16)
Подставляя (25.14) — (25.16) в (25.13),получаем
vex = -0,5етпрЕ/те = -0,5eXeE/meve = ~кеЕ,	(25.17)
где
ке = 0,5еХе/?ЛеРе.	(25.18)
Таким образом, скорость направленного движения электрона про-
порциональна напряженности электрического поля и направлена проти-
воположно вектору Е. Коэффициент пропорциональности ке в (25.17)
называется подвижностью электронов.
Выражение (25.17) в принципе отражает ход зависимости скорости
направленного движения электронов от напряженности поля, однако
численное значение коэффициента ке, вычисленное по (25.18), не точ-
но. Это связано со следующими упрощениями при выводе:
285
Рис. 25.5. Беспорядочно направленное движение электронов
Рис. 25.6. Зависимость направленной скорости электронов от приведенной на-
пряженности электрического поля
в (25.14) значение тпр находится как отношение средних значений
для числителя и знаменателя, в то время как правильнее усреднять
частное;
предположение о нулевой начальной скорости электрона после
соударения, из которого следует (25.15), не точно;
средняя скорость беспорядочного движения электронов ve может
зависеть от напряженности электрического поля.
Более точное решение для больших давлений и малых напряженно-
стей электрического поля, когда Ve еще не зависит от Е, дает вместо
коэффициента 0,5 в (25.18) значение 0,815. Тогда с учетом (25.9)
можно записать
vex =~ кеоЕ/Ро,	(25.19)
где ке0 =0,815еХ€О/меге.
Таким образом, скорость направленного движения электронов об-
ратно пропорциональна давлению газа. При меньших давлениях газа
и большей напряженности электрического поля, т. е. при большем
отношении Е/р0 средняя скорость беспорядочного движения электро-
нов v~e начинает нарастать, а коэффициент ке в (25.17) падает. В ко-
нечном счете скорость направленного движения электрона оказыва-
ется пропорциональной не первой степени, а корню квадратному из
напряженности электрического поля, что иллюстрируется зависи-
мостью 7>ех = f (Е/ р0), приведенной на рис. 25.6.
Уравнение (25.17) позволяет определить плотность направленного
тока Jeil через концентрацию электронов и напряженность электри-
ческого поля Е:
JeK= eneVex = епекеЕ.	(25.20)
286
Аналогичные (25.17) и (25.20)
уравнения для скорости направленно-
го движения и плотности тока можно
записать и для положительных ионов,
если вместо ке подставить
к. =	,	(25.21)
где X. - средняя длина свободного
пробега ионов; т. — масса иона;
17. — средняя скорость беспорядочно-
го движения ионов.
Поскольку X. те <т., то,
сравнив (25.19) и (25.21), мы уви-
дим, что подвижность электронов ке
Рис. 25-7. Биполярная диффузия
много больше подвижности ионов к. ,
откуда следует, что направленные скорости электронов много больше,
чем скорости ионов (уех > 17*).
Второй возможной причиной возникновения электрического тока
в газе является наличие неравномерности распределения зарядов в
объеме, т. е. перепада их концентрации. При этом возникает поток за-
ряженных частиц, направленный в сторону уменьшения концентра-
ции. Это так называемое диффузионное движение описывается диффе-
ренциальным уравнением, связывающим поток диффундирующих ча-
стиц vx со скоростью изменения концентрации dn/dx
vx = -Ddn/dx.
(25.22)
Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом
диффузии, причем его значение для электронов De много больше, чем
для ионов Di.
В условиях электрического разряда, происходящего в ионных при-
борах, часто возникает взаимосвязанное диффузионное движение ча-
стиц обоих знаков — положительных ионов и электронов, называемое
двухполярной диффузией.
Для иллюстрации рассмотрим качественно механизм двухполярной
диффузии в газоразрядной трубке. Если в сечении АВ такой трубки
возникла интенсивная ионизация, то концентрация положительных
п. и отрицательных пе частиц будет спадать в обоих направлениях
от оси, как это изображено на рис. 25.7. Наличие перепада концентра-
ций приводит к появлению диффузионных потоков ионов и электро-
нов вправо и влево от сечения АВ. При этом из-за большого коэффи-
циента De по сравнению с D{ вначале поток диффундирующих элект-
ронов больше, чем ионов, что приводит к появлению избыточного
объемного заряда ионов в сечении АВ и избыточного объемного за-
ряда электронов вдали от АВ. Между разделившимися таким образом
287
положительными и отрицательными зарядами появляется электриче-
ское поле, тормозящее электроны и ускоряющее ионы, благодаря
чему в дальнейшем потоки электронов и ионов выравниваются.
25.4.	ВОЗНИКНОВЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА.
КРИВЫЕ ПАШЕНД
Как указывалось в §24.1, электрический разряд в газе существует
в двух формах: несамостоятельной и самостоятельной. Для несамо-
стоятельного разряда необходимо, чтобы за счет внешних ионизаторов
(естественной или искусственной радиоактивности, космического
излучения, облучения коротковолновыми фотонами) в промежутке
или на электродах непрерывно возникали заряженные частицы. Эти
заряженные частицы либо просто собираются электрическим полем на
электродах, либо, соударяясь с частицами газа, ионизируют их, что вы-
зывает появление пар ионов и электронов и протекание усиленного
тока. При несамостоятельном разряде прекращение действия внеш-
него ионизатора приводит к исчезновению тока на электродах.
Напротив, при самостоятельном разряде влияние внешнего иониза-
тора на протекание тока в газоразрядном промежутке незначительно.
Это можно пояснить следующим образом. Пусть в результате каких-
либо процессов из катода вышел один начальный электрон. При доста-
точной напряженности электрического поля энергия, приобретенная
им на длине свободного пробега, может достигать значений, достаточ-
ных для возбуждения или ионизации газа, т. е. будет выполнено усло-
вие (25.5).
Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны уско-
ряются электрическим полем и вновь возбуждают или ионизируют
атомы или молекулы газа. В результате число электронов, продвигаю-
щихся к аноду, и число положительных ионов, устремляющихся к ка-
тоду, лавинообразно нарастает, и вместо одного электрона, начавшего
движение от катода, на анод попадает множество электронов, а на ка-
тод почти такое же число положительных ионов. Одновременно с иона-
ми на катод попадают фотоны и метастабильные атомы, образовавшие-
ся в результате взаимодействий в разрядном промежутке, их роль учи-
тывается обобщенным коэффициентом у (см. § 25.2).
Вся совокупность активных частиц, зародившихся в газоразряд-
ном промежутке, т. е. положительные ионы, фотоны и метастабильные
атомы, попадая на катод, вызывает эмиссию новой порции электро-
нов, в результате чего генерация лавин повторяется. Очевидно, процесс
прохождения лавин станет самовоспроизводящимся и не зависящим от
внешних факторов, когда один выходящий из катода электрон создаст
такое количество ионов, сопутствующих фотонов и метастабильных^
атомов, которое, попадая на катод, вновь вызовет эмиссию хотя бы
288
одного электрона. Выполнение этого условия и соответствует переходу
разряда из несамостоятельной формы в самостоятельную.
Перейдем к математическому описанию условия возникновения са-
мостоятельного разряда в плоскопараллельном промежутке. Для про-
стоты примем, что напряженность электрического поля в любой точке
промежутка постоянна и равна
Е= UJd,	(25.23)
где U& — напряжение на электродах; d — расстояние между ними.
Пусть в каком-либо сечении газового промежутка электронный
ток лавины равен ie, т. е. число электронов равно ie/e. Тогда на
пути Дх в направлении электрического поля Е приращение числа элект-
ронов определяется коэффициентом ионизации а и равно
Д/е/е= ieakx/e.	(25.24)
Сокращая на е и переходя к дифференциальной записи, получаем
die/dx = aie.	(25.25)
Разделив переменные и интегрируя в пределах от катода до анода,
получим
f dielie = J adx.	(25.26)
Г	О
уек
Здесь 1ел - электронный ток, приходящий на анод; 1ек - ток элект-
ронов, покидающих катод; d — расстояние между электродами.
Для плоскопараллельного промежутка с постоянной напряжен-
ностью электрического поля коэффициент а не зависит от х. В резуль-
тате интегрирование (25.26) даст
VW®*	(25.27)
Это означает, что один электрон, вышедший из катода, превращается
в электронов на аноде. Так как начальный электрон, вышедший из
катода, не имеет парного иона, то число ионов в лавине будет на один
меньше, чем электронов, т. е. равно е0^ — 1. Ионы, сопутствующие им
фотоны и метастабильные атомы, попадая на катод, выбьют в у раз
большее число электронов. Это позволяет записать сформулированное
выше условие возникновения самостоятельного разряда в виде фор-
мулы
y(ead-l)=l.	(25.28)
Для определения параметров разряда удобнее оперировать с напря-
жением, а не с расстоянием между электродами. Введем поэтому козф-
10-63S3
289
фициент ионизации г/, равный числу пар ионов и электронов, создан-
ных в результате ионизации нейтральных атомов одним электроном
при прохождении разности потенциалов 1 В. Очевидно, что число иони-
заций на пути 1 м равно числу ионизаций при прохождении разности
потенциалов 1 В, умноженному на падение напряжения на пути 1 м,
равное Е. Таким образом, можно записать формулу, связывающую
коэффициенты а и т), в виде
а~-Г]Е	(25.29)
и переписать условие возникновения самостоятельного разряда (25.28)
в виде
y(evEd - 1) = 1.	(25.30)
Для рассматриваемого нами плоскопараллельного промежутка с по-
стоянной напряженностью электрического поля значение Ed, найденное
из условия возникновения самостоятельного разряда (25.30), можно
считать равным напряжению возникновения самостоятельного разряда
U3. Тогда, логарифмируя (25.30), получаем
t/B = ln(l + l/7)/r?.	(25.31)
Аналитические зависимости т? = f(Elp0) = f(UB/pod) можно полу-
чить из (25.10). Их характерной особенностью является то, что с ростом
отношения Е/ръ значение т? нарастает, проходит максимум и снова спа-
дает. Поскольку у обычно слабо зависит от Е/рй, то можно принять,
что значение 1п(1/у + 1) почти не зависит от Е/р0. Тогда, подставив
Е/р0 = U3lpod, получим
f/B=ln(l + l/7)//(C7B/pod).	’	. (25.32)
Это неявное уравнение показывает, что
=	(25.33)
т. е. напряжение возникновения самостоятельного разряда является
функцией произведения давления на расстояние между электродами,
а не этих переменных в отдельности. Очевидно, максимальному зна-
чению г? =т?отвх соответствует минимальное U3 -U3mjn и оптимальное
(Е/Ра) opt ~ U^minl (Pod)opt • При (pod) > (Po</)opt> (E/Po) <
<{Elpo)opt и при (р0Ф) < (Pod)opt, (E/Po) >(E/p0)Opt всегда
U-в < Евпип-
Зависимость (25.33) была найдена экспериментально еще до ее тео-
ретического вывода и получила название закона Пашена, а соответ-
ствующие кривые — кривых Пашена. Типичные кривые Пашена для
различных газов показаны на рис. 25.8. Как и следует из теории, их
290
Рис. 25.8. Кривые Пашена для различных газов
характерной особенностью является наличие правой возрастающей и
левой спадающей частей, а также минимума, расположенного между
ними.
25.5.	ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
При рассмотрении возникновения самостоятельного разряда было
принято, что напряженность электрического поля в любой точке газо-
вого промежутка с плоскопараллельными электродами постоянна.
Распределение потенциала между электродами для этого случая соот-
ветствует прямой 1 на рис. 25.9. На самом деле это условие соблю-
дается только при малых токах в газоразрядном промежутке, когда
объемные заряды, создаваемые электронной и особенно ионной со-
ставляющими тока, ничтожно малы.
При увеличении тока в междуэлектродном промежутке накаплива-
ется заметный объемный заряд электронов и положительных ионов.
Поскольку генерация заряженных частиц (электрон-ионных пар) в про-
межутке носит лавинообразный характер, причем лавины нарастают
от катода к аноду, больше всего частиц генерируется перед анодом при-
бора. При высокой концентрации электрон-ионных пар здесь возникает
слой сильно ионизированного газа — плазмы, для которого характерна
высокая электропроводность и приблизительное равенство концентра-
ций электронов и ионов. Соответственно перепад потенциала на этом
участке будет незначительным. Распределение потенциала между элект-
родами после возникновения плазмы иллюстрируется кривой 2 на
рис. 25.9. При увеличении тока область плазмы расширяется по направ-
лению от анода к катоду.
При больших расстояниях между электродами отношение Е/р0 вна-
чале оказывается меньше, чем (E/p0)Opt, а коэффициент т? < т?твх.
По мере продвижения плазмы к аноду Е/р0 возрастает (ср. кривые
291
Рис 25.9. Изменение распределения потенциа-
ла между электродами в процессе формирова-
ния разряда
Рис. 25.10. Темные и светящиеся области тлею-
щего разряда
1 и 2) и значения т? увеличиваются. Продвижение плазмы к катоду
заканчивается при достижении приблизительного равенства (Е/р^) ~
» (Е/ро) opt, когда т? «поскольку значения (Е/р0) > (Е/р0) opt
приводят к уменьшению р по сравнению с Чтах- Распределение потен-
циала в катодной области, при котором т? =Т)тах и (Е/р0) ~(Е/р0) opf,
характерно для тлеющего разряда.
Остановимся подробнее на этой форме разряда, широко используе-
мой в индикаторных и других ионных приборах. При тлеющем разряде
в промежутке между электродами можно выделить ряд светящихся и
темных областей. Эти области располагаются в направлении от катода
к аноду в следующей последовательности (рис. 25.10): первая катод-
ная или астонова темная область 1, область первого катодного свече-
ния 2, вторая катодная темная область 3, область катодного тлеющего
свечения 4, фарадеева темная область 5, положительный столб 6, анод-
ная темная область 7, область анодного свечения 8.
Существование этих областей тесно связано с механизмом поддер-
жания тлеющего разряда. Первая катодная область не светится, так как
электроны, вышедшие из катода, не успевают в ней приобрести доста-
точной для возбуждения энергии. Такую энергию они приобретают,
только попав в область первого катодного свечения, где происходит
также ионизация газа. Поскольку электроны при ионизации теряют
свою энергию, возникает вторая катодная темная область. В ней
электронные лавины, идущие от катода, вновь ускоряются и, попадая
в следующую светящуюся область катодного тлеющего свечения, про-
изводят интенсивные возбуждение и ионизацию. Из-за размножения
электронов в лавине, идущей от катода к аноду, интенсивность иониза-
ции и яркость свечения в катодном тлеющем свечении заметно выше,
чем в первом катодном свечении.
Следующую темную область (фарадееву) в какой-то мере можно
рассматривать как повторение второй катодной темной области.
Электроны попадают сюда из катодного тлеющего свечения с энергией,
недостаточной для возбуждения или ионизации. Пройдя через нее, они
292
^увеличивают свою энергию, в результате образуется положительный
столб, занимающий остальную часть разрядного промежутка почти до
анода.
Положительный столб является плазменной областью. В нем суще-
ствует слабое электрическое поле и поддерживается слабая иониза-
ция, необходимая для компенсации потерь на стенки.
Концентрации ионов и электронов в положительном столбе равны,
а заряженные частицы движутся к стенкам за счет двухполярной диф-
фузии*, на стенках они рекомбинируют со скоростью, равной скорости
их образования. В положительном столбе интенсивно генерируются
фотоны ультрафиолетового излучения. Это позволяет, покрыв стенки
баллона люминофором, создать индикаторные приборы с различными
цветами свечения.
Условие возникновения самостоятельного разряда (25.31), записан-
ное для плоскопараллельного промежутка с равномерным распределе-
нием потенциала между катодом и анодом, может быть распространено
и на катодную область тлеющего разряда (области 1-3, рис. 25.10),
на которую приходится основная часть падения напряжения в проме-
жутке.
Когда условия в промежутке соответствуют значению (Е/р0) opt,
то разряд характеризуется нормальной плотностью тока на катоде
/цН, минимальным катодным падением UKiH и называется нормаль-
ным тлеющим разрядом. Поскольку при не очень больших расстоя-
ниях между электродами d падение потенциала в плазме невелико,
обычно принимают катодное падение ДС/К приблизительно равным на-
пряжению поддержания разряда Un. Значения JK K и С/К>н остаются
постоянными при изменении разрядного тока при условии, что разряд-
ное свечение покрывает не весь катод или не занимает слишком малую
часть его поверхности. Благодаря постоянству JK н с увеличением
разрядного тока пропорционально ему увеличивается поверхность ка-
тода, покрытая свечением (закон Геля) :
I = JK,KS,	(25.34)
где S — площадь катода, покрытая свечением.
Для катода, поверхность которого не полностью покрыта свечением,
значение J всегда стремится к JKjH. Можно показать, что аналогично
(25.31) соответствующее значение катодного падения равно
С7К,«= 1п(1 + 1/-у)Мэф,	(25.35)
здесь т?эф — эффективное значение коэффициента т? в нормальном
тлеющем разряде.
* Диффузия называется двухполярной, поскольку к стенкам одновременно
двигаются и электроны, и ионы.
293
Перейдем к определению плотности тока в тлеющем разряде. Ка-
тодная область характеризуется наличием объемного заряда ионов и
электронов с плотностями р;-, ре, которые можно выразить в виде
pi = Ji^ix’ Ре = Je^ex ’	(25.36)
где J. , Je и vix, vex — плотности направленного тока и скорости
дрейфа положительных ионов и электронов соответственно. Поскольку
на катоде Je =	1 (см. § 25.2) и V.x < vex (см. § 25.3), то
Je/~\>ex ЛЛ'х' Это позволяет записать уравнение Пуассона для ка-
тодной области в виде
dEj dx = -1,13 • 1011 J./vix.	(25.37)
Экспериментально было найдено, что в катодной области Е линей-
но спадает от Ек при х = 0 на катоде до Е = 0 при х -dK на анодной гра-
нице катодной области, т. е. dE/dx = const.
Используя выражение для направленной скорости ионов V. , ана-
логичное (25.19), считая, что на катоде почти весь ток переносится
ионами JK H = J. + Jе = J. (1 + у) я» J , можно в предположении
постоянства правой и левой частей (25.37) записать в правую часть
условия для катода
dE/dx = -1,13 • 1011 JK,HPo/kioEK.	(25.38)
Интегрирование (25.38) в пределах от Е = Ек при х = 0 до Е =0, при
х = dK дает	
Ек = -1,13 • 1011 JK,KPtidK/ki0EK.	(25.39)
Подставив сюда dK из	
(Д/Ро)эф — ^к.н/Ро^к,	(25.40)
приняв с учетом линейного изменения Е	
Ро(Е/ Ро)эф = ^к/2	(25.41)
и решив (25.39) относительно JK>H, получим окончательно
/К1Н = 3,6 • 10-11 _M(f/po)-k =JKiHOp*	(25.42)
ик,н
Здесь 7К1но — плотность тока нормального тлеющего разряда при
единичном давлении 1 Па.
Из-за большого числа допущений при выводе выражение (25.42)
дает только порядок значения плотности тока, однако его истинная
294
ценность заключается в правильном отражении зависимостей плотно-
сти тока от давления и отношения (Е/р0)эф.
Определим конкретные значения т7эф в условиях тлеющего раз-
ряда в различных газах. В чистых инертных газах плотность тока и
соответственно концентрация метастабильных атомов сравнительно
велики. Ионизация здесь происходит в результате двух процессов:
прямой ионизации нейтрального атома электронным ударом и сту-
пенчатой ионизации при соударении двух метастабильных атомов
между собой. Если считать эти два процесса независимыми, то
’’эф =	+ V2-	.	(25-43)
Здесь г] — число метастабильных атомов, создаваемых электроном
при прохождении разности потенциалов 1 В, а коэффициент 1/2 введен
в связи с тем, что для ионизации необходимы два метастабильных
атома. Таким образом, в инертных газах, где образуется много мета-
стабильных атомов, т?эф > tlmax •
В смесях инертных газов, в которых возникает эффект Пеннинга,
для ионизации требуется только один атом (см. поз. 5, табл. 25.1).
Поэтому
’’эф = ^тах +	(25.44)
и опять т?эф > »?твх- Так как эта реакция не связана с парными взаи-
модействиями, т. е. происходит при любых плотностях тока, то в пен-
нинговых смесях снижаются напряжения как возникновения С7В, так
и поддержания Un разряда.
В формулы для определения напряжений возникновения и поддержа-
ния разряда необходимо ввести поправки, учитывающие то обстоятель-
ство, что электроны начинают неупруго взаимодействовать с молекула-
ми газа не в плоскости катода, а пройдя определенную разность потен-
циалов по направлению к аноду. Эта поправка для напряжения возник-
новения разряда и' в чистых газах равна потенциалу ионизации U., в
пеннинговых смесях — потенциалу метастабильного состояния Um. Для
напряжений поддержания разряда поправка и" в газах, где концентра-
ция метастабильных атомов значительна, равна Um, в остальных газах
17.. Соответствующие формулы имеют вид для напряжения возникно-
вения разряда:
+	+	(25.45)
и для напряжения поддержания разряда
Un= U" +1п(1 + 1/7)/т?эф.	(25.46)
Необходимые для расчетов значения U\ U", »?отвх, *7эф, JKiH0>
{E/p^opt, (£/Ро)эф> 1п(1 + 1/1) приведены в табл. 25.3 и 25.4.
295
	Ионы, бом- бардирующие катод	
	эф>	Па)
	(Е/ро) В	£
	i) opt> i		CJ 'л' к
	О kM Ci. ss	S
& л		ся л».
>pt, (Е/Ро)	•^к, но А	(м  Па
&	е- ₽” в	
х		
XI <феа	1-Я хгпии	
t/" 7? ’ 'max' х н их смес;	И ъ	
у', газа		
ня 1 1ЫХ	и	
1чен фтн	%	
** w 3 §		
g xrj Л		
Таблица 2 в различи	Газ	
1 pH х© СП	75	Неон	X 2 t CL *		X 8 X СП
		< Ф \г>	00 гН	
«л			»П	ХГ)
	в.			
сч	сч	1(0	СМ	
см	гм		см	СП
Y f			*О	т
Ф	ф	ф	‘ф	‘ф
г-1	гН	1-И	гН	гЧ
сП	СП	ХЛ	40	сП
		V»	V)	aJ
	а.			в.
«-Ч	гН		ф	гИ
		»л		•Л
	сч	ОХ		f"*.
сч	сч	сч	СП	
ф	ф	ф	ф	ф
				
ф	ф	ф	ф	ф
сч	1Г)	сч	Ох	сч
Г“<		сч	сч	гИ
С?	ф	ф	ф	Ф
		о.		
ф	ф*	ф	ф	ф”
00	хл	•Z)	ХО	Ф^
			в.	
Ох	х£>	сч	ХО	Ф
r-i	•—<	t—i	•—<	
		хо		
хп	И,		ХЛ	ХП
		ю	X©	
сч	СЧ	гЧ		сч
				
				
				<□
			ф*	
			+	
				х©
				
				+
				<и
s S I-	X 8 а	1 CL <	Ох Ох	К «Л Ох
25.6.	ДУГОВОЙ РАЗРЯД
При увеличении тока свечение разряда покрывает всю поверхность
катода и тлеющий разряд переходит из своей нормальной формы в
аномальную. При этом перестройка объемного заряда продолжается
таким образом, что толщина катодного падения становится меньше,
чем dK H. В результате коэффициент ионизации т? становится меньше
г1тах, одновременно катодное падение UK > UKtli (см. ВАХ разряда
на рис. 24.1).
Из-за увеличения напряженности электрического поля в катодной
области энергия ионов, которую они приобретают на длине свободного
пробега в направлении поля, у катода возрастает. Поскольку растет
и плотность тока, т.е. число этих ионов, то результирующий нагрев
катода выделяемой энергией оказывается достаточным для того, чтобы
из наиболее слабо охлаждаемых участков началась термоэмиссия элект-
ронов. Нарастание эмиссии с какого-либо участка катода носит лавино-
образный характер, поскольку увеличение локальной плотности тока
приводит к увеличению нагрева, а увеличение нагрева, в свою очередь,
к увеличению термоэмиссии и плотности тока и т.д.
Когда преобладающим видом эмиссии из катода становится термо-
эмиссия, в газоразрядном промежутке устанавливается самостоятельный
дуговой разряд, характерное распределение потенциала которого показа-
но на рис. 25.11. Пространство между катодом и анодом разделяется на
три четко выраженные области: катодную 1, положительный столб 2
и анодную 3. Первая из них, катодная область, отличается при дуговом
разряде заметно меньшей толщиной, чем при тлеющем. Эта толщина при-
близительно равна средней длине свободного пробега электронов.
Прохождение тока через катодную область поддерживается благодаря
следующим процессам. Во-первых, электроны, вышедшие из катода,
проходят эту область практически без соударений, т.е. без потерь энер-
гии. Поскольку катодное падение потенциала приблизительно равно
потенциалу ионизации газа, то этой энергии оказывается достаточно
для ионизации за пределами катодной области. Во-вторых, плотность
тока, одновременно с катодным падением определяющая плотность
мощности, выделяемой на катоде, велика, поскольку весь ток эмит-
тируется небольшими нагретыми участками катода (пятнами).
Следующая область — столб дугового разряда занимает почти весь
разрядный промежуток. Для этой плазменной области характерно
дрейфовое движение заряженных частиц вдоль оси в слабом электриче-
ском поле и диффузионное двухполярное движение частиц к стенкам.
В результате двухполярной диффузии диэлектрические стенки заряжают-
ся отрицательно по отношению к столбу.
Наконец, анодная область дугового разряда является переходной об-
ластью, связывающей положительный столб и анод. В зависимости от
размеров, формы, материала и температуры анода, определяющих
297
Рис. 25.11. Распределение потенциала в дуговом разряде
Рис. 25.12. Вольт-амперная характеристика несамостоятельного дугового разряда
плотности ионной и электронной компонент тока на аноде, может иметь
место положительное, отрицательное или нулевое анодное падение на-
пряжения.
Рассмотренный механизм эмиссии из катодной области имеет место
для тугоплавких материалов (вольфрама, молибдена, графита и т.п.),
когда интенсивная термоэмиссия происходит при температурах ниже
температуры испарения рабочего вещества катода.
При жидких катодах (например, ртутном) сильный нагрев мате-
риала невозможен, так как избыточное тепло уносится с испаряющимися
атомами. Теоретическое рассмотрение показывает, что эмиссия из катода
здесь является электростатической, т.е. обусловленной действием
сильного электрического поля. Образование такого поля происходит
следующим образом. Перед ртутным катодом возникает область повы-
шенного давления ртутного пара, испаряющегося из катодного пятна.
При этом средняя длина свободного пробега электронов и, следователь-
но, протяженность катодного падения уменьшается до 10-7 м, а об-
ласть ионизации, соответственно приближается к катоду. При катод-
ном падении 10 В это соответствует напряженности электрического поля
108 В/м, обеспечивающей интенсивную электростатическую эмиссию.
Дуговой разряд можно получить также, используя в качестве источни-
ка электронов термокатод с искусственным подогревом. Вольт-ампер-
ная характеристика такого разряда показана на рис. 25.12. При напря-
жениях между электродами, меньших потенциала ионизации газа (уча-
сток 0а), ток на анод проходит почти таким же образом, как в ва-
куумном диоде. Определенная разница связана с тем, что в газона-
полненном приборе электроны на пути от катода к аноду испытывают
соударения с газом. Однако в целом здесь действуют закономерности
прохождения тока, ограниченного пространственным зарядом.
Когда напряжение между электродами достигает потенциала иониза-
ции газа (точка а) в пространстве формируется плазма, граница кото-
рой, как и при самостоятельном дуговом разряде, располагается близко
к катоду. Этот дуговой разряд, в отличие от разряда с неподогревным
катодом, является несамостоятельным, поскольку электроны появ-
298
ляются не за счет энергии, берущейся из разряда, а за счет подогрева
катода внешним источником.
Объемный заряд в катодном пространстве компенсируется зарядами
из плазмы, что позволяет увеличивать ток (участок be) без увеличения
напряжения между анодом и катодом. Анодный ток /а здесь все же
меньше тока эмиссии катода, что достигается благодаря избыточному
электронному объемному заряду у катода, создающему слабое тормозя-
щее электрическое поле.
Наконец, в точке с ВАХ ток на аноде достигает значения тока термо-
эмиссии с катода. Дальнейшее повышение тока возможно только за
счет роста катодного падения потенциала, вызывающего усиление иони-
зации и появление ускоряющего поля у катода. Эмиссия на участке cd
возрастает и из-за 7-процессов и из-за эффекта Шоттки.
25.7.	ИСКРОВОЙ И КОРОННЫЙ РАЗРЯДЫ
Дуга, поддерживаемая от источника большой мощности, является
стационарной сильноточной формой разряда. При использовании в ка-
честве источника электропитания реактивного (обычно емкостного или
индуктивно-емкостного) накопителя, холодных электродов и при вы-
соких давлениях газа, равных или превышающих атмосферное, можно
создать нестационарную форму сильноточного разряда - искровой раз-
ряд.
Искровой разряд развивается как импульс тока, кратковременно
проходящий через газоразрядный промежуток. Длительность прохож-
дения импульса тока и его амплитуда сильно зависят от параметров на-
копителя, в частности, они тем больше, чем больше емкость конденса-
тора.
В отличие от рассмотренных выше тлеющего или дугового разрядов
свечение искрового разряда пространственно неоднородно. Оно имеет
вид ряда ярких светящихся полосок, пронизывающих разрядный про-
межуток, которые всегда начинаются на одном из электродов, но не
обязательно заканчиваются на другом. Примером искрового разряда
является молния.
Этапы развития искрового разряда зависят от параметров накопителя
и источника электроэнергии. Наиболее часто используются накопители,
содержащие конденсаторы или длинные линии, подключенные парал-
лельно газоразрядному промежутку и соединенные с источником пита-
ния через сравнительно высокоомное ограничивающее сопротивление.
В этом случае после искрового пробоя напряжение на разрядном про-
межутке резко уменьшается и разряд прекращается. Затем в резуль-
тате зарядки накопительного элемента напряжение на промежутке
вновь возрастает и пробой повторяется. Таким образом искровой раз-
ряд может иметь форму повторяющихся импульсов, интенсивность и
частота которых определяются параметрами цепи электропитания.
299
Рис. 25.13. Образование стримера в ду-
говом разряде
Рис. 25.14. Положительная корона
Напротив, при неограниченной мощности источника электропитания
холодный катод промежутка нагревается за счет потерь джоулева тепла
и начинает эмиттировать термоэлектроны. В результате разряд переходит
из искровой формы в непрерывную дуговую.
Явления в искровом разряде хорошо объясняются стримерной тео-
рией. Стримером называют светящееся образование ионизированных
частиц высокой плотности, распространяющееся в разрядном проме-
жутке со скоростью, значительно большей, чем у обычной электронной
лавины. Образование отрицательного, т.е. зарождающегося на катоде,
стримера иллюстрирует рис. 25.13. В результате выхода из катода К на-
чального электрона зарождается электронно-ионная лавина (7), подоб-
ная тем, которые создаются при возникновении таунсендовского раз-
ряда. Поскольку сама лавина представляет собой область с высокой
проводимостью (как при коротком замыкании части промежутка),
напряженность электрического поля между ее головкой и анодом воз-
растает.
При высоких давлениях разрядная область имеет малое поперечное
сечение, газ в этой сжатой (контрагированной) области в результате
возбуждения и рекомбинации испускает фотоны. Распространяясь во
все стороны, фотоны первой лавины становятся инициаторами новых
лавин, однако наиболее вероятно зарождение вторичных лавин (II)
в области перед головкой, где напряженность электрического поля мак-
симальна. Вторичные лавины, в свою очередь, стимулируют появление
третичных (III) и т.д. Указанные явления приводят к образованию стри-
мера, который продвигается по направлению к аноду А со скоростью,
много большей, чем скорость дрейфового движения электронов.
Еще одной формой разряда, возникающей при высоких давлениях
газа, является коронный разряд. Для его существования необходимо,
чтобы хотя бы один из электродов имел малый радиус кривизны,
обеспечивающий появление области электрического поля с высокой
неоднородностью. На рис. 25.14 схематически показана положительная
корона. Здесь электрод малого радиуса г а - анод, внешний электрод с
300
радиусом г к - катод. Коронирующий слой локализован в цилиндриче-
ском слое у анода с радиусом гс. Все пространство между электродами
коронного разряда можно разбить на две области: коронирующий
слой 1, примыкающий к электроду с малым радиусом кривизны, в кото-
ром происходит ионизация газа и формируется объемный заряд, внеш-
нюю область 2, где происходит только перенос заряда, но не ионизация.
Рассмотрим вопрос о том, какой вид должна иметь ВАХ положитель-
ной короны. Увеличение тока приводит к образованию дополнительного
положительного объемного заряда в коронирующем слое и к пере-
стройке распределения потенциала, аналогичной изображенной на
рис. 25.9, которая снижает напряженность-электрического поля в ко-
ронирующей анодной области. Поскольку с уменьшением Е падает и
коэффициент д, то ионизация в коронирующем слое должна снизиться.
Вместе с тем при постоянном внешнем напряжении между электрода-
ми уменьшение падения напряжения в коронирующем слое обязательно
приводит к увеличению падения напряжения во внешней области.
Это перераспределение, однако, не сопровождается возникновением
ионизации во внешней области, поскольку даже и при больших зна-
чениях напряженности поля Е коэффициент д здесь по-прежнему прак-
тически равен нулю. Поэтому для увеличения тока требуется повысить
внешнее напряжение, и ВАХ положительной короны оказывается возра-
стающей.
Анализ показывает, что электроны, дающие начало лавинам, образую-
щим коронирующий слой, появляются не из катода, а зарождаются на
катодной границе ко рокирующего слоя в результате фотоионизации
атомов газа.
Контрольные вопросы и задания
1.	Чем отличаются упругие соударения от неупругих?
2.	Как связано эффективное сечение соударений с длиной свободного
пробега?
3.	Какие частицы, попадая на катод, вызывают эмиссию в газовом
разряде?
4.	Что такое коэффициент подвижности?
5.	В чем разница между диффузионным и дрейфовым движениями?
6.	Каково условие возникновения самостоятельного разряда?
7.	Какими постоянными величинами характеризуется нормальный
тлеющий разряд?
8.	Как меняется механизм эмиссии из катода при переходе из тлеюще-
го в дуговой разряд?
Глава двадцать шестая
ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ
НАПРЯЖЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
26.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
Основными особенностями приборов тлеющего разряда являются хо-
лодный ненакаливаемый катод, сравнительно малые рабочие токи (мил-
лиамперы) и стабильность электрических параметров.
Приборы тлеющего разряда с холодным катодом имеют ряд преиму-
ществ по сравнению с электронными лампами: отсутствие цепей накала
с присущим им заметным расходом мощности, более высокие срок
службы, надежность, механическая прочность.
Стабильное и не зависящее от тока нормальное катодное падение по-
тенциала тлеющего разряда обусловило широкое применение стабили-
тронов тлеющего разряда для стабилизации напряжений цепей электро-
питания аппаратуры на электронных лампах и других электровакуум-
ных приборах.
Возможность управления возникновением тлеющего разряда с по-
мощью небольшого тока вспомогательного разряда или же электриче-
ского поля добавочных управляющих электродов используется в ре-
лейных тиратронах тлеющего разряда и приборах для счета импульсов -
декатронах. Следует, однако, заметить, что в связи с преобладающим
развитием полупроводниковой электроники эти группы приборов
тлеющего разряда в настоящее время находят только ограниченное
применение.
Гораздо более перспективно применение приборов тлеющего разряда
в качестве индикаторов, основанное на их способности преобразовы-
вать электрические сигналы в световое излучение. Газоразрядные ин-
дикаторы получили в настоящее время чрезвычайно широкое рас-
пространение и продолжают быстро развиваться, становясь в ряде при-
менений конкурентом ЭЛТ. Это связано с такими их особенностями,
как способность преобразования электрических сигналов в световые
с достаточно высоким КПД, возможность использования внутренних
свойств тлеющего разряда для адресации информации по индикаторно-
му полю, запоминание информации в самом индикаторном поле, воз-
можность создания индикаторных полей больших размеров, плоскост-
ность конструкции.
В данной главе рассматриваются приборы тлеющего разряда, приме-
няемые для стабилизации напряжений и обработки электрических сиг-
налов, а также индикаторные тиратроны. Более сложные индикаторные
приборы тлеющего разряда ввиду специфики их работы и тесной связи
приборов с управляющей схемой выделены в гл. 27.
302
.26.2. СТАБИЛИТРОНЫ ТЛЕЮЩЕГО И КОРОННОГО РАЗРЯДА
Нормальному тлеющему разряду присуще постоянное катодное па-
дение потенциала Ук, н- При условии небольших расстояний между ка-
тодом и анодом падение напряжения в остальных областях тлеющего
разряда незначительно, поэтому общее падение напряжения между ка-
тодом и анодом или напряжение поддержания разряда Uu является при-
близительно постоянным. На этом и основано действие стабилитронов
тлеющего разряда.
Стабилитроны применяются в двух типах схем стабилизации напря-
жения. В первой схеме параметрической стабилизации (рис. 26.1) ста-
билитрон V включен параллельно нагрузке, благодаря чему на послед-
ней поддерживается то же напряжение, что и на стабилитроне. Каче-
ственно можно объяснить работу этой схемы следующим образом.
Разность между входным 17вх и выходным (7ВЬ1Х напряжениями гасится
на балластном резисторе R^, так что любое изменение входного напря-
жения приводит к такому изменению тока Zg через резистор7?б, при ко-
тором выходное напряжение остается неизменным. При изменении же
тока нагрузки ZH, но при постоянном (7ВХ ток Zg остается неизменным за
счет сохранения постоянства суммы токов через стабилитрон и нагрузку:
Zo = ZH + ZCT.	(26.1)
Рассмотрим условия нормальной работы схемы параметрической
стабилизации. Во-первых, при подаче входного напряжения должен воз-
никать разряд между анодом и катодом. С учетом резистивного дели-
теля 7?б, Rn это дает для наиболее неблагоприятного сочетания парамет-
ров схемы и прибора
^вх min ----------------- > UB.	(26.2)
min + 7?бтах
Во-вторых, наибольший ток через стабилитрон не должен превосхо-
дить максимально допустимого значения ZCTAnax, соответствующего
точке перехода от нормального к аномальному тлеющему разряду по
характеристике рис. 24.1; в противном случае напряжение UBbIX возра-
стет. Поскольку ток через стабилитрон максимален при минимальном
токе нагрузки ZH и максимальном входном напряжении Z7BX, то второе
условие имеет вид
Увхтах - Unmin Unmin	(	.
----------------------------- 7СТ max 	(26,3)
Я б min	7? н тах
ИсключивZ?6 из (26.2) и (26.3),получим
UBxmax - Unmin <.UBXmin ~ UBtnax)Rnmin .	.
	 <; 	. (26.4)
/ст max + min/R-n max------------------UB max
303
Рис. 26.1. Схема параметрической ста-
билизации
Рис. 26.2. Схема стабилизации компен-
сационного типа
Это выражение имеет смысл только для положительных значений
частей неравенства.
Неравенство (26.4) можно использовать для определения характе-
ристик стабилитрона, требуемых для стабилизации напряжения на задан-
ной нагрузке RH для данного диапазона питающих напряжений UBX.
Вторая схема включения — ламповый стабилизатор компенсационного
типа — показана на рис. 26.2. В ней лампа VI выполняет ту же функцию
балласта, на котором гасится избыточное напряжение между J7BX и 17вых,
что и балластное сопротивление Rq в схеме рис. 26.1. Отличие заклю-
чается в том, что стабилизация достигается изменением проводимо-
сти VI, в то время как Rq в схеме рис. 26.1 постоянно, а стабилизация
^вых в ней достигается регулировкой тока /ст.
Изменение проводимости VI производится следующим образом. Ста
билитрон V3 задает строго постоянное напряжение на катод лампы,
а напряжение, поступающее на сетку V2 с части нагрузочного резис-
тора RH, пропорционально напряжению на нагрузке. При повышении
напряжения 17вых возрастает потенциал сетки и анодный ток через лам-
пу V2 и уменьшается потенциал сетки лампы VI. Это приводит к росту
полного сопротивления лампы VI и к уменьшению напряжения 17вых,
чем и достигается его стабилизация. При уменьшении напряжения 17вых
потенциал сетки и анодный ток лампы '-'2 уменьшаются, что вызывает
увеличение потенциала сетки лампы VI. В результате увеличения про-
водимости лампы VI напряжение 17ВЬ1Х возрастает, возвращаясь к пер-
воначальному значению. Иными словами, электронно-управляемые
лампы в схеме рис. 26.2 образуют усилительный каскад с отрицательной
обратной связью по выходу, стремящийся строго стабилизировать вы-
ходное напряжение 17ВЬ1Х при изменении входного напряжения UBX или
сопротивления нагрузки RH.
Поскольку напряжение 17ВЬ1Х практически неизменно, то и ток через
стабилитрон, подсоединенный к (7ВЫХ через R§, остается постоянным
независимо от изменений входного напряжения или сопротивления на-
304
грузки. Стабилитрон в такой схеме выполняет функции источника
эталонного (опорного) напряжения, работающего при почти фиксиро-
ванном токе.
Из проведенного рассмотрения следует, что целесообразно иметь две
группы стабилитронов: регулирующие с широким диапазоном токов
стабилизации для схемы рис. 26.1; опорные с узким диапазоном токов
стабилизации и высокой стабильностью напряжения поддержания разря-
да для схемы рис. 262.
Для регулирующих стабилитронов задаются следующие параметры:
напряжение возникновения разряда J7B;
напряжение поддержания разряда Uu;
минимальный и максимальный допустимые токи /ст т,п, 1СУ тах>
допустимое изменение напряжения поддержания разряда в диапазо-
не рабочих токов AJ7n.
Для опорных стабилитронов вместо параметра AJ7n задаются:
нестабильность напряжения поддержания во времени (дрейф) и (до-
полнительно) зависимость напряжения поддержания разряда от темпера-
туры окружающей среды — температурный коэффициент напряжения.
Параметры регулирующего стабилитрона можно определить по ВАХ,
показанной на рис. 26.3. Типовая конструкция стабилитрона тлеющего
разряда изображена на рис. 26.4. Прибор содержит цилиндрический
катод I, окружающий цилиндрический или проволочный анод 2. Элект-
роды фиксируются друг относительно друга с помощью керамических
305
изоляторов 3, внутри стеклянного баллона 4 размещается газопоглоти-
тель 5.
В качестве газового наполнения приборов используются чистые инерт-
ные газы или их смеси. Наиболее стабильные катодные падения и тем
самым напряжения поддержания разряда удается получить с помощью
тугоплавких металлов: молибдена, тантала или циркония. Стабильность
достигается путем пропускания через прибор на стадии его изготовления
больших импульсов тока, вызывающих интенсивное катодное распыле-
ние. Перечисленные материалы катодов являются поглотителями таких
активных примесных газов, как кислород и азот, а распыляемые атомы
имеют высокую химическую активность во время своей диффузии от
катода к стенкам баллона. Распыление катода приводит к избирательно-
му поглощению примесей, но не инертного газа, чем обеспечивается
высокая чистота газового наполнения.
Кроме того, металлическая пленка, осаждающаяся на стеклянные
стенки баллона, препятствует выделению газов из стекла. В регулирую-
щих стабилитронах, где требования к стабильности напряжения поддер-
жания не столько велики, но требуется широкий диапазон допустимых
токов, используют катоды с большой поверхностью. В этом случае в ка-
честве материала катода часто применяется никель, который обрабаты-
вается легче, чем тугоплавкие металлы.
Конструирование стабилитрона сводится к выбору материала и пло-
щади катода, рода и давления наполняющего газа, обеспечивающих ос-
новные параметры стабилитрона, перечисленные выше.
Поскольку напряжение стабилизации задается требованиями к источ-
нику электропитания, то для облегчения выполнения формулы (26.4)
необходимо получить минимальные UB mjn и разность UB min - UB. Ис-
пользуя (25.45) и (25.46),получаем
^в min — Un = (U — if ~) + (flPmax ~ 1Л?эф)1п(1 + V?) =
~	+ (^ — U ) + (т?эф — Ртах)^в тт/Рзф-	(26.5)
Для получения минимального напряжения возникновения разряда
расстояние между электродами и давление должны быть выбраны таким
образом, чтобы приведенная к давлению напряженность электрического
поля была равна значению (Е/р0)тах по табл. 26.3. Тогда очевидное
соотношение
^в/(Е/Ро)тах = (Ро^а, к)орГ	(26.6)
позволяет найти произведение (Ро^а, к)орг, где da> к - расстояние
анод—катод.
Анализ табл. 25.3 показывает, что U' - U" и наиболее близкие значе-
ния Ртах, т?эф получаются в пеннинговой смеси Ne + Аг. Физически
малая разность напряжений возникновения и поддержания разряда
объясняется тем, что в результате реакции Пеннинга в этой смеси проис-
306
Рис. 26.5. Вольт-амперные характеристики положитель-
ной короны для различных газов
Рис. 26.6. Конструкция стабилитрона коронного разряда
ходит быстрое разрушение метастабильных атомов, вследствие чего кон-
центрация атомов Nm оказывается незначительной. Из-за малого значе-
ния Nm квадратичные эффекты при протекании тока почти отсутствуют,
а возникновение и поддержание разряда требуют почти одинаковых
напряжений.
В общем случае понижение разности UBmjn — Ua достигается за счет:
использования газовых наполнений, в которых не происходит пар-
ных взаимодействий метастабильных атомов;
выбора произведения давления на расстояние между электродами
(Ро^а, к)орг, соответствующего минимуму кривой Пашена.
Для стабилизации более высоких напряжений применяются стабили-
троны коронного разряда, которые могут работать в схемах и как
опорные, и как регулирующие элементы.
Как отмечалось в § 25.7, ВАХ коронного разряда является возрастаю-
щей. В связи с этим она непосредственно не пригодна для использования
в стабилитронах. Однако определенный выбор геометрии и газового
наполнения позволяет сделать эту характеристику почти горизон-
тальной.
На рис. 26.5 приведено семейство характеристик положительной ко-
роны для аргона (кривые 1 и 5) и водорода (кривые 2 и 4) при отноше-
нии радиусов катода и анода 50 : 1 (кривые 1 и 2) и 8 :1 (кривые 3 и 4).
Анализ этих кривых показывает, что уменьшение степени неоднородно-
сти электрического поля позволяет приблизить характеристику к гори-
зонтальной. В этом же направлении действует переход от инертного га-
за Аг к водороду. Практически в стабилитронах используется положи-
тельная корона (коронирующий электрод меньшего радиуса — анод)
в атмосфере водорода. Высоковольтные стабилитроны коронного разря-
307
да выполняются в металлокерамическом баллоне с бесцокольным
оформлением и выводами в разные стороны.
Типичная конструкция такого прибора изображена на рис. 26.6.
Анод А соединяется с корпусом посредством гофрированного керами-
ческого изолятора. В качестве газового наполнения используется водо-
род; давления, превышающие атмосферное, позволяют повысить ра-
бочие напряжения. Более низковольтные стабилитроны коронного раз-
ряда имеют стеклянные баллоны с цокольными выводами.
26.3.	РЕЛЕЙНЫЕ И ИНДИКАТОРНЫЕ ТИРАТРОНЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В соответствии с назначением можно выделить:
а)	релейные тиратроны, характеризуемые наличием двух состояний
(включено и выключено), применяемые в автоматике;
б)	индикаторные тиратроны, характеризуемые наличием или отсут-
ствием свечения, применяемые для индикации электрического состояния
цифровых систем.
Релейный тиратрон тлеющего разряда, схема включения которого
показана на рис. 26.7, представляет собой прибор, содержащий основ-
ные электроды - анод А и катод К, а также одну или большее число
управляющих сеток (на рис. 26.6 — одна сетка). В простейшем случае
запуск тиратрона осуществляется импульсом Uc, подаваемым через
разделительный конденсатор на сетку.
В отличие от электровакуумных приборов в тиратронах тлеющего
разряда, как и в большинстве других ионных приборов, возможно
управление только возникновением разряда между анодом и катодом,
но не его прекращением. Действительно, после начала прохождения тока
в приборе появляется газоразрядная плазма. Заряженная сетка притя-
гивает из плазмы заряды противоположной полярности. В результате
возникает электронная для случая положительной по отношению к
плазме сетки или же ионная для случая отрицательной по отношению
к плазме секти оболочка, что иллюстрируется рис. 26.8. Появление
оболочки приводит к тому, что создаваемое ею электрическое поле
экранирует сетку и поле последней перестает проникать в плазму.
Объемный заряд, появляющийся у сетки, является не статическим, а
динамическим — заряды непрерывно уходят из оболочки на сетку и
одновременно восполняются зарядами, приходящими из плазмы.
Работу релейного тиратрона в электрической цепи (рис. 26.7) можно
пояснить на диаграммах рис. 26.9. Из рисунка видно, что сама по себе
подача анодного напряжения Ua в момент времени ti не приводит к
протеканию тока через промежуток. Только после поступления в мо-
мент времени Г2 сеточного импульса достаточной амплитуды происхо-
дит уменьшение напряжения возникновения разряда между анодом и ка-
тодом до значения, меньшего напряжения питания анода Еа, вследствие
чего в момент Г3 возникает основной ток ia между анодом и катодом.
308
Рис. 26.7. Простейшая схема включения ре-
лейного тиратрона тлеющего разряда с то-
ковым управлением
При этом напряжение на аноде тиратрона падает до значения Un, а паде-
ние Еа - Un приходится на Ra.
Снятие сеточного напряжения или же прекращение сеточного тока
в момент г4 не приводят к прекращению тока основного разряда вслед-
ствие экранировки сетки зарядами из плазмы. Только когда анодное
напряжение снижается до значения, меньшего напряжения прекращения
разряда (момент времени г5), основной разряд в тиратроне и ток га
прекращаются. Повторно приложить анодное напряжение, не вызвав
возникновения разряда в тиратроне в отсутствие сеточного тока или на-
пряжения, можно только через определенный интервал времени — время
восстановления ?вос электрической прочности.
При t6 - ts < 7Вос происходит повторное возникновение разряда без
подачи сеточного импульса, когда же т7 — ts > 7В0С, восстанавливается
непроводящее состояние тиратрона (рис. 26.9).
Тиратронам тлеющего разряда, как и другим приборам с холодным
катодом, присущ значительный статистический разброс времени запазды-
вания возникновения разряда. Уменьшить этот разброс и само время
запаздывания в приборах .можно одним из следующих способов: вве-
дением радиоактивных источников, использованием активированных
катодов, применением подготовительного (дежурного) разряда. Наи-
большее распространение в тиратронах тлеющего разряда нашел по-
следний из этих способов.
В зависимости от способа управления различают тиратроны с токовым
и с электростатическим управлением возникновением разряда.
При токовом управлении основной разряд между анодом и катодом
возникает при достижении сеточным током некоторого критического
значения. Часто одна и та же сетка используется и для токового управ-
ления, и для создания подготовительного разряда. При этом благодаря
Рис. 26.8. Экранирование
оболочкой:
а - отрицательной сет-
ки; б - положительной
сетки
309
Рис. 26.9. Диаграммы напряжений и токов, характеризующие работу релейного
тиратрона тлеющего разряда
ограничивающему сопротивлению Rc (см. схему рис. 26.7) в отсутствие
импульса Uc ток подготовительного разряда устанавливается меньше
критического сеточного тока. Импульс напряжения Uc, подаваемый на
сетку через разделительный конденсатор С, вызывает превышение сеточ-
ного тока над критическим. Токоограничивающим элементом для этого
тока является емкость конденсатора С. При таком способе включения
чувствительность тиратрона к импульсам напряжения оказывается вы-
сокой, поскольку полное электрическое сопротивление емкостного
токоограничителя мало.
При электростатическом управлении возникновением разряда необ-
ходимо использовать тиратрон с двумя или большим числом сеток.
Простейшая схема включения тиратрона с электростатическим управле-
нием возникновением разряда изображена на рис. 26.10. Первая сетка
С\, подключенная к источнику £а через Rc, используется для создания
подготовительного разряда на катод К, особенностью которого является
прианодная плазменная область около сетки — так называемый
плазменный катод.
С помощью резистивного делителя Rlt R2 на второй сетке предвари-
тельно устанавливается напряжение смещения, которое должно быть
несколько ниже потенциала на Ci (вернее, потенциала плазменной об-
ласти у CJ, поскольку тогда поток электронов из плазмы подготови-
тельного разряда тормозится и не проходит через С2 в поле анода.
Возникновение основного разряда происходит, когда напряжение на
управляющей сетке достигает критического значения отпирающего се-
точного потенциала. Практически это напряжение немного ниже потен-
циала на . При этом электроны, диффундирующие из плазмы подго-
товительного разряда за счет своих начальных скоростей, могут пройти
сквозь слабое тормозящее электрическое поле сетки С2. Проникая в
область ускоряющего поля анода А, эти электроны ионизируют газ,
создают лавины и т.д., что в конечном счете приводит к возникновению
самостоятельного разряда между анодом и катодом.
310
Перейдем к рассмотрению конструкции и характеристик релейных
тиратронов. Первыми были созданы тиратроны с токовым управлением
возникновением электрического разряда и активированным катодом.
Применение активированного катода позволяет снизить рабочие анод-
ные напряжения и обеспечивает наличие начальных электронов, необ-
ходимых для возникновения разряда. Однако активированный катод
нестабилен в разряде, что, естественно, отрицательно сказывается на
характеристиках прибора. В качестве примера прибора с активирован-
ным катодом рассмотрим тиратрон типа МТХ-90.
Электродная структура тиратрона типа МТХ-90 изображена на
рис. 26.11. Главной его особенностью является применение активи-
рованного цезием катода цилиндрической формы К, в баллоне прибора
коаксиально с катодом размещены никелевая цилиндрическая сет-
ка С и молибденовый стержневой анод А, окруженный стеклянной тру-
бочкой Т, предотвращающей возникновение проводящих мостиков
к другим электродам. Прибор наполнен неоно-аргоновой пеннинговой
смесью. Активированный цезием катод обеспечивает малый уровень
рабочих напряжений прибора и возможность использования режима без
подготовительного разряда. При работе без подготовительного разря-
да начальные электроны создаются благодаря фотоэффекту с катода.
Для выбора статического режима работы тиратрона задается анодно-
сеточная пусковая характеристика, представляющая собой зависимость
напряжения возникновения основного разряда на аноде в от сеточ-
ного тока /с. Для тиратрона типа МТХ-90 такая характеристика при-
ведена на рис. 26.12. Выбрав напряжение питания анода Еа в средней
части этой характеристики, можно найти сеточные токи, обеспечиваю-
щие надежное включение тиратрона. Так, для анодного напряжения
100 В этот ток должен превышать 30 мкА.
311
При импульсном сеточном управлении (см. схему рис. 26.7) исполь-
зуют режим постоянно горящего подготовительного сеточного разряда,
ток которого кратковременно увеличивается за счет импульса напря-
жения, подаваемого через разделительный конденсатор С. При напря-
жении на аноде 100 В, токе подготовки 10 мкА и входном импульсе Uc
длительностью 10 мкс амплитуда напряжения Uc, обеспечивающего воз-
никновение основного разряда, лежит в пределах от 1,5 до 15 В.
С ростом длительности Uc амплитуда импульсов, обеспечивающих воз-
никновение основного разряда, уменьшается. Это объясняется тем, что
для возникновения разряда необходимо накопление в промежутке
сетка-катод достаточного количества зарядов, искажающих электри-
ческое поле основного анода.
С цезиевым катодом связан и основной недостаток тиратронов типа
МТХ-90 - нестабильность. В процессе работы вследствие ионной бом-
бардировки катода происходит распыление и миграция цезия, в резуль-
тате чего могут меняться эмиссионные свойства катода и появляться
активированные эмиссионные участки на других электродах, поэтому
параметры прибора МТХ-90 характеризуются большим разбросом и
временной нестабильностью.
Значительно более стабильные характеристики тиратронов полу-
чаются при использовании молибденового катода. Распыление такого
катода на стадии изготовления прибора проводится так же, как в ста-
билитронах. Это позволяет получить катод со стабильными эмиссион-
ными свойствами и очистить газовое наполнение от активных примесей
типа О2, СО2. Тем самым обеспечивается высокий срок службы при-
боров, составляющий десятки-сотни тысяч часов.
Интенсивная тренировка катода в процессе изготовления прибора
приводит к появлению проводящего налета молибдена на внутренней
312
Рис. 26.13. Электродная структура тира-
трона с молибденовым катодом
поверхности баллона и на изолято-
рах, применяемых для крепежа
электродов. Этот налет оказывает и
полезное, и вредное воздействие.
С одной стороны, он выполняет
функции газопоглотителя для актив-
ных газов и защищает стенки и изо-
ляторы от ионной бомбардировки и
тем самым от выделения газов.
С другой стороны, сплошной налет
молибдена может привести к появ-
лению коротких замыканий между
электродами. Поэтому при конструи-
ровании тиратронов с распыляемым
в процессе изготовления катодом
должны быть приняты специальные
меры.
Один из вариантов типовой конструкции электродного узда тиратро-
нов с молибденовым катодом показан на рис. 26.13. В нем, как и в дру-
гих электровакуумных приборах в сверхминиатюрном оформлении,
крепление электродов осуществляется с помощью слюдяных изолято-
ров И и никелевых пистонов П. Электроды через пистоны жестко кре-
пятся к наружным изолирующим дискам И2 и свободно (не касаясь)
проходят сквозь отверстия во внутренних изолирующих дисках Их.
Наружные и внутренние диски соединены между собой попарно, при-
чем зазор между ними составляет 0,1-0,3 мм. Налет молибдена обра-
зуется только на внутренних дисках, а нижний диск с пистонами пол-
ностью экранирован от попадания распыленного молибдена. В каче-
стве газового наполнения в приборах с молибденовым катодом ис-
пользуется либо упомянутая выше пеннинговская смесь Ne + Аг, либо
другие смеси инертных газов. Тиратроны с молибденовым катодом
могут иметь как токовое, так и электростатическое управление возник-
новением разряда.
Схема включения одного из таких приборов с электростатическим
управлением — двухсеточного тиратрона типа ТХЗБ была приведена
на рис. 26.10. Анодно-сеточные пусковые характеристики возникнове-
ния основного разряда, представляющие собой зависимость анодного
напряжения возникновения разряда t/a> в от сеточного напряжения Uc2
в статическом и импульсном режимах показаны на рис. 26.14. Кри-
вая 1 относится к статическому режиму, кривая 2 — к длительности
313
Рис. 26.14. Пусковая характеристика тиратрона типа ТХЗБ
управляющих импульсов 10 мкс, кривая 3 — к длительности импуль-
сов 1 мкс.
Как видно из рис. 26.14, отпирающее сеточное напряжение умень-
шается с увеличением длительности входного сигнала, пока послед-
няя не превысит приблизительно 10 мкс (времени нарастания анодного
тока), и затем приближается к статическому значению.
Особенностью статической характеристики является то, что при низ-
ких сеточных напряжениях анодное напряжение возникновения основ-
ного разряда с уменьшением сеточного напряжения также уменьшается
(загиб характеристики при низких Uc2). Причиной этого является
возникновение паразитного разряда между сеткой С2 и расположенным
рядом с ней основным анодом. Вследствие этого участок анодно-сеточ-
ной характеристики левее штриховой вертикальной прямой считается
нерабочим.
Рассмотрим рабочую честь пусковой характеристики. Падение на-
пряжения в подготовительном разряде между и К составляет около
80 В. По мере роста напряжения на сетке С2 ее потенциал оказывается
по отношению к С\ все менее тормозящим. Начиная с Uc2 =60 В это
приводит к росту числа электронов, проникающих в область С2 — анод
из области плазменного катода, расположенного около . В результате
напряжение возникновения основного разряда t/a> в снижается.
Смещение импульсных характеристик по отношению к статической
вправо по мере уменьшения длительности управляющего импульса, как
и для тиратронов с токовым управлением, объясняется необходимостью
накопления определенного объемного заряда для искажения электри-
ческого поля анода.
Рассмотренные простейшие типы тиратронов тлеющего разряда в ос-
314
К Су Сп А
-Е о-
о + Е
а)
- Е о----□--------1 В g |--------EZ3------о+ Е
1с/
К Сп В)
Рис. 26.15. Варианты расположения сеток в индикаторных тиратронах:
а - управляющая сетка в плазменной области; б - управляющая сетка в бес-
плазменной области
новном применяются для преобразования электрических сигналов малой
мощности и для работы в качестве ионных реле. Помимо них выпускают
более сложные многосеточные типы, позволяющие выполнять логичес-
кие операции умножения или сложения. Однако в целом в связи с быст-
рым развитием полупроводниковой электроники область применения
логических и релейных тиратронов тлеющего разряда все более сужает-
ся. В то же время непрерывно возрастает использование тиратронов в
качестве индикаторов, ценным является их уникальное свойство преоб-
разования маломощных электрических сигналов в излучение.
Используемый в индикаторных тиратронах электростатический спо-
соб управления имеет ряд преимуществ по сравнению с токовым:
подготовительный разряд резко уменьшает статистическое время
запаздывания возникновения основного разряда;
управление прохождением электронов из плазменного катода к ано-
ду может осуществляться с помощью не одной, а нескольких сеток,
благодаря чему расширяются функциональные возможности прибора.
Однако к индикаторным тиратронам предъявляется еще одно требова-
ние — низкое управляющее напряжение.
Использовать обычную схему включения тиратрона с электростати-
ческим управлением (см. рис. 26.10) для низковольтной индикации не-
возможно по двум причинам:
1) из-за наличия конденсатора управление осуществляется только
импульсными сигналами, наложенными на постоянное напряжение
смещения, в то время как цифровые схемы, являющиеся источниками
отображаемой информации, формируют не импульсы, а низковольтные
уровни напряжений;
2) чтобы преодолеть нестабильность потенциала плазменного катода,
обусловленную непостоянством напряжения поддержания разряда меж-
ду сеткой Ci и катодом, приходится использовать сигналы большой ам-
плитуды. Практически минимальная амплитуда импульсов для управле-
315
Рис. 26.16. Пусковая характеристика
бесплазменной области
при расположении управляющей сетки е
Рис. 26.17. Пусковая характеристика при расположении управляющих сеток в
плазменной области
ния обычным тиратроном с электростатическим управлением составляет
несколько десятков вольт, что существенно превышает сигналы боль-
шинства типов цифровых интегральных микросхем.
Для того чтобы преодолеть эти трудности, достаточно привязать по-
тенциал плазменного катода к общей точке схемы. С этой целью сетку
подготовительного разряда Сп (в схеме рис. 26.10 она обозначалась
Ci) заземляют, а управляющую сетку Су (в схеме рис. 26.10 она обо-
значалась С2) помещают либо ближе к аноду (рис. 26.15, б), либо ближе
к катоду (рис. 26.15, а). Первый вариант будем называть расположени-
ем сетки в бесплазменной области, второй — расположением сетки в
плазменной области.
Поскольку потенциал плазменного катода близок к потенциалу сет-
ки подготовительного разряда Сп, а последняя соединена с общей точкой
схемы, он оказывается фиксированным по отношению к управляющей
сетке. Кроме того, исчезает необходимость в подаче на управляющую
сетку напряжения смещения.
Независимо от того, где располагается управляющая сетка, вклю-
чение тиратрона происходит при росте плотности тока электронов,
попадающих в область ускоряющего поля анода. Отрицательная управ-
ляющая сетка, расположенная в бесплазменной области, тормозит элект-
роны. Однако поскольку электроны в плазме обладают значительными
энергиями, то при не очень больших отрицательных потенциалах на
сетке значительное число электронов проникает в поле анода, в результа-
те чего возникает основной разряд.
Соответствующая статическая сеточная характеристика тиратрона
типа ТХ17А, расположенная в первом квадранте, покарана на рис. 26.16*.
* Штриховка на рис. 26.16 и 26.17 характеризует область возникновения раз-
ряда.
316
Находящаяся в плазменной области положительная управляющая
сетка влияет на потенциал плазменного катода из-за перехвата тока
подготовительного разряда на сетку Сп. При небольшом уменьшении
потенциала управляющей сетки происходит заметное перераспределение
тока между нею и сеткой подготовительного разряда. При снижении
потенциала Су в результате возрастания тока на сетку Сп число электро-
нов, попадающих в область ускоряющего анодного поля, растет до
тех пор, пока не возникнет основной разряд. Соответствующие сеточ-
ные пусковые характеристики тиратрона ТХ19А располагаются в пер-
вом квадранте (рис. 26.17) . Импульсные характеристики сдвинуты
по отношению к статическим так же, как в ранее обсуждавшихся типах
тиратронов.
К основным характеристикам индикаторных тиратронов относятся
также характеристики восстановления электрической прочности. Зави-
симость времени восстановления электрической прочности Тв от на-
пряжения Ца1 на аноде At для тиратрона типа ТХ19А приведена на
рис. 26.18.
Электродная структура тиратрона типа ТХ19А, предназначенного для
индикации состояний ТТЛ интегральных микросхем, изображена на
рис. 26.19. В нем имеются два анода: Ai — несущий функции анода памя-
ти и Л 2 — функции анода возбуждения свечения. Ток на анод памяти A t
ограничен высокоомным резистором, поэтому наблюдаемое оператором
свечение видно только при возникновении разряда на Л2.
В тиратроне также имеются две управляющие сетки (Ц и С2), рас-
положенные в плазменной области разряда, возбуждаемого между под-
катодом ПК (он выполняет те же функции, что и катод на рис. 26.15, а)
и катодом К (он выполняет те же функции, что и сетка подготовитель-
ного разряда Сп на рис. 26.15, а). Управление возникновением основ-
317
Рис. 26.20. Диаграммы напряжений и токов для режимов:
а - с запоминанием информации; б - без запоминания информации
ного разряда осуществляется перераспределением тока между С), С2
и К. Потенциал плазменного катода определяется наиболее положи-
тельным из этих электродов, а в случае равенства их потенциалов —
электродом, ближайшим к аноду. Когда хотя бы одна из сеток Сх, С2
имеет положительный по отношению к катоду потенциал, в области
между ними и катодом К возникает электрическое поле, препятствую-
щее прохождению электронов из плазменного катода к анодам. Только
когда потенциалы обеих управляющих сеток уменьшаются до некото-
рого минимального значения, значительное число электронов проходит
к анодам и возникает основной разряд.
Тиратроны марки ТХ19А разделяются на три подгруппы: ТХ19АК,
ТХ19АЗ, ТХ19АЖ, имеющие соответственно красный, зеленый и жел-
тый цвета свечения. Для получения различных цветов свечения исполь-
зуется преобразование ультрафиолетового излучения разряда в видимое
с помощью люминофора, нанесенного на конический экран ЛЭ.
Индикаторные тиратроны могут работать в режимах с запомина-
нием информации, т.е. с сохранением свечения после окончания дей-
ствия управляющего сигнала, и без запоминания информации, т.е.
с прекращением свечения после окончания действия управляющего
сигнала. Режим определяется формами напряжений, подаваемых на
аноды.
Режим с запоминанием информации (рис. 26.20 а), реализуется, ког-
да хотя бы на один из анодов (например, на At, рис. 26.19) подается
постоянное напряжение. При этом разряд на анод свечения обычно под-
держивается пульсирующим напряжением, получаемым от двухполу-
периодного выпрямителя с несглаженным выходом.
Если питать оба анода двухполупериодным несглаженным выпрям-
318
ленным напряжением, то после подачи отпирающих сигналов на управ-
ляющий сетки возникает разряд, который пульсирует с двойной сетевой
частотой (рис. 26.20, б). После снятия сеточного сигнала основной раз-
ряд в тиратроне прекращается, как только напряжение на анодах спа-
дает до значения ниже напряжения прекращения разряда.
Контрольные вопросы и задания
1.	Какие стабилитроны рассчитаны на больший ток: регулирующие
или опорные?
2.	К какому стабилитрону предъявляются более жесткие требования
по стабильности напряжения поддержания — к опорному или к регу-
лирующему?
3.	Какой катодный материал дает наиболее стабильное напряжение
поддержания разряда?
4.	Какие газы применяются для наполнения стабилитронов?
5.	Каковы основные способы стабилизации времени запаздывания?
6.	Чем отличаются электростатическое и токовое управления?
7.	Каковы основные особенности индикаторных тиратронов?
8.	Нарисуйте и объясните пусковую сеточную характеристику инди-
каторного тиратрона типа ТХ19А.
Глава двадцать седьмая
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
27.1.	ОБЩИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
До последнего времени наиболее универсальным видом электронно-
го индикатора оставалась ЭЛТ. Однако такие недостатки ЭЛТ, как боль-
шие габаритные размеры в направлении, перпендикулярном поверхно-
сти индикации, высокие рабочие напряжения, наличие накаленного като-
да и некоторые другие, стимулировали развитие синтезирующих элект-
ронных индикаторов. Эти приборы содержат множество отдельных фик-
сированных в пространстве элементов отображения, из которых фор-
мируется (синтезируется) изображение.
Среди различных типов синтезирующих электронных индикаторов
(полупроводниковых, электролюминесцентных, вакуумных люминес-
центных, жидкокристаллических) важное место принадлежит газораз-
рядным индикаторам.
Отличительными особенностями газоразрядных индикаторов являют-
ся плоскостность конструкции, сравнительно низкие рабочие напря-
жения (около 100—200 В), возможность создания индикаторных полей
больших размеров, использование свойств газового разряда для выпол-
нения ряда функций, обычно решаемых внешней электронной схемой.
319
Газоразрядные индикаторы по назначению и конструкции можно
разделить на следующие группы: сигнальные (неоновые лампы); зна-
ковые; шкальные; матричные.
В свою очередь, матричные индикаторы делятся на индикаторы: по-
стоянного тока с внешней разверткой; постоянного тока с самоскани-
рованием, переменного тока.
27.2.	СИГНАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Сигнальные индикаторы используют для визуальной индикации при-
ложенного напряжения или внешнего электрического поля. С этой
целью их подключают к внешнему источнику по схеме, изображенной
на рис. 24.2. Наиболее распространенным типом сигнального индикатора
является неоновая лампа. Она представляет собой стеклянный баллон,
наполненный неоном или его смесью с другими инертными газами,
в который впаяны два металлических электрода.
Важнейшим параметром неоновых ламп, определяющих режим их
работы в схеме рис. 24.2, являются напряжения возникновения и под-
держания разряда. Они могут быть рассчитаны исходя из соображений,
изложенных в § 25.5.
Для индикации сетевых напряжений 127 В необходимы лампы с низ-
кими напряжениями возникновения разряда. Используя данные
табл. 25.4 по у и 1? в смеси 99,5% Ne + 0,5% Аг и формулы (25.45) и
(25.46), получаем
= 16,6+ 1,4/0,029=65 В;
Ц, = 16,6 +1,4/0,037 = 54 В ,
т. е. достаточно низкие значения напряжений. Еще меньшие значения
UB и Un имеют неоновые лампы с катодами, активированными цезием,
однако их недостатком является малая стабильность (см. § 26.3).
Катоды неоновых ламп имеют форму дисков, штырей, чаш и т. п.
Если лампа работает на постоянном токе, от анода требуется, чтобы он
заметно не препятствовал выходу светового излучения, т. е. не имел
большой сплошной поверхности. При работе на переменном токе это
требование распространяется на оба электрода, так как они поочеред-
но выполняют функции катода и анода. Например, в лампе ТНИ-1,5,
предназначенной для работы как на переменном, так и на постоянном
токе, один электрод выполнен в форме небольшого диска, а другой -
в форме прямоугольной рамки.
Газовое наполнение неоновых ламп должно обеспечить высокую
яркость излучения (сотни кандел на квадратный метр). Наиболее под-
ходящими с этой точки зрения газами являются неон или неоно-арго-
новые смеси; большинство других инертных газов или смесей дает на
порядок меньшие значения яркости. Все смеси на основе неона имеют
оранжево-красное свечение.
320
Для получения других цветов свечения применяются люминесцентные
сигнальные лампы. В них в качестве основы газового наполнения ис-
пользуются гелий, аргон, криптон или ксенон, создающие слабое види-
мое, но интенсивное ультрафиолетовое излучение. Его преобразование
в видимое осуществляется слоем люминофора, нанесенным на внутрен-
нюю поверхность колбы лампы. Используются различные люминофоры:
виллемит создает зеленый цвет свечения, галлофосфат кальция — голу-
бой цвет и т. д.
Помимо чисто сигнальных целей лампы с люминесцентными покры-
тиями применяются для создания мнемосхем (условных моделей про-
изводственных систем или процессов, выполненных в виде Комплекса
знаков, отображающих элементы системы или процесса с их взаимны-
ми связями).
27.3.	ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Этот тип приборов тлеющего разряда специально предназначен для
отображения знаков (цифр, букв, математических символов и др.).
По способу формирования символа знаковые индикаторы делятся на
знакомоделирующие и знакосинтезирующие. В знакомоделирующих
индикаторах любой неделимый светящийся элемент конструкции (эле-
мент отображения) имеет форму одного из отображаемых знаков.
Электродная структура цифрового знакомоделирующего индикато-
ра, изображенная на рис. 27.1, содержит пакет из 10 катодов К, каждый
из которых имеет форму цифры. Пакет катодов со всех сторон окру-
жен чашеобразным анодом А с прозрач-
ной сетчатой крышкой, отверстия в ко-
торой обеспечивают вывод излучения.
Давление газа в приборе выбрано
около нескольких тысяч паскалей, при
этом основная светящаяся область
тлеющего разряда (отрицательное све-
чение) образует вокруг катода све-
тящийся чехол — тонкую (толщиной в
десятые доли миллиметра) область,
плотно окружающую катод. Благодаря
этому форма свечения с достаточной
точностью повторяет контур катода, т.е.
воспроизводит отображаемую цифру.
Рис. 27.1. Электродная структура цифрового
знакомоделирующего индикатора
321
11-6353
Рис. 27.2. Электродная структура семисегментного многознакоместного цифро-
вого индикатора
Достоинством знакомоделирующих индикаторов является привыч-
ность начертания символов, а существенными недостатками - экрани-
рование свечения задних символов передними и большая толщина ка-
тодного пакета. То обстоятельство, что катоды расположены не в одной
плоскости, затрудняет наблюдение и ограничивает число используемых
катодов.
Указанных недостатков лишены знакосинтезирующие индикаторы,
в которых изображение создается из совокупности дискретных элемен-
тов отображения, лежащих в одной плоскости. Как правило, знакосин-
тезирующие индикаторы в одном баллоне содержат несколько знако-
мест. Это удобно, поскольку в цифровых измерительных приборах,
калькуляторах, микро- и мини-ЭВМ оператору представляется инфор-
мация о 4—16-разрядных числах.	’
Если выводить из корпуса каждый электрод многознакоместного
цифрового индикатора, то общее число выводов окажется весьма боль-
шим. Действительно, индикатор на 9 знакомест при 7-сегментной кон-
фигурации (рис. 27.2) имел бы 7 X 9 катодных плюс 9 анодных выво-
дов, т. е. всего 72 вывода. Прибор с таким числом выводов затрудни-
тельно изготовить даже при использовании наиболее современной тех-
нологии. Для уменьшения числа выводов одинаково расположенные на
различных знакоместах (одноименные) сегменты соединяются между
собой и выводятся из баллона только одним выводом. Тогда для
рассматриваемого примера общее число знакомест составит 7 катодных
плюс 9 анодных, т. е. 16 выводов.
Изображенный на рис. 27.2 прибор содержит стеклянную или керами-
ческую подложку П, на которую наносятся никелевые катодные элект- .
роды К (сегменты), контактные площадки КП и разводка электро-
дов. Металлические слои покрываются слоем диэлектрика, закрываю-
322
щим все участки металлизации, кроме рабочих частей катодов. Сверху
подложка накрывается стеклянной рамкой СР и стеклянной лицевой
пластиной ЛП с нанесенным на ее внутреннюю поверхность рисунком
прозрачных анодов А, изготовленных, например, из двуокиси олова.
Соединение деталей между собой и герметизация объема прибора осуще-
ствляется стеклоцементом.
Знаковый индикатор должен работать в режиме слабо аномального
тлеющего разряда, т. е. при токах, слабо превышающих ток покрытия
катода свечением. Поэтому для нормальной работы знаковых индика-
торов должно выполняться условие, вытекающее из (25.42) :
/к — kln — kJKtHSK — kJK<HQj^ SK,	(27.1)
где IK — катодный ток; In — ток полного покрытия катода свечением;
JKH ~ плотность тока нормального тлеющего разряда; SK — площадь
катода (в виде знака или сегмента); к — коэффициент, больший еди-
ницы.
Кроме того, должно выполняться условие возникновения разряда
Ея> UB,	(27.2)
где Еа — напряжение питания анода.
Исходя из приведенных условий, можно сформулировать определен-
ные требования к газовому наполнению и конструкции прибора. Чтобы
уменьшить питающее напряжение Еа, все промежутки анод—катод долж-
ны иметь минимально и приблизительно одинаковое напряжение воз-
никновения разряда. В конструкции, изображенной на рис. 27.1, расстоя-
ние между анодом и различными катодами меняется в широких пре-
делах. Поэтому здесь в качестве газового наполнения целесообразно
использовать смесь неона с аргоном, в которой напряжение возникно-
вения разряда слабо зависит от расстояния между электродами (см.
рис. 25.8). Другим достоинством этой смеси являются малые значения
/к,но> что позволяет выполнить условие (27.1) при сравнительно боль-
ших давлениях, когда катодное распыление происходит с малой ско-
ростью.
При включении промежутка анод—катод индикатора по схеме
рис. 24.2 неизбежно возникает разброс катодных токов, обусловлен-
ный неидентичностью ВАХ, разбросом номиналов резисторов R а и на-
пряжений источника питания Еа. Определить катодный ток индикато-
ра по его ВАХ можно, использовав формулу (24.1) и выполнив следую-
щее графическое построение (рис. 27.3). Построить ВАХ в координа-
тах U = f (I), отложить по оси ординат значение Еа, провести из этой
точки нагрузочную прямую с углом 7н = ctg7?a по отношению к оси
абсцисс, направленную вниз. Легко видеть, что ордината точки пересе-
чения этой прямой с ВАХ дает падение напряжения на промежутке,
а абсцисса — катодный ток.
323
Рис. 27.3. К определению ра-
бочих точек катодов цифро-
вых индикаторов 7^ =
=	7н = ctgRamax
Используя этот метод построения, покажем теперь, что катодные
токи разных катодов имеют значительный разброс.
Приведенные на рис. 27.3 ВАХ 7-3 относятся к различным катодам,
а точки А, Б, В на них соответствуют переходу от нормального к ано-
мальному тлеющему разряду. Допустим теперь, что нагрузочные прямые
также имеют разброс, обусловленный непостоянством 7Га и 7?а. Очевид-
но, нагрузочная прямая 4, соответствующая режиму Eamin, Rimax>
должна пересекаться с ВАХ в точке Л; при этом будет обеспечен режим
полного покрытия свечением всех катодов. Естественно, что построенная
для Еатах, Rafnin прямая 5 пересекается с ВАХ в точках 1, 2, 3, соот-
ветствующих большему току, чем в точке А. При этом более высокое
катодное падение напряжения приводит к большей скорости распыления
катодов и к уменьшению срока службы индикатора вследствие запыле-
ния лицевого стекла баллона и возникновения проводящих мостиков
или разрывов электродов.
Для уменьшения скорости катодного распыления используют ма-
териал с малым коэффициентом распыления — титан, который, одна-
ко, не обладает стабильными эмиссионными свойствами, или же нихром,
который при высокой эрозионной стойкости сохраняет стабильные
эмиссионные свойства в условиях тлеющего разряда. Для уменьшения
катодного распыления следует увеличивать давление газа, однако воз-
можности этого пути ограничены необходимостью выполнения условия
(27.1).
Другим эффективным способом уменьшения катодного распыления
является введение в прибор небольшой добавки ртути. Предполагается,
что пары ртути создают на поверхности катода защитную пленку, нахо-
дящуюся в равновесии с паровой фазой. Однако добавка ртути эффек-
тивно действует только при температурах, обеспечивающих достаточную
упругость ртутного пара.
В реальных схемах включения для коммутации катодов использу-
ются транзисторы VT0-VT9 с п-р-п типом проводимости, из которых
один включен, а остальные выключены (рис. 27.4). В результате один
из катодов (индуцируемый) оказывается под нулевым потенциалом,
324
Рис. 27.4. Схема ком-
мутации катодов циф-
рового индикатора зна-
комоделирующего типа
остальные (неиндицируемые) - под напряжением £см. С известным
приближением можно рассматривать неиндицируемые катоды, на кото-
рые подается положительное смещение, как зонды, принимающие из
плазмы ионный ток (плазма в индикаторе находится под потенциалом
анода).
Типичная ВАХ неиндицируемого катода показана на рис. 27.5. Когда
напряжение поддержания аномального разряда ££к>а заметно выше нор-
мального UK H, разряд может происходить и на неиндицируемый катод.
Поэтому в области I, где t£K>a - UCM > £7к,н за счет малого UCM, в инди-
каторе возникает ненормальный режим токораспределения между ка-
тодами и подсветки неиндицируемого катода.
В области II напряжение между анодом и неиндицируемым катодом
меньше, чем напряжение поддержания разряда (£/к>а - Ц<,н < ££См)-
В этом рабочем режиме ток на неиндицируемом катоде мал. В области
III потенциал неиндицируемого катода £/См выше потенциала анода
££к>а и тем самым выше потенциала плазмы. На этот катод проходит
электронный ток из плазмы и даже может возникнуть самостоятельный
разряд, при котором неиндицируемый катод выполняет функции ано-
да. Поскольку между катодами нет токоограничивающего резистора,
данный режим может стать катастрофическим. Нормальная работа ин-
дикатора обеспечивается в области UCM = 40 100 В.
В технических условиях на знаковые индикаторы указывают напря-
жение возникновения разряда UB и допустимые минимальный IKmjn
(обеспечивающий полное покрытие катода свечением) и максимальный
1ктах (гарантирующий срок службы) катодные токи. Однако диапа-
зон токов IKmin- kmax иногда настолько узок, что затрудняется
эксплуатация приборов. Поэтому часто используют импульсные режимы,
в которых ток 1ктах увеличивается по сравнению с указанным для
постоянных напряжений. Понижение долговечности из-за большого им-
пульсного тока компенсируется уменьшением фактического времени
протекания тока через прибор. Импульсные режимы также использу-
ются для возбуждения индикаторов с объединенными в группы като-
дами.
При подаче на газоразрядный промежуток импульсного напряже-
ния возникновение разряда происходит с запаздыванием (время стати-
325
Рис. 27.5. Вольт-амперная характеристика неин-
дицируемого катода цифрового индикатора
этического запаздывания тзап). Статистиче-
ское время запаздывания первого включе-
ния индикатора при низкой освещенности
окружающей среды может достигать Не-
скольких секунд. Затем в приборе появля-
ются заряды, которые не успевают исчезнуть в паузе между импульсами
тока, что приводит к уменьшению статистического запаздывания до зна-
чения, меньшего длительности возбуждающих импульсов. Другой осо-
бенностью импульсных режимов является то, что ток покрытия /п
в них при длительностях импульсов менее 100 мкс может в десятки раз
превышать статический.
Для расчета импульсного тока сегмента 7С>НМП многоразрядного
индикатора может быть рекомендована формула
т = т к____________________“________
2с,нмп Jc,cpJV t f	~
1 н ~ ‘п	'зап
(27.3)
где 7с>ср — рекомендованное значение среднего тока через сегмент в
статическом режиме; N — число знакомест; fH — длительность импуль-
са; 7П — время паузы, большее времени деионизации; тзап - время за-
паздывания возникновения разряда.
Для ги - fn > 80 мкс величиной тзап можно пренебречь. Тогда при
4,ср = 4 • 1СГ5 A, N = 11, t„ = 1СГ3 с получим 7С<НМП = И • 4 • 10"s =
= 4,4 • 10-4 = 0,44 мА.
27.4.	ШКАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
В современной электронной аппаратуре информация представляется
не только в виде цифр или букв, но и в виде различного рода шкал.
В этом случае наблюдатель видит какой-либо указатель (стрелку, све-
товой зайчик, границу между черной и белой частями ленты), переме-
щающийся относительно начала шкалы вслед за изменением измеряе-
мого параметра.
Газоразрядные шкальные индикаторы могут быть двух видов: ана-
логовые индикаторы, использующие пропорциональность значения то-
ка нормального тлеющего разряда площади катода, покрытой свечени-
ем, и дискретные индикаторы, основанные на переносе разряда по дис-
кретным электродам.
Конструкция линейного аналогового индикатора показана на
рис. 27.6. Электродная структура прибора содержит проволочный ка-
тод К, фиксатор Ф, изолятор И, цилиндрический анод А с прорезью для
наблюдения свечения.
326
L
Рис. 27.6. Конструкция линейного шкального аналого-
вого индикатора в разрезе
Рис. 27.7. Рабочая характеристика линейного аналогового
шкального индикатора
В момент включения в схеме типа рис. 24.2 и
при условии, что ток через прибор нарастает по-
степенно, разряд возбуждается на участке катода,
примыкающем к фиксатору, и только затем рас-
пространяется на остальную часть катода.
Для точного считывания показаний необходи-
мо, чтобы один из концов светящегося столба
был фиксирован по отношению к определенной
точке (обычно краю) катода. Для этого рядом с
основным молибденовым катодом располагается
вспомогательный фиксирующий катод — цирко-
ниевая пластина. Первоначально разряд возникает
на ней, поскольку коэффициент вторичной эмиссии циркония больше,
чем у молибдена. Отсутствие разрывов свечения обеспечивается уменьше-
нием скорости нарастания тока при включении прибора, для чего между
его анодом и катодом присоединяется конденсатор. Вместе с токо-
ограничивающим резистором он образует интегрирующую цепочку.
Считывание показаний при использовании линейного аналогового
индикатора производится по кривой зависимости длины светящегося
столба от тока через прибор, называемой рабочей характеристикой.
Реальная рабочая характеристика, изображенная на рис. 27.7, имеет
нелинейные участки вначале из-за влияния фиксатора, а в конце из-за
перехода от нормального к аномальному тлеющему разряду. Исходя
из этого, можно записать уравнение рабочей характеристики в виде
L ~ Lmin +	lamin) при /а < 1лтах-
(27.4)
Для проволочного катода к = 7/тг/)к/К1И. Здесь L — длина свечения;
327
Рис. 27.8. Электродная структура
(а) и схема присоединений электродов к внеш-
ним выводам (б) двухимпульсного декатрона
DK - диаметр катода; Iimin — ток перехода к линейной части рабочей
характеристики.
Простейшим типом дискретного индикатора является двухимпуль-
сный декатрон. Конструкция декатрона схематически изображена на
рис. 27.8, а, а соединение электродов — на рис. 27.8, б. Электродная
система состоит из 30 катодов, окружающих дисковый анод А. Катоды
разделены на 10 групп, в каждой из которых имеется катод К, первый
подкатод ШК и второй подкатод 2ПК. Электроды подкатодных групп,
выполняющие одинаковые функции, соединяются внутри баллона пе-
ремычками и имеют общий вывод из баллона. Кроме того, в декатроне
соединены между собой девять катодов, остающийся нулевой катод
Ко имеет отдельный вывод из баллона.
Катоды фиксируются друг относительно друга с помощью изоля-
тора И с отверстиями. Размер верхних частей отверстий больше, чем
диаметр проволочных электродов, что предотвращает возникновение
проводящих мостиков между электродами в результате распыления
материала катода. Газовое наполнение приборов — неон или неоно-
водородная смесь под давлением в несколько тысяч паскалей. Водо-
род добавляется для улучшения частотных свойств.
Принципиальная схема включения двухимпульсного декатрона изо-
бражена на рис. 27.9, а, а диаграммы управляющих напряжений на
электродах - на рис. 27.9, б. При включении напряжения питания Ея
возникает тлеющий разряд на один из катодов, возникновению разряда
на подкатоды препятствует подача на них положительного напряжения
смещения. Поскольку сопротивление Ra ограничивает ток на уровне
нормального тлеющего разряда, напряжение на аноде становится недог
статочным для возбуждения разряда на какой-либо другой катод. Ра-
328
Рис. 27.9. Принципиальная схема включения (а) и диаграммы напряжений на
электродах (ff) ряухимпупъснато декатрона
бота прибора основана на том, что разряд всегда происходит на наибо-
лее отрицательный катод, а напряжение возникновения разряда сни-
жается тем сильнее, чем ближе данный катод к области разряда.
Перед началом работы разряд ’’сбрасывается” на нулевой катод Ко
подачей отрицательного импульса. Для переноса разряда на соседний
катод на подкатоды подаются два сдвинутых во времени импульса.
В результате действия первого из них Uiijr напряжение между анодом
и первыми подкатодами становится выше напряжения возникновения
разряда. При этом разряд возбуждается на первый подкатод, соседний
с разрядом на нулевой катод.
В результате возникновения разряда на первый подкатод напряже-
ние между анодом и катодами падает и разряд на нулевой катод пре-
кращается.
Второй управляющий импульс и2пк приводит к переносу разряда
на ближайший второй подкагод и к гашению разряда на первый под-
катод. После окончания действия импульса и2пк разряд переходит
на следующий катод.
Таким образом, в результате приложения к 1ПК и 2ПК сдвинутых
во времени импульсов разряд переносится с Ко на Кх. Вторая, третья
и последующие пары импульсов аналогичным образом обеспечивают
поочередный перенос разряда на следующие катоды Кг ... К9, а. деся-
тая пара этих импульсов возвращает разряд на Ко. Количество посту-
пающих пар импульсов определяется по положению катодного свече-
ния относительно нулевого катода с помощью простой кольцевой
шкалы.
329
Рис. 27.10. Принципиальная схема включения (я) и диаграммы напряжений на
электродах (б) линейного шкального дискретного индикатора
Рассмотренная конструкция декатрона (кольцевого шкального ин-
дикатора) отличается сравнительно большой погрешностью измерений,
связанной с малым числом позиций. Для повышения точности целесо-
образно управлять прибором от многоустойчивой схемы, при этом раз-
ряд может стабильно проходить на любой из электродов независимо
от того, является ли он катодом или подкатодом.
Другим недостатком декатронов является круглая форма, в резуль-
тате чего прибор занимает на лицевой панели много места и, кроме того,
неудобен для одновременного считывания показаний с большого числа
индикаторов.
Этих недостатков лишен линейный шкальный дискретный индика-
тор, принципиальная схема включения которого показана на рис. 27.10/z,
а соответствующие диаграммы управляющих напряжений на электро-
дах — на рис. 27.10, б. Управляющие напряжения UK1, UK2, Ug3, U%c
формируются блоком управления БУ с тремя устойчивыми состояния-
ми переключения и одним начальным состоянием. После подачи на БУ
330
импульса сброса Сбр. он устанавливается в нулевое состояние. При этом
на катод сброса прибора КС поступает нулевой потенциал, а на осталь-
ные катоды — положительное напряжение смещения. На вход БУ посту-
пают счетные импульсы С, число которых пропорционально измеряемой
величине. Каждый из таких импульсов переводит БУ в следующее со-
стояние в соответствии с диаграммой рис. 27.10, б. В результате этого
низкий уровень напряжения появляется после импульса сброса сначала
на первом, затем на втором, третьем, снова первом и т. д. выходах.
При поступлении первого счетного импульса разряд переходит на ка-
тод К1, ближе всего расположенный к катоду сброса КС, второго счет-
ного импульса — на катод К2, ближе всего расположенный к К1, при
поступлении третьего счетного импульса — на катод КЗ, ближе всего рас-
положенный к К2, и т. д., затем опять на К1. Перенос разряда происхо-
дит до тех пор, пока последовательность счетных импульсов не прекра-
тится. Таким образом, при поступлении NC4 импульсов разряд остано-
вится на катоде NC4. Положение разряда по отношению к нулевому ка-
тоду может быть отсчитано по внешней или внутренней линейной шкале.
Для выполнения новой серии измерений разряд повторно сбрасывается
на нулевой катод, после чего на БУ подается новая пачка счетных им-
пульсов.
Описанный принцип перемещения разряда под действием сдвинутых
импульсов получил название самосканирования. Он нашел дальнейшее
развитие при создании матричных газоразрядных индикаторов с само-
сканированием, описанных в § 27.5.
27.5.	ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ МАТРИЧНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Благодаря способности отображать большой объем информации
широкое распространение получили матричные газоразрядные индика-
торы. Под матричными понимаются индикаторы, элементы отображения
которых сконцентрированы по строкам и столбцам. По принципу дей-
ствия их можно разделить на индикаторы: тиратронные; постоянного
тока с внешней адресацией; постоянного тока с самосканированием;
переменного тока.
Индикаторы тиратронные матричные представляют собой групповые
приборы, состоящие из множества тиратронных индикаторных ячеек,
подобных описанным в § 26.3 индикаторным тиратронам. Наличие двух
или большего числа сеток в каждой ячейке позволяет организовать
управление прибором по матричной системе. В качестве примера пока-
заны схема подсоединения к электродам (рис. 27.11, а) и вид на лице-
вую часть баллона (рис. 27.11, б) тиратронного индикатора матричного
типа ИТМ1. Прибор содержит 4X4 = 16 индикаторных ячеек, в каждой
из которых находится электродная структура индикаторного тиратро-
на и токоограничивающий резистор цепи подкатода. Резисторы выпол-
нены методами тонкопленочной технологии и вместе с электродными
331
Рис. 27.11. Схема подсоединения к электродам (а) и вид на лицевую часть балло-
на (б) тиратронного матричного индикатора
структурами тиратронов заключены в герметичный баллон. Первые
сетки тиратронов, расположенные в общих столбцах, и вторые сетки
тиратронов, расположенные в общих строках, объединяются. Таким
образом, общее число электродов прибора равно 12 (8 сеток + 1 под-
катод + 1 катод + 2 анода), что значительно меньше суммы числа вы-
водов эквивалентных 16 отдельных тиратронов, равной 96 [16(2 сетки +
+ 1 подкатод + 1 катод + 2 анода) ].
Для включения какой-либо тиратронной ячейки достаточно подать
на ее первую и вторую сетки низкие уровни напряжений. Механизм
включения и выключения тиратрона здесь аналогичен описанному в
§ 26.3 применительно к тиратрону типа ТХ19А. Рассмотрим в качестве
примера включение ячейки В ячейке Я2, как и в любой другой
ячейке тиратронного матричного индикатора, существует подготови-
тельный разряд между общим катодом К и подкатодом ПК^. В область
плазменного. катода этого разряда погружены сетки С1Л и С2г. Пока
на эти сетки подается положительный по отношению к катоду потен-
циал, они перехватывают значительную часть тока на катод и в про-
странство катод — аноды почти не проникают электроны. Когда на сет-
ки С11 и С12 поступает отпирающий потенциал, близкий к катодному,
электроны из плазменного катода проникают в область между катодом
и анодами и там возникает разряд.
Следует отметить, что на сетку С2Х ячеек Я2, Я3, Я4 и на сетку Cl i
ячеек Я$, Я9, Я13 также поступает отпирающий потенциал, но посколь-
ку на других сетках этих ячеек сохраняется положительный потенциал,
они не включаются. Таким образом, описанная двухкоординатная си-
стема адресации обеспечивает выборку одной ячейки индикаторного
поля при условии, что включение этой ячейки происходит при совпа-
дении двух отпирающих сигналов.
Основным достоинством тиратронных матричных индикаторов
332
Рис. 27.12. Конструкция матричного
индикатора постоянного тока с
внешней адресацией
является простота управления по двум сеткам низкими, около 10 В,
напряжениями, недостатками — малая информационная емкость инди-
каторного поля, большое число выводов по отношению к числу элемен-
тов отображения (12/16) и сложность конструкции. Более высокую
информационную емкость обеспечивают матричные индикаторы по-
стоянного тока с внешней адресацией.
Схематически конструкция матричного индикатора постоянного
тока с внешней адресацией изображена на рис. 27.12, а, поперечное
сечение — на рис. 27.12, б. Прибор содержит две стеклянные пластины 1,
на внутренние поверхности которых нанесены системы взаимно перпен-
дикулярных катодов 2 и анодов 3. Между пластинами расположена
изолирующая матрица 4 с отверстиями 5, совмещенными с местами
пересечения проекции одних электродов на другие. Благодаря этому
внутреннее пространство прибора оказывается разделенным на множе-
ство электрически и оптически изолированных ячеек, число которых
равно произведению числа катодов на число анодов. В ряде приборов
с внешней адресацией изоляция ячеек друг от друга осуществляется с
помощью диэлектрических выступов и выемок на стеклянных пласти-
нах, расположенных между электродами, тем самым удается отказаться
от технологически сложной изолирующей матрицы 4.
Газовое наполнение должно обеспечить минимальное значение напря-
жений возникновения разряда и их разброса по индикаторному полю
при заданном минимальном значении яркости. Лучше всего это требо-
вание выполняется при применении пеннинговых смесей на основе нео-
на с добавкой аргона. Как видно из рис. 25.8, правые ветви кривой Па-
шена в смеси Ne + 0,1% Аг весьма пологи, что обеспечивает слабую за-
висимость UB от расстояния между электродами.
Простейшая схема включения матричного индикатора постоянного
тока с внешней адресацией приведена на рис. 27.13, а, форма управляю-
333
и
Рис. 27.13. Схема включения (а) и диаграммы напряжений (б) матричного инди-
катора постоянного тока
щих сигналов на электродах - на рис. 27.13, б. Одновременное вклю-
чение ячеек, электроды которых присоединены к одному резистору
(по столбцу), невозможно, так как после возникновения в одной из
ячеек столбца разряда напряжение на аноде, соединенном с резисто-
ром, падает до напряжения поддержания разряда Un, а последнее всег-
да значительно меньше напряжения возникновения разряда UB. В то же
время ячейки, находящиеся в одной строке, присоединены к разным
резисторам и могут быть включены одновременно. Поэтому исполь-
зуют построчную адресацию, при которой в такте 7\ подается импульс
сканирования на первую строку и на те столбцы, в которых на-
ходятся возбуждаемые ячейки (С/а4). В результате возбуждается све-
чение в ячейке на перекрестье Кг-А4. В такте Т2 подается импульс
сканирования на вторую строку и^2 и на столбцы А3 и А4, в резуль-
тате чего возбуждаются ячейки Кг-А3 и А?2-Л4. Процесс сканирова-
ния продолжается до тех пор, пока не будут возбуждены все строки,
после чего начинается следующий кадр с возбуждения строки Кх.
Изображение в матричном индикаторе синтезируется из свечения
отдельных ячеек. Если частота повторения последовательных кадров
больше так называемой критической частоты мельканий, то благодаря
инерционности человеческого зрения изображение будет восприни-
маться как слитное. Такой режим называется режимом с регенерацией
334
изображения и для него можно записать:
т= 1/(ГЛсТр),	(27.5)
где Т — время включения ячеек; /к — кадровая частота; 7VCTp — число
строк, по которым производится развертка.
Формирование изображения обеспечивается, когда при совпадении
импульсов по строке и столбцу ячейка включается, а при несовпаде-
нии — не включается. Пусть управляющие напряжения формируются
в виде постоянного напряжения смещения Есм, на которое наклады-
вается импульс Сцмп' Тогда условия работоспособности ячейки мож-
но записать в виде
^см "* 2£/ИМп	^втах>	(27.6)
^см + Ц1мп	^Bmin-	(27.7)
Графическое решение неравенств (27.6) и (27.7) показано на
рис. 27.14.
Покажем, что любая точка, находящаяся в заштрихованной части
рисунка, имеет ординату ии и абсциссу Есм, удовлетворяющие урав-
нениям (27.6) и (27.7). Действительно, если из выбранной в заштри-
хованной области точки О провести прямую, параллельную верхней
границе заштрихованной области, она отсечет на оси ординат точку с
ординатой £/имп + Есм, лежащую ниже точки ивпц„. Если же из этой
точки провести прямую, параллельную нижней границе заштрихован-
ной области, то она отсечет на оси ординат точку с ординатой £/имп +
+ £’см/2, лежащую выше ординаты ивтах/2. Это и означает, что нера-
венства (27.6) и (27.7) выполняются.
Очевидно, что рабочая область напряжений будет тем больше, чем
меньше разность UBmax-UBmin- Однако при этом значение UBmax не
должно быть слишком большим, иначе, как следует из (27.6), придет-
ся использовать слишком большие напряжения возбуждения ячейки
Есм + 2С/ИМП. Иными словами, разброс напряжений возникновения
разряда должен быть малым при малых абсолютных значениях этих
напряжений.
Из (27.5) вытекает, что при больших NCTp, т. е. при большой инфор-
мационной емкости индикатора, величина Т падает. В результате Т
может оказаться сравнимым со статистическим временем запаздыва-
ния возникновения разряда тст, что вызовет нестабильность включе-
ния ячеек. Для уменьшения гст и его стабилизации в ячейках матрич-
ных индикаторов постоянного тока с внешней адресацией создается
небольшая предварительная ионизация с помощью так называемого ра-
мочного разряда - вспомогательного разряда, возбуждаемого по
периферии индикаторного поля, где ячейки легко могут быть закры-
ты от наблюдателя.
335
(27.8)
Существенным недостатком матричных индикаторов постоянного
тока с внешней адресацией при работе в режиме с регенерацией является
падение яркости с ростом информационной емкости (числа строк раз-
вертки). При строчной развертке кажущаяся, т. е. усредненная во
времени, яркость ivKa« определяется формулой
^ркаж ~ ^'1'мгн/^стр
где £умгн — мгновенная яркость свечения. Из-за насыщения свечения
люминофора при увеличении тока не удается увеличивать мгновенную
яркость беспредельно. Поэтому, допустив, например, ZVMrH =
= 10000 кд/м2 и задавшись ZVKa>K = 100 кд/м2, получим максималь-
ное число строк развертки, равное 100. Из-за этого основное примене-
ние матричные индикаторы постоянного тока с внешней адресацией
нашли в качестве малых экранов индивидуального пользования или
элементов, из которых наращиванием модулей получается большой
экран.
Выше упоминалось, что для стабилизации возникновения разряда
в матричных индикаторах постоянного тока с внешней адресацией
используется рамочный разряд, создаваемый ячейками, расположен-
ными по периферии индикаторного поля. Легко видеть, что при этом
не обеспечивается равномерная подготовка ячеек, находящихся на
различных расстояниях от края прибора.
В известной мере положение улучшается, когда вместо рамочного
подготовительного разряда применяется сеточный подготовительный
разряд, возбуждаемый, например, с шагом в 10 ячеек. Такой способ
приемлем, когда на экране изображаются графики, но не буквенно-
цифровая информация. В другом типе матричных индикаторов по-
стоянного тока с самосканированием в качестве подготовительного
применен разряд, перемещающийся по индикаторному полю одновре-
менно с разверткой. Этот разряд сканирования не только уменьшает
статистическое время запаздывания возникновения основного разря-
да, но и снижает абсолютное значение этого напряжения возникно-
вения.
Конструкция электродной системы матричного индикатора с само-
сканированием изображена на рис. 27.15. Прибор содержит опорную
стеклянную пластину 5 с выфрезерованными в ней канавками 7, в ко-
торых расположены аноды сканирования 6. Перпендикулярно им рас-
полагаются катоды сканирования 5, имеющие вид металлических поло-
сок с отверстиями диаметром около 0,05 мм. К катодной группе элект-
родов также относятся ориентированный параллельно катодам сканиро-
вания сплошной катод сброса 10 и парные электроды дежурного раз-
ряда 9, расположенные по другую сторону от катода сброса.
На катоды сканирования наложена диэлектрическая матрица 4 с,-
отверстиями 3 и затем аноды индикации 2, выполненные в виде прово-
336
Рис. 27.14. Графическое построение, по-
зволяющее определить область рабочих на-
пряжений
Рис. 27.15. Конструкция матричного инди-
катора с самосканированием по слоям
лочных или пленочных электродов, ориентированных параллельно ано-
дам сканирования. Отверстия в диэлектрической матрице совмещаются
с проекцией электродов одной группы на взаимно перпендикулярные
им электроды другой группы. Сверху структура закрыта прозрачным
стеклом 1. Таким образом, внутри прибора образуется матричное поле
из ряда строк (анодов сканирования или индикации) и столбцов (ка-
тодов сканирования). Катоды сканирования объединены в три или
большее число групп подобно катодам декатронов и обеспечивают на-
правленный перенос разряда.
Работу матричного индикатора с самосканированием иллюстрирует
рис. 27.16, а, на котором изображено расположение электродов в одной
строке и подсоединение их к источникам электропитания, и рис. 27.16, б,
где показаны диаграммы управляющих напряжений на электродах.
Для упрощения рассмотрения разделим структуру на две части: а) ска-
нирующую, образованную анодом сканирования Лск и катодами ска-
нирования КС, KI, К2, КЗ, и б) индикаторную, образованную анодом
индикации и катодами сканирования.
В сканирующей части происходит направленный перенос разряда по
катодам сканирования KI, К2, КЗ по мере переключения напряжений
Ukc> Uki> Uk2, UK3. Этот процесс последовательного продвижения по
337
Рис. 27.16. Схема включения (я) и диаграмма напряжения (б) матричного индика-
тора с самосканированием
катодам аналогичен описанному в § 27.4 для шкальных дискретных
индикаторов. Цикл работы начинается со сброса разряда на катод сброса
КС в результате подачи импульса сброса Ukc- Для уменьшения стати-
стического разброса времени возникновения разряда на КС использу-
ется постоянно горящий разряд на дежурные электроды D. Затем раз-
ряд переносится по катодам сканирования, после достижения послед-
него катода сканирования строки вновь вырабатывается импульс сбро-
са UKc, разряд возвращается на КС и цикл сканирования повторяется.
Из-за малых размеров отверстий в катодах свечение сканирующего
разряда практически не воспринимается оператором. Единственным
назначением этого разряда является облегчение возникновения разряда
в индикаторной ячейке, образованной данным катодом сканирования
и противолежащим участком анода индикации, за счет проникновения
туда активных частиц из сканирующей ячейки, связанной с индикатор-
ной посредством отверстия в катоде сканирования.
Для создания изображения из светящихся индикаторных ячеек в
338
определенные моменты времени синхронно с разверткой по катодам
на индикаторный анод подаются положительные импульсы напряжения
^а,и- Пробой газа происходит только в индикаторных ячейках, на кото-
рые подается импульс UaK, одновременно с существованием в связан-
ной с ними сканирующей ячейке разряда. После возникновения разряда
в индикаторной ячейке напряжение на аноде индикации падает до уров-
ня Un, что делает невозможным возникновение разряда в других
ячейках.
Из рис. 27.16, а видно, что индикаторная и сканирующая части свя-
заны друг с другом только через отверстия в катодных электродах,
а электрические цепи питания сканирующего и индикаторного разряда
независимы, если только выходные сопротивления источников управ-
ляющих импульсов Urc, Uki, Uk2< Uk3 малы. Благодаря этому раз-
ряды в сканирующей и индикаторной частях независимы и могут суще-
ствовать одновременно.
Отдельные строки прибора связаны между собой только посредством
общих катодных электродов. Поэтому и разряды в каждой строке
могут существовать независимо друг от друга, что позволяет параллель-
но вводить в них информацию.
Работа матричного индикатора с самосканированием имеет много
общего с работой ЭЛТ с растровой разверткой: сканирование разряда
аналогично развертке строки ЭЛТ, а возбуждение разряда на индикатор-
ный анод - отпиранию луча ЭЛТ с помощью модулятора. Различие меж-
ду приборами заключается только в том, что развертка ЭЛТ происходит
последовательно строка за строкой, а в матричном индикаторе с
самосканированием — параллельно во всех строках.
В заключение остановимся на механизме понижения напряжения воз-
никновения разряда посредством сканирующего разряда. Из-за узких
отверстий связи из сканирующих частей в индикаторные проникают
только незаряженные частицы, а именно метастабильные атомы и фото-
ны. Для часто используемого газового наполнения - пеннинговой сме-
си Ne + 0,1% Аг — этими частицами являются метастабильные атомы
Ne. Попадая в индикаторную часть разряда, они ионизируют там атомы
в результате реакции Пеннинга Nem + Ar ->Ar+ + Ne + е (см. гл. 25).
Поскольку время диффузии метастабильных атомов из сканирующе-
го разряда в ячейку индикации сравнительно велико, снижение напря-
жения возникновения разряда в ней происходит с заметным запаздыва-
нием по сравнению с моментом начала сканирующего разряда в связан-
ной ячейке сканирования. Поэтому импульс на анод индикации следует
подавать с задержкой приблизительно 10 мкс по отношению к моменту
переноса разряда в соответствующую сканирующую ячейку.
Информационная емкость матричного индикатора с самосканирова-
нием ограничена теми же принципиальными факторами, что и матрично-
го индикатора постоянного тока с внешней адресацией — как следует
из (27.5) и (27.8) с увеличением числа столбцов Nc6 значения ZVKa«
339
и Т уменьшаются. Развертка в матричных индикаторах со сканирова-
нием производится по столбцам, так что в (27.5) и (27.8) вместо 7VCTp
подставляется Nc6. Однако благодаря сканирующему подготовитель-
ному разряду 7СТ у первого типа индикатора оказывается значительно
меньше, чем у второго, и условие Т> тст выполняется легче. Благода-
ря этому удается создать приборы с Nc6 « 200, дальнейшее увеличение
Nc6 приводит к недопустимому снижению ЛУкаж.
Обычно матричные индикаторы с самосканированием представляют
собой вытянутые по горизонтали структуры с ограниченным числом
строк и большим числом столбцов. Наиболее широко они применяются
для воспроизведения буквенно-цифровой информации в виде одной
текстовой строки. Число знакомест в такой текстовой строке доходит
до 32 (222 X 7 элементов отображения).
Следует отметить, что использование разряда сканирования для ад-
ресации индикаторных ячеек позволяет заметно упростить схему уп-
равления по сравнению с индикатором с внешней адресацией. Для инди-
каторного поля 222 X 7 элементов число управляющих высоковольтных
ключей в схеме управления матричного индикатора со сканированием
равно 12 (5 ключей схемы сканирования и 7 ключей схемы возбуждения
анодов индикации). В индикаторе с внешней адресацией число ключей
равно 229 (222 ключа адресации и 7 ключей подачи информации).
Рассмотренные выше индикаторы постоянного тока с внешней ад-
ресацией и индикаторы с самосканированием работают в режиме с ре-
генерацией изображения, когда информационная емкость индикатор-
ного поля ограничена. В отличие от них матричные индикаторы пере-
менного тока, к рассмотрению которых мы переходим, способны запо-
минать информацию непосредственно на индикаторном поле, так что
исчезает необходимость повторно воспроизводить изображение с кад-
ровой частотой. По существу новое изображение записывают только при
необходимости обновления информации. Эта запись производится пу-
тем развертки по строкам и столбцам, как и в остальных типах матрич-
ных индикаторов, однако при этом кадровая частота может падать до
единиц - долей герца. В принципе информационная емкость таких при-
боров ограничивается только конструктивными факторами.
Конструкция матричного индикатора переменного тока схематиче-
ски изображена на рис. 27.17, а, а поперечное сечение нескольких яче-
ек прибора - на рис. 27.17, б. Прибор состоит из двух стеклянных под-
ложек 1, на внутренние поверхности которых нанесены электроды 2.
Со стороны, противоположной подложке, электроды покрываются
слоем тонкого стекла 3. На поверхность стекла наносится изолирую-
щий слой MgO. Чтобы прибор сохранял достаточную прозрачность,
электроды делаются либо из прозрачного материала — оксида олова-
индия, либо из очень узких проводников. Зазор 4 между пластинами
заполняется газом под давлением, близким к атмосферному, для фик-
340
Рис. 27.17. Конструкция матричного индикатора пе-
ременного тока
сации зазора используются тонкие стеклянные
прокладки. Герметизация проводится по пери-
ферии с помощью стеклоцемента.
Изолирующая пленка MgO выполняет функ-
ции эффективного эмиттера вторичных элект-
ронов, а также имеет высокую стойкость к рас-
пылению под воздействием ионной бомбарди-
ровки, что обеспечивает большой срок службы
прибора. Благодаря высокому давлению газа
разряды, возникающие в ячейках, образован-
ных на пересечениях проекций электродов, рас-
положенных на одной подложке, на электроды
другой подложки, концентрируются в узкой области и не влияют друг
на друга. Это позволяет отказаться от диэлектрических барьеров, ис-
пользуемых для изоляции ячеек в других типах матричных индика-
торов.
Образованная на пересечении строки и столбца ячейка матричного
индикатора переменного тока представляет собой структуру металл—
диэлектрик—газ—диэлектрик—металл (МДГДМ).
Механизм прохождения разряда в ячейке со структурой МДГДМ в
общем виде выглядит так. При достаточном напряжении между
электродами, расположенными на противоположных подложках, на-
чальные электроны в газовом зазоре ускоряются и создают электрон-
ионные лавины. Ионы, движущиеся к отрицательному электроду, а
также попадающие на него фотоны и метастабильные атомы, бомбарди-
руя слой MgO, покрывающий отрицательный электрод, вызывают эмис-
сию электронов и появление новых лавин. В результате возникает са-
мостоятельный разряд. Однако в отличие от стационарного разряда,
описанного в § 25.4, этот разряд быстро прекращается из-за зарядки
емкостей МДГДМструктуры разрядным током и, таким образом, ток
носит характер однократного импульса. Чтобы последовательность
импульсов разрядного тока через промежуток не прекращалась, не-
обходимо прикладывать к нему не постоянное, а знакопеременное
напряжение.
Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу матрич-
ного индикатора переменного тока, приведены на рис. 27.18. Между
горизонтальными и вертикальными электродами панели приложено
знакопеременное напряжение Еп. Амплитуда его выбирается несколько
меньшей напряжения возникновения разряда, но достаточной для под-
держания уже возникшего разряда.
341
Рис. 27.18. Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу матричного
индикатора переменного тока
Включение ячейки (запись) проводится методом двухкоординатной
выборки, для чего на соединенные с ней вертикальный Y и горизонталь-
ный X электроды в интервале времени -t2 подаются полу импульсы
записи Ux и Uy, суммарная амплитуда которых | Су + | Uy | = U3 > UB.
Ток разряда ip, протекающий через ячейку, сначала нарастает в про-
цессе формирования, а затем падает, поскольку приложенное к газо-
вому промежутку ячейки напряжение уменьшается по мере заряда ем-
костей структуры МДГДМ. В результате протекания импульса тока ем-
кости С МДГ ДМ -структуры заряжаются до напряжения
1 *2
UCo=~- f ipdt.	(27.9)
Поскольку после окончания импульса тока газовый промежуток вновь
становится непроводящим, напряжение Uco сохраняется на емкости
до момента времени 13.
В следующий временной интервал t3 - г4 к ячейкам прикладывает-
ся положительный импульс поддерживающего напряжения. В резуль-
тате того, что он суммируется с напряжением на емкости Z7co> прило-
342
женное к газовому промежутку ячейки напряжение Еп + Uc0 > UB сти-
мулирует повторное возникновение разряда. Протекание тока в интер-
вале t3 — г4 приводит к перезарядке емкости до напряжения Ua проти-
воположной полярности, причем новое напряжение на емкости опре-
деляется как
.	/ f2	f4 \
Ua = UCo-&UC= ~ f ipdt — f ipdt .	(27.10)
\f i	t з /
Прикладываемый к ячейке в интервале времени ts -t6 импульс снова
приводит к ее перезажиганию и т. д. Таким образом, пока к матрич-
ному индикатору приложено поддерживающее напряжение, ячейки,
возбужденные импульсами записи, будут светиться в результате проте-
кания двухполярных импульсов разрядного тока. Емкости структур
МДГДМ обеспечивают электрическую развязку газовых промежутков
ячеек и возможность одновременного существования разряда в любом
числе ячеек.
Матричный индикатор переменного тока позволяет осуществить не
только выборочную запись, но и выборочное стирание информации в
любой ячейке. С этой целью на ячейку во временном интервале tn+2 -
- tn+3 подаются импульсы стирания UCT с амплитудой меньшей, чем
при записи, но все же достаточной для пробоя газового промежутка,
т. е. Е7СТ + Ucn > UB. Из-за меньшей амплитуды t/CI такие импульсы вы-
зывают более слабую перезарядку емкостей ячейки, чем при записи.
Их амплитуда выбирается таким образом, чтобы на емкости в конечном
счете устанавливалось значение напряжения, близкое к нулю. При этом
ячейка почти возвращается к первоначальному состоянию и очередной
импульс поддерживающего напряжения не вызовет пробоя, т. е. ток
через ячейку и ее свечение прекращаются.
Более точное описание процессов, происходящих в ячейке, можно
дать с помощью так называемой перезарядной характеристики. Тер-
мин ’’перезарядная характеристика” применен здесь, поскольку изме-
нение зарядки емкости AQC при постоянной С пропорционально Д1/с-
Типичная перезарядная характеристика, изображенная на рис. 27.19,
представляет собой зависимость изменения напряжения на емкостях
МДГДМ-структуры &Uc, происходящего в результате протекания им-
пульса разрядного тока, от приложенного к газоразрядному промежут-
ку ячейки напряжения UT. Поскольку напряжение на газоразрядном
промежутке определяется напряжением на емкости МДГДМ-структуры
в предыдущем цикле и поддерживающим напряжением в данном цик-
ле, то для т-то цикла можно записать
MJCm = f(UCm-t + Еп).	(27.11)
Здесь &Ucm — изменение напряжения на емкости МДГДМ-структуры
343
Рис. 27.19. Перезарядная характеристика
в ш-цикле;	— напряжение на емкости после т —1 цикла; Еп —
амплитуда поддерживающего напряжения.
Из рис. 27.18 следует, что Uc достигает установившегося значе-
ния, когда изменение напряжения на емкости становится в 2 раза боль-
ше напряжения на емкости, т. е. в установившемся режиме
bUc=2Uc.	(27.12)
Уравнение (27.12) совместно с перезарядной характеристикой поз-
воляет найти диапазон поддерживающих напряжений Еп, амплитуд им-
пульсов записи U3 и стирания UCT, при которых обеспечивается рабо-
та ячейки в режимах запоминания информации. Рассмотрим графиче-
ское решение этой задачи.
С этой целью проведем прямую А с тангенсом угла наклона, рав-
ным двум, так чтобы она пересекла перезарядную характеристику в
точках а и /3. Примем, что отрезок, отсекаемый прямой А на оси
абсцисс, соответствует Еп. Легко видеть, что при этом точки пересече-
ния прямой А с перезарядной характеристикой являются равновесны-
ми и в них соблюдается условие (27.12) AUc = f(Pc + Fn) = 2Uc,
т. е. при воздействии на газоразрядный промежуток ячейки напряжения
En + Uc после протекания импульса тока заряд на конденсаторе ме-
няется на 2Uc и новое значение напряжения на емкости по модулю ока-
зывается равным старому.
Однако из двух точек а и (3, где выполняется условие (27.12), толь-
ко одна точка (3 является точкой устойчивого равновесия. Действитель-
344
но, в точке а тангенс угла наклона перезарядной характеристики больше
двух. Поэтому любая случайная положительная флуктуация Еп или Uc
приводит к тому, что результирующее Atfc > 2Uc, и в результате нач-
нется нарастание Uc и перемещение по характеристике до тех пор, пока
тангенс угла наклона не уменьшится до двух, т. е. до точки (3. Поскольку
в окрестностях этой точки тангенс меньше двух, состояние здесь явля-
ется не только равновесным, но и устойчивым.
Легко видеть, что аналогичным образом отрицательная флуктуация
Еп и Uc в точке а приводит к погасанию разряда.
Перезарядная характеристика позволяет определить диапазон под-
держивающих напряжений, при котором ячейка работает в режиме с за-
поминанием. Для этого достаточно провести две прямые, параллельные
А, и касательные к перезарядной характеристике — одну извне, а дру-
гую изнутри (прямые В и С соответственно). При любых Еп < Enmjn
независимо от начальных Uc &UC < 2UC и последующие значения Uc
будут меньше предыдущих, в результате чего в конце концов разряд-
ные импульсы прекратятся. Вместе с тем при Un > Unmax разряд в
ячейке возникает независимо от наличия Uc, т. е. ячейка теряет управ-
ляемость. Перезарядная характеристика позволяет найти U3tnin с
помощью следующих рассуждений. Очевидно, что для перехода ячейки
в точку (3 достаточно, чтобы в начале на ячейке было создано напряже-
ние Uc, несколько большее необходимого для попадания в точку а.
Вычтя из значения абсциссы точки а значение Еп, получим значение Uc,
обеспечивающее переход в точку а. Отложив это значение Uc по оси
ординат, найдем с помощью перезарядной характеристики абсциссу,
равную U3tnin (рис. 27.19).
Следует отметить, что перезарядная характеристика зависит от ча-
стоты повторения, формы, длительности фронтов поддерживающего
напряжения и импульсов записи или стирания. Так, оптимальная частота
повторения поддерживающего напряжения составляет 40-50 кГц, при
уменьшении или увеличении этой частоты диапазон поддерживающих
напряжений сужается из-за стекания емкостных зарядов структуры
МДГДМ. Как правило, целесообразно применять крутые фронты под-
держивающих напряжений импульсов с длительностью менее 0,5 мкс.
При этом разряд в ячейке получается сильноточным, емкости заряжа-
ются сильнее и диапазон Enmax-Enmjn становится шире.
В панелях переменного тока для стабилизации возникновения основ-
ного разряда используется подготовительный разряд в виде рамки.
Возбуждение подготовительного разряда должно совпадать по времени
с импульсами записи или стирания.
Остановимся на стабильности и сроке службы газоразрядных матрич-
ных индикаторов. Поскольку большинство этих приборов содержит
множество ячеек, то для нормальной работы прибора в целом необхо-
дим малый разброс параметров, достигаемый за счет высокого техноло-
гического уровня изготовления.
345
В процессе работы приборов катод (или же покрывающая его диэлек-
трическая пленка) подвергается ионной бомбардировке, что может
приводить к изменению его эмиссионных свойств, и, следовательно,
величин ип и UR, к осаждению распыленного материала с возникнове-
нием проводящих мостиков и к потере прозрачности. Кроме того, при
распылении может происходить поглощение наполняющего газа, что
особенно существенно при использовании малых до барок (например,
неона к аргону).
Понижение температуры окружающей среды приводит к нарастанию
перепадов плотности газа внутри прибора и к дрейфу параметров, за-
висящих от плотности. При повышении температуры происходит вырав-
нивание этой плотности, поэтому верхний предел рабочих температур
определяется только возможностью выделения вредных газов. Еще
сильнее температура окружающей среды сказывается на приборах,
в газовом наполнении которых имеется добавка ртути, поскольку
упругость ртутных паров сильно зависит от температуры.
Тем не менее правильно выбранные конструкция и технология изго-
товления обеспечивают срок службы матричных индикаторов свыше
10 000 ч при диапазоне рабочих температур для приборов без ртути
от -60 до +70 °C, а с добавками ртути от 0 до 50 °C.
Контрольные вопросы и задания
1.	Назовите основные группы индикаторных приборов.
2.	Чем отличаются катоды знакомоделирующих и знакосинтезирую-
щих индикаторов?
3.	Каковы пути уменьшения скорости катодного распыления в знако-
вых индикаторах?
4.	На каком свойстве тлеющего разряда основано действие аналого-
вого индикатора?
5.	На чем основано действие шкального дискретного индикатора?
6.	Какие типы матричных индикаторов требуют регенерации изобра-
жения, а какие запоминают его?
7.	Каковы достоинства и недостатки матричного индикатора с само-
сканированием по сравнению с матричным индикатором с внешней
адресацией?
8.	Опишите структуру ячейки матричного индикатора переменного
тока.
Глава двадцать восьмая
ВЕНТИЛЬНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ПРИБОРЫ
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА
28.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ
Разряд в приборах с накаленным катодом является несамостоятель-
ным, так как термоэлектронная эмиссия из катода обусловлена не
внутренними процессами, а нагревом катода до высокой температуры
посредством внешнего источника электропитания.
Приборы этого класса предназначены для использования в схемах
преобразования одного вида электрической энергии в другую. Так,
вентильные приборы преобразуют переменный ток в постоянный (вы-
прямление) или постоянный ток в переменный (инвертирование), ком-
мутаторные импульсные приборы — непрерывный ток в импульсный.
Конструктивно различают:
газотроны — двухэлектродные вентили, предназначенные для про-
стейших схем преобразования переменного тока в постоянный в нере-
гулируемых выпрямителях;
тиратроны — приборы с сеточным управлением, предназначенные для
регулируемых выпрямителей или инверторов (тиратроны непрерывного
действия) или для импульсных модуляторов (импульсные тиратроны).
Следует заметить, что рабочее давление газа в приборах этой группы
составляет десятки паскалей, так что в зависимости от расстояния меж-
ду электродами пробивные напряжения определяются левой (при ма-
лых расстояниях) или правой (при больших расстояниях) ветвью кри-
вой Пашена.
28.2.	ГАЗОТРОНЫ
Простейшая схема использования газотрона в качестве вентиля для
преобразования переменного тока в постоянный и соответствующие
диаграммы напряжений показаны на рис. 28.1, а, б. Вентильные свойства
идеального прибора приводят к тому, что он проводит ток от анода А
к катоду А и не проводит его в обратном направлении.
В реальном приборе при положительной полуволне напряжения на
аноде напряжение источника Е почти полностью передается на нагрузку
Rd в виде напряжения Щ (за вычетом прямого падения напряжения
между анодом и катодом вентиля Д(7а). При отрицательной полуволне
через вентиль может проходить небольшой обратный ток, создающий па-
дение напряжения на R^, все остальное напряжение источника падает на
вентиле (обратное напряжение бобр) - Таким образом, из качественно-
го рассмотрения работы этой простейшей схемы следует, что для расче-
та схемы вентиль должен характеризоваться следующими основными
параметрами:
347
Рис. 28.1. Применение газотрона для выпрямления:
а - схема включения; б - диаграммы напряжений и токов
допустимым средним значением тока/а, ср;
допустимым максимальным значением тока/а max',
допустимым падением напряжения между анодом и катодом Д(7а;
максимальным обратным анодным напряжением (70бр-
Конструкция стеклянного газотрона типа ГГ1-0,5/5 приведена на
рис. 28.2.‘Газотрон содержит прямонакальный оксидный катод 4, изго-
товленный из свернутой в спираль плоской ленты, дисковый никелевый
анод 2, скрепленный с молибденовым анодным выводом 1, проходя-
щим по центру стеклянной трубки 10. Катод и анод окружены анод-
ным экраном 3, представляющим собой цилиндр с четырьмя поперечны-
ми диафрагмами. Диафрагмы 9 и 8 используются для крепления анод-
ного экрана к стеклянной трубке, диафрагмы 8 и 7 образуют анодную
камеру, диафрагма 5 используется для прикрепления анодного экрана
к катодной ножке. Анодный экран электрически связан с катодом и
выполняет несколько функций. Прежде всего, благодаря малому зазо-
ру между экраном и анодом пробивные напряжения определяются ле-
вой ветвью кривой Пашена и достаточно велики. Единственный путь
прохождения разряда в таком газотроне - это от катода через отвер-
стие в диафрагме 7 на анод. Размеры отверстия в диафрагме 7 выбирают-
ся таким образом, чтобы обеспечить минимальное напряжение возник-
новения разряда в прямом направлении и максимальное обратное про-
бивное напряжение.
Нижняя часть анодного экрана выполняет функции теплового барье-
ра, препятствующего отводу тепла и тем самым повышающего эконо-
мичность катода.
Газовое наполнение прибора — смесь криптона с ксеноном. Инертное
газовое наполнение расширяет область рабочих температур прибора,
но уменьшает срок службы по сравнению с ртутным наполнением.
Для поддержания чистоты газового наполнения использован газопогло-
титель 6.
Прибор работает следующим образом. При подаче положительного
напряжения на анод электроны, эмиттированные катодом, ускоряются
по направлению к аноду, ионизируя при этом частицы газа. В проме-
348
Рис. 28.2. Конструкция стеклянного газо-
трона с газовым наполнением
жутке устанавливается характерное для
дугового разряда распределение потен-
циала, показанное на рис. 28.3. В катод-
ной области КО толщиной dK электро-
ны ускоряются катодным падением
Д£7К, приобретая энергию, необходи-
мую для ионизации атомов или моле-
кул газа (порядка потенциала иониза-
ции Ц). Объемный заряд в этой об-
ласти создается преимущественно иона-
ми, чем и обусловлен заметный поло-
жительный перепад напряжения.
Вслед за катодной областью идет
плазменная область столбца С дуги с
протяженностью I, характеризуемая
малой продольной напряженностью
электрического поля £KUcf I. По-
этому падение в столбе не превы-
шает нескольких единиц вольт.
Переходный от плазмы к аноду учас-
ток анодной области АО может характеризоваться как положительным,
так и отрицательным анодным падением напряжения +AI/4 или -Д1^4.
Поскольку общее падение напряжения на газотроне Д(7а должно быть
минимально, стремятся получить отрицательное анодное падение, чтобы
оно компенсировало положительное падение напряжения в столбе. Тог-
да общее падение напряжения на газотроне оказывается приблизительно
равным катодному.
Типичная ВАХ газотрона была изображена на рис. 25.12. После началь-
ного максимума, соответствующего возникновению разряда, ВАХ идет
почти горизонтально до тех пор, пока ток анода не превысит ток эмиссии
электронов из термокатода.
Если задаваемый нагрузкой в схеме рис. 28.1 ток больше тока термо-
эмиссии катода, то распределение потенциала в разряде изменяется та-
ким образом, чтобы возникло дополнительное поле у катода, способ-
ное увеличить эмиссию. Увеличение поля происходит за счет накопления
положительного объемного заряда ионов у катода и соответствующего
роста катодного падения Д(7К. Сильно ускоренные за счет повышенно-
го Д(7К ионы выбивают дополнительные электроны из катода в результа-
те у-процессов и ток возрастает. Электрическое поле проникает и в слой
349
Рис. 28.3. Распределение потенциала в дуговом разряде
оксида, вызывая этим дополнительную эмиссию под действием эффекта
Шоттки.
Работа в режиме отбора анодного тока, превышающего ток термо-
эмиссии, считается недопустимой, поскольку усиленная ионная бом-
бардировка приводит к распылению оксида и в конечном счете к умень-
шению тока термозмиссии. Это, в свою очередь, приводит к дополни-
тельному росту катодного падения Д(7К, усилению ионной бомбардиров-
ки катода и т. д., пока не произойдет полного выхода прибора из строя.
Поэтому в паспортных данных газотронов (и аналогично тиратронов)
задаются два предельно допустимых значения тока: максимального
1лтах и среднего /а> ср. Нормальный режим проводящей части периода
обеспечивается, когда мгновенное значение тока, задаваемого схемой,
не превышает /а тах (это условие соответствует отбору тока, меньшего
тока термоэмиссии катода), а также когда среднее значение выпрям-
ленного схемой тока меньше 7а> ср (это условие исключает перегрев га-
зотрона). В непроводящую часть периода прибор должен выдерживать
высокие обратные напряжения. С этой точки зрения газотрон прежде
всего можно характеризовать максимальным обратным анодным на-
пряжением £70бр-
Для левой ветви кривой Пашена пробивное напряжение будет тем
выше, чем меньше произведение pd. Поскольку давление в газотронах
выбирается около 30 Па, а расстояние между электродами несколько
миллиметров, произведение pd « 40 -г 60 мм • Па соответствует круто
нарастающему участку левой ветви. Благодаря анодному экрану сило-
вые линии электрического поля, проходящие через газ, имеют малую
длину, что делает невозможным развитие разряда по ним.
Чтобы обеспечить токопрохождение в анодном экране, делают одно
или несколько отверстий, общее сечение которых достаточно для про-
пускания тока, а диаметр достаточно мал для перехвата силовых линий
поля анода.
В динамическом режиме, т.е. после прохождения тока, электричес-
кая прочность газотрона уменьшается из-за наличия остаточных зарядов,
350
искажающих электрическое поле и создающих начальную ионизацию.
Исчезновение этих зарядов происходит постепенно, поэтому для восста-
новления полной электрической прочности требуется определенное
время. В газотронах, наполненных инертным газом, оно составляет
сотни—тысячи, а с водородным наполнением — единицы—десятки мик-
росекунд.
28.3.	ТИРАТРОНЫ
Простейшая схема применения тиратрона в качестве управляемого
вентиля приведена на рис. 28.4. Для запирания на сетку тиратрона по-
стоянно подается отрицательное напряжение смещения £см, для отпира-
ния же на смещение накладывается положительный импульс напряже-
ния такой амплитуды, что суммарное напряжение все же остается отри-
цательным. Изменением момента подачи отпирающего импульса по отно-
шению к фазе анодного напряжения удается регулировать момент вклю-
чения и, следовательно, среднее значение выпрямленного напряжения 1/д
в пределах от нуля при ав -> тт до максимального значения, соответ-
ствующего режиму включения газотрона при ав -> 0.
Положительный импульс передается на сетку через трансформатор Т,
ток на сетку ограничивается резисторомRc, цепочка из диода VD и шун-
тирующего резистора снимает отрицательный выброс.
Конструкция высоковольтного выпрямительного тиратрона с ртут-
ным наполнением показана на рис. 28.5. Тиратрон содержит вогнутый
графитовый анод 1 с высокой тепловой стойкостью, катод косвенного
накала, представляющий собой цилиндр с внутренними ребрами 3,
покрытыми оксидом, спираль нагрева 4, расположенную по оси, и много-
дырчатую сетку с малыми отверстиями 2.
В отличие от приборов, наполненных инертным газом, ртутные при-
боры не нуждаются в анодном экране. Это связано с тем, что газовое
Рис. 28.4. Применение тиратрона как управляемого вентиля:
а - схема включения; б - диаграммы напряжений
351
Рис. 28.5. Конструкция высоковольтного выпрями-
тельного тиратрона с ртутным наполнением
Рис. 28.6. Пусковые характеристики тиратрона
Рис. 28.7. Характеристика сеточного запирания
наполнение в них обеспечивается испарением ртути из капли 5 и соот-
ветствующее давление обычно меньше 5 Па, что исключает пробои даже
по сравнительно длинным силовым линиям.
Недостатком ртутных тиратронов (и газотронов) является ограни-
ченный диапазон допустимых температур окружающей среды. Превыше-
ние этой температуры приводит к росту давления и понижению пробив-
ной прочности. При температурах ниже допустимой затрудняется воз-
никновение разряда. Достоинство тиратронов - большой срок службы,
обусловленный практической неистощимостью газового наполнения.
В тиратроне используется электростатическое управление возникно-
вением разряда на анод. В запертом состоянии на сетку подается значи-
тельное отрицательное смещение. Так как электроны, эмиттируемые
катодом, имеют среднюю энергию в несколько электрон-вольт, то
указанного отрицательного смещения достаточно для торможения даже
самых быстрых из них. В пространстве сетка-анод существует сильное
ускоряющее электрическое поле, однако, поскольку через отверстия
352
сетки электроны почти не проходят, разряд в этом пространстве раз-
виться не может.
При уменьшении абсолютного значения потенциала тормозящее поле
сетки ослабевает и все большее число электронов начинает проникать
в пространство сетка—анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают
энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул газа. В ре-
зультате появившиеся вторичные электроны вместе с первичными
уходят на анод, а ионы, двигаясь по направлению к катоду и попадая
в сеточные отверстия, экранируют поле сетки, вызывая тем самым
приток новых электронов и лавинообразное нарастание тока. В конеч-
ном счете формируется плазма, возникающая сначала в области анода,
а затем постепенно заполняющая все пространство анод—катод, за
исключением катодной области. Поскольку плазма обладает высокой
проводимостью, тиратрон отпирается. Электрическое поле сетки при
развившейся плазме полностью экранировано ионной оболочкой,
так что сеточный потенциал никак не влияет на протекание тока в ти-
ратроне. Для свободного прохождения тока толщина ионной оболоч-
ки вокруг отверстия сетки должна быть незначительна, так чтобы
центральные участки отверстий сеток были свободны от действия поля
сетки.
При выключении тиратрона путем снятия напряжения с анода посте-
пенно происходит распад плазмы — заряженные частицы плазмы соеди-
няются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По
мере уменьшения концентрации зарядов толщина сеточных оболочек
падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент
соответствует началу восстановления управляющего действия сетки.
При дальнейшем спаде концентрации заряженных частиц действие
электрического поля сетки нарастает до тех пор, пока ее управляющие
свойства не восстановятся полностью.
Из проведенного описания можно сделать вывод, что по сравнению с
газотроном тиратроны с накаленным катодом должны иметь две важные
характеристики. Первая из них - анодно-сеточная пусковая характери-
стика, изображенная на рис. 28.6, связывает между собой анодные Ua
и сеточные Uc напряжения, соответствующие возникновению разряда.
Очевидно, что область выше этой характеристики является областью
зажигания.
При нагрузке анодным током происходит смещение характеристики
вниз - ’’разбежка”. Она связана с появлением падения напряжения на
сеточном резисторе Rc из-за протекания тока термоэлектронной эмис-
сии сетки. При этом фактический потенциал сетки оказывается выше,
чем напряжение подключенного к ней источника.
Вторая характеристика — восстановления во времени сеточного запи-
рания, т.е. изменения во времени электрической прочности анодного
промежутка, показана на рис. 28.7.
353
12-6353
Она представляет собой зависимость допустимого напряжения, кото-
рое можно приложить к аноду тиратрона без возбуждения основного
разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока
основного разяряда, иъ = f(t). Горизонтальный участок кривой
рис. 28.7 длительностью 6q соответствует интервалу времени до смыка-
ния ионных оболочек вокруг сетки. Для того чтобы в этот период в
тиратроне не существовал основной разряд, к его аноду нужно прикла-
дывать напряжение, меньшее напряжения поддержания дугового раз-
ряда.
Для лучшего понимания роли кривой восстановления сеточного за-
пирания на том же графике показаны кривые нарастания реального
анодного напряжения на тиратроне (7а(г). В режиме, соответствующем
кривой 1, пересекающейся с кривой восстановления сеточного запира-
ния, тиратрон даже при отрицательном напряжении на сетке повторно
зажигается в момент времени в1г т.е. теряет-управляемость по сетке.
В режиме, соответствующем кривой 2, характеризуемой меньшей ско-
ростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим
можно рассматривать как нормальный.
Появление тиристоров, выполняющих те же функции, что и тиратро-
ны, но являющихся твердотельными приборами со всеми присущими им
достоинствами, привело к резкому ограничению применения тиратро-
нов. В связи с этим оказалось целесообразным использовать тиратроны
только для выпрямления высоких рабочих напряжений (десятки—сотни
киловольт). Однако применение здесь газонаполненных тиратронов
невозможно из-за интенсивно происходящего в процессе эксплуатации
поглощения инертного газа, которое приводит к быстрому выходу
приборов из строя. В период проводимости наибольшее количество газа
поглощается отрицательно заряженной сеткой, в которой после нейтра-
лизации ’’замуровываются” положительные ионы. В обратный полу-
период ионы аналогичным образом улавливаются анодом.
Для получения высокой долговечности можно было бы в качестве
газового наполнения тиратрона применить водород, запас которого
восполняется с помощью генератора водорода. Однако из-за высокого
напряжения поддержания дугового разряда в водороде это приводит
к большим потерям мощности в проводящую часть периода, что не-
допустимо как с точки зрения КПД преобразования энергии, так и
превышения температуры тиратрона.
В настоящее время в качестве высоковольтных вентилей применяют-
ся только ртутные тиратроны. Поскольку пары ртути в объеме прибора
находятся в равновесии с жидкой ртутью, поглощение газа не приводит
к спаду давления. Однако давление определяется температурой наи-
более холодной части колбы, где конденсируется ртуть, и, таким обра-
том, сильно зависит от температуры окружающей среды. Обычные
ртутные тиратроны способны работать в диапазоне температур 15—40 °C,
что существенно ограничивает область их применений.
354
Рис. 28.8. Импульсный модулятор на водородном тиратроне:
а - схема включения; б - диаграмма напряжений на аноде
В то же время тиратроны выгодно отличаются от тиристоров такими
достоинствами, как большие допустимые импульсные токи и напряже-
ния и более высокое быстродействие. Поэтому в настоящее время в
качестве импульсных коммутаторов широко используются водородные
тиратроны.
Рассмотрим типовую схему импульсного модулятора радиолока-
ционной станции (рис. 28.8), которая преобразует постоянное напряже-
ние £а в мощные импульсы повторяющегося напряжения. Работа схемы
иллюстрируется диаграммами напряжения на рис. 28.8, б. В течение
периода времени Гзар энергия от источника £а накапливается в длин-
ной линии, состоящей из трех звеньев LC. Для ограничения тока заряда
использован реактор £зар, для исключения обратного разряда линии на
источник применен диод VD1. После полного заряда линии положитель-
ным импульсом, подаваемым на сетку, включается импульсный тират-
рон V2 и накопленная линией энергия выделяется на нагрузке Rn в виде
мощного прямоугольного импульса. Роль нагрузки часто выполняет
магнетрон, генерирующий высокочастотные колебания в виде корот-
ких импульсов. Процессы зарядки и разрядки повторяются с периодич-
ностью Гп.
Из рассмотрения схемы вытекают следующие требования к импульс-
ному тиратрону:
способность выдерживать без пробоя прямое напряжение на аноде;
способность формировать короткие импульсы с крутым фронтом;
быстрое восстановление электрической прочности в прямом направ-
лении после прохождения импульса тока, что необходимо для начала
нового зарядного цикла;
способность выдерживать отрицательное напряжение, которое может
возникать при несогласованности волнового сопротивления линии и
сопротивления нагрузки.
Последнее требование, строго говоря, не является обязательным,
если для ограничения обратного выброса напряжения используется
355
Рис. 28.9. Конструкция металлокерамическо-
го тиратрона в разрезе
включенный параллельно линии клип-
перный диод Kj. Его роль обычно вы-
полняет газотрон с водородным напол-
нением.
Для выполнения сформулированных
требований лучше всего подходят им-
пульсные водородные тиратроны.
Структура электродной системы
металлокерамического тиратрона ти-
па ТГИ1-460/16 показана на рис. 28.9. Оболочка тиратрона состоит из
цилиндрических керамических колец, соединенных с чашеобразными
деталями, выполняющими функции электродов. Такая конструкция
позволяет точно фиксировать электроды и обеспечить в случае необхо-
димости малые зазоры. Электродная структура прибора состоит из
анода 1, тройной сетки 2, катодного экрана 5, оксидного катода 3, гене-
ратора водорода 4. Генератор водорода представляет собой спеченный
порошок титана, насыщенный водородом. Подбором определенного
подогрева генератора обеспечивается равновесие между газообразным
и химически связанным порошком титана водородом.
При постоянной температуре нагревателя поглощение водорода в
объеме не приводит к изменению давления, поскольку его убыль вос-
полняется выделением газа из титана. Близко расположенные электроды
анодно-сеточного узла обеспечивают быструю рекомбинацию остаточ-
ных зарядов, чему способствует и водородное наполнение.
Поскольку сетка тиратрона должна иметь малую проницаемость для
обеспечения высоких пробивных напряжений в прямом направлении,
а также для ускорения развития разряда управление возникновением
разряда производится не электростатическим, а токовым способом.
При тройной сетке поле анода слишком мало, чтобы вытянуть из об-
ласти сетка—катод электроны, число которых достаточно для возникно-
вения основного разряда. Поэтому для зажигания на сетку подается по-
ложительный импульс напряжения, обеспечивающий возбуждение раз-
ряда сетка-катод. Плазменная область такого разряда является источни-
ком электронов, проникающих в область сетка-анод. Возникновение
основного разряда происходит при определенном значении сеточного
тока.
Для импульсных тиратронов характерно выделение заметной мощ-
ности на аноде, обусловленной так называемыми стартовыми потерями.
При развитии разряда в тиратроне имеется определенный период вре-
356
мени, когда ток через прибор уже заметно возрос, а напряжение на фор-
мирующей длинной линии, т.е. на аноде тиратрона, еще не упало. Эта
мощность в основном выделяется на аноде, который бомбардируется
ускоренными электронами. Очевидно, стартовые потери тиратрона про-
порциональны частоте повторения импульсов.
Контрольные вопросы и задания
1.	Чем обеспечивается высокое пробивное напряжение газотронов
и тиратронов?
2.	Почему недопустима работа при токе анода, превышающем ток
термозмиссии катода?
3.	Почему приборы с ртутным наполнением более высоковольтные,
чем с газовым?
4.	С чем связана ’’разбежка” тиратрона?
5.	Какие требования предъявляются к импульсному водородному
тиратрону, работающему в модуляторе радиолокационной станции?
Глава двадцать девятая
ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДУГОВОГО
САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
29.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА РТУТНЫХ ВЕНТИЛЕЙ
Рассмотренные в предыдущей главе приборы дугового несамостоя-
тельного разряда могут пропускать токи около десятков ампер из-за
ограниченной способности катода змиттировать термоэлектроны. В ртут-
ных вентилях благодаря применению ртутного катода с практически
неограниченной эмиссионной способностью это ограничение отсутствует,
и они способны управлять килоамперными токами.
Конструкция ртутного вентиля схематически показана на рис. 29.1.
Электродная структура прибора состоит из анода 3, окруженного анод-
ным экраном 2, и катода 5. Электроды обычно заключаются в металли-
ческий корпус 1.
Основной особенностью дуги 4 в ртутном вентиле является катодное
пятно. Эмиссия из катодного пятна происходит под действием сильного
электрического поля, возникающего в катодной области разряда.
Разрядные области между катодом и анодом в ртутном вентиле в
принципе такие же, как в газотроне или тиратроне. Отличие заключается
в том, что протяженность катодной области здесь значительно меньше.
Газовое наполнение ртутного вентиля представляет собой ртутный пар
под давлением около 1 Па. Вследствие сравнительно большой длины
свободного пробега при таком низком давлении и малой толщины
катодного падения электроны там не испытывают соударений. Начи-
357
Рис. 29.1. Схематическая конструкция ртутного вентиля
ная с границы катодной области они набирают энер-
гию, достаточную для ионизации. На границе и в са-
мой катодной области существует объемный заряд
положительных ионов, обусловливающий сильное
электрическое поле у поверхности катода. Напряжен-
ность такого поля можно определить по формуле
(29.1)
где dK - толпщна катодного падения; Д{7К - его значение. Подставляя
экспериментально определенное AUK * 10 В и dK = 10-7 м, получаем
Ек = 108 В/м. Как известно, электрическое поле такой высокой напря-
женности способно вызывать электростатическую эмиссию, которая и
обусловливает появление электронов из катода. После формирования
объемного заряда ионов у катода и создания ими сильного электри-
ческого поля на катоде дуговой разряд поддерживается как самостоя-
тельный.
В области катодного пятна в результате прохождения электрического
тока с довольно большой плотностью (до 109 А/м2) происходит ин-
тенсивное испарение ртути. Под действием ударов испаряющихся частиц
ионная оболочка сдувается, а катодное пятно непрерывно перемещается.
Попадая на другие электроды, в частности на анод, ртуть конденсирует-
ся. При приложении обратного напряжения ртутный конденсат может
стать источником катодных пятен и вызвать обратные зажигания
ртутного вентиля. Целесообразно фиксировать катодное пятно, по-
скольку тогда облегчается защита других электродов ртутного вентиля
от попадания на них ртути.
Для того чтобы не допустить перемещений катодного пятна по поверх-
ности катода, используется фиксатор. Обычно он представляет собой
погруженный в ртуть хорошо охлаждаемый кусочек металла (например,
 металлическую полоску) с небольшим выступающим краем; фиксатор
должен смачиваться ртутью. В этом случае возникает групповое катод-
ное пятно, имеющее форму линии, идущей по границе металла и ртути,
и состоящее из ряда элементарных катодных пятен. Фиксация здесь обус-
ловлена понижением температуры ртути за счет усиленного теплоотвода
и ослаблением испарения ртути в соответствующей области.
Для того чтобы обеспечить большой срок службы, фиксатор не дол-
жен растворяться в ртути и испаряться. Поэтому его выполняют из туго-
плавкого. металла,подобного молибдену.
Фиксированное катодное пятно может существовать только в опре-
деленном диапазоне токов. При токах меньше 5-8 А дуга гаснет и ка-
358
a - конструкция; б - диаграммы токов и напряжений
тодное пятно исчезает, так как плотность объемного заряда положитель-
ных ионов у катода оказывается недостаточной для создания электри-
ческого поля, необходимого для электростатической эмиссии. Вместе
с тем существует максимальная линейная плотность тока, при превыше-
нии которой пятно отрывается от фиксатора (около 2 кА/м при темпе-
ратуре фиксатора 20 °C).
При работе ртутного вентиля в схемах преобразования энергии ток
через него периодически падает до нуля. Для нового зажигания само-
стоятельного дугового разряда необходимо приложить к прибору до-
статочно высокое напряжение, что отрицательно влияет на качество
выпрямления. Поэтому для создания катодного пятна используется либо
непрерывно поддерживаемая вспомогательная дуга (приборы типа
экзитронов), либо кратковременно возбуждаемая вспомогательная
дуга (приборы типа игнитронов).
Таким образом, ртутные вентили делятся на игнитроны и экзитро-
ны. В обеих системах можно использовать зажигатель из полупрово-
дящего материала, погруженный в ртутный катод. Протекание тока
через зажигатель приводит к возникновению дуги зажигания.
Конструкции игнитрона и экзитрона схематически показаны на
рис. 29.2, а и 29.3, а, а временные диаграммы напряжений и токов,
иллюстрирующие работу приборов, — на рис. 29.2, б и 29.3, б соответ-
ственно. В игнитроне импульсом U3 каждый положительный полу-
период переменного напряжения с определенной по отношению к его
началу задержкой кратковременно создается дуга зажигания на за-
жигателе 3. В экзитроне дуга зажигания на зажигатель 3 возбуждается
однократно, после чего она подхватывается анодом возбуждения
АВ и горит на нем постоянно (ток га>в). В любом случае при наличии
359
a - конструкция; б - диаграммы токов и напряжений
дуги зажигания или дуги возбуждения после поступления на основной
анод А положительного потенциала на нем почти мгновенно возникает
основная дуга с катода К (ток zrf) и начинается проводящая часть
периода работы вентиля.
Аналогично приборам несамостоятельного дугового разряда падение
напряжения для проводящей части периода определяется формулой
Д17а = Д(7К + Ег1 + MJA,	(29.2)
где Д(7К — катодное падение потенциала; - продольная напряжен-
ность поля; I — протяженность положительного столба; ДС^ — значе-
ние положительного или отрицательного падения потенциала.
В реальных конструкциях вентилей величина Е) непостоянна по
длине трубки из-за наличия ряда сужений на пути дуги, обусловленных
сеткой, отражательным экраном, деионизационными фильтрами. Та-
ким образом, точнее, (29.2) имеет вид:
Д(7а= Д£/к + £/Z' + kUA + S Д£/с.	(29.2а)
Здесь S Д(7С — сумма переходных падений напряжения в сужениях,
а l' относятся к однородной части столба.
Знак и значение анодного падения ДСд зависят от условий, суще-
ствующих в анодной области и во внешней цепи. Когда число электро-
нов. испускаемых плазмой, равно току, задаваемому внешней цепью,
ДСЛ = 0 Если это число избыточно, анод приобретает отрицательный
потенциал по отношению к плазме (Д < 0), чтобы затормозить избы-
точные электроны. Напротив, при недостаточном числе электронов плаз-
мы возникает дополнительное электрическое поле (Д > 0), создаю-
360
щее добавочную ионизацию у анода. Вольт-ам-
перная характеристика дуги в ртутном венти-
ле носит растущий характер.
Падение напряжения на дуге с повышением
тока может привести к двум видам аномально-
стей. Во-первых, может возникнуть каскадное
горение дуги, иллюстрируемое рис. 29.4. Это
явление возникает, когда суммарное падение в
дугах Д1 и Д2 оказывается меньше падения
при прямом горении дуги между анодом и ка-
тодом сквозь сужения сетки С. При этом дуга
разбивается на две: одна между ртутным като-
дом и корпусом Д1 и другая - между корпу-
Рис. 29.4. Каскадное го-
рение дуги
сом и анодом Д2, а часть пути для линий тока замыкается по металлу
корпуса. Режим является аварийным, в частности, из-за катодного пят-
на дуги Д2, которое возникает на корпусе, что приводит к ухудшению
вакуума из-за газоотделения или даже к прогоранию корпуса.
Во-вторых, возможны обрывы дуги, связанные с тем, что в местах
сужений • возникает недостаточно молекул газа для ионизации. Дефи-
цит молекул может быть связан с малой упругостью ртутного пара при
низких давлениях или с выдуванием молекул из сужений под действием
ионной бомбардировки.
В обратную часть периода работы вентиля часть зарядов, возникших
в проводящий период, рекомбинирует между собой, а часть — уходит
к электродам, образуя обратный ток. Наиболее важное значение для
работы прибора имеет обратный ионный ток, идущий на отрицательно
заряженный в этот полупериод анод.
Ионная бомбардировка анода вызывает эмиссию электронов и в ко-
нечном счете делает вероятным переход к самостоятельному дуговому
разряду с эмиссионным катодным пятном на аноде. Для предотвращения
обратных зажиганий надо исключить:
большие амплитуды обратного тока, ускоряющие образование катод-
ного пятна;
быстрый начальный скачок обратного напряжения. При этом обрат-
ный ток не успевает уменьшиться и пробой оказывается весьма вероят-
ным;
высокое давление ртутного пара в анодной области. Ртутные вентили
работают в левой ветви кривой Пашена, поэтому повышение давления
способствует понижению потенциала возникновения разряда;
образование на аноде пленок, которые могут стать центрами
эмиссии.
В настоящее время ртутные вентили имеют только ограниченное при-
менение в ранее выпущенных силовых преобразовательных установках.
Однако большие мощности, коммутируемые этими приборами, делают
их перспективными для коммутации килоамперных токов при напря-
361
жениях в десятки киловольт. Наибольшее распространение здесь полу-
чили игнитроны, на которых мы и остановимся подробнее в следующем
параграфе.
29.2. ИГНИТРОНЫ
Особое значение для работы игнитрона имеет зажигатель. В каче-
стве зажигателя используется погруженный своей нижней частью в
ртуть конусный стержень из карбида бора (рис. 29.5). Поскольку зажи-
гатель не смачивается ртутью, то на границе раздела возникает выпук-
лый мениск. При пропускании через зажигатель импульса тока между
полупроводником и ртутью возникает поперечное электрическое поле,
которое сильнее всего в месте отрыва мениска от стержня. Так как
зазор здесь очень мал, то уже при небольших напряжениях возникает
напряженность электрического поля, достаточная для электростатиче-
ской эмиссии, и появляется вспомогательная дуга.
Для предотвращения перегрева зажигателя и его преждевременного
износа необходимо ограничить время существования дуги зажигания.
Это достигается путем включения зажигателя параллельно с основным
анодом вентиля. В этом случае после зажигания дуга перебрасывается
на основной анод, а напряжение на зажигателе падает и становится недо-
статочным для поддержания дуги зажигания. Чтобы через зажигатель
не проходил обратный ток, что приводит к его выходу из строя, в цепь
электропитания зажигателя включается полупроводниковый диод.
Для управления моментом зажигания в структуру дополнительно
вводят управляющую сетку. Как и в тиратроне с накаленным катодом,
на эту сетку подается отрицательное напряжение смещения, на которое
в нужный момент времени накладывается положительный импульс
отпирания. Регулировка момента подачи этого импульса позволяет
менять среднее значение выпрямленного вентилем напряжения.
Для регулирования момента зажигания в игнитроне в принципе мож-
но использовать и систему зажигания. Однако в этом случае не обеспе-
чивается стабильность зажигания и тем самым ухудшается точность
регулировки момента включения игнитрона.
Конструкция сварочного (импульсного) игнитрона показана на
рис. 29.6. Игнитрон состоит из герметичного металлического корпу-
са 4 с рубашкой охлаждения 5. В корпусе расположен графитовый
анод 3, присоединенный к анодному стержню 2, изолированному от
корпуса посредством стеклянной втулки 1. Катодный узел состоит
из катодного ввода 10, ртутного катода 8, зажигателя 6 со вводом 9,
молибденового ограничителя 7. Прибор не имеет изоляции между кор-
пусом и катодом.
Молибденовое кольцо 7, края которого выступают из ртути, вы-
полняет функции механического барьера, ограничивающего переме-
щение катодного пятна и фиксатора. Неполная фиксация катодного
362
Рис. 29.5. Зажигатель
Рис. 29.6. Конструкция сварочного игнитрона
в разрезе
пятна кольцом обусловлена тем, что фик-
сатор не имеет принудительного охлаж-
дения.
Данный тип игнитрона не имеет отра-
жателя ртутных паров и капель и управ-
ляющей сетки. Это, с одной стороны, при-
водит к понижению допустимого значе-
ния обратного напряжения, но, с другой
стороны, обеспечивает достаточно малое значение прямого падения на-
пряжения в дуге. Выделяемая в игнитроне в виде тепла мощность
Р= Wcp,
(29.3)
где Л:р — средний за период ток; Д£/а — падение напряжения в игнит-
роне. Тепло отводится водой, протекающей по рубашке охлаждения.
Игнитроны для преобразовательных установок отличаются от сва-
рочных наличием управляющей сетки и более высокими электриче-
скими параметрами. Они дополнительно содержат отражатель ртут-
ного пара и. стабилизатор давления (обеспечивающий быстрый подъем
давления ртутного пара в начальный период включения и исключающий
разрывы дуги в это время).
Контрольные вопросы и задания
1.	Что такое катодное пятно, каковы особенности эмиссии из него?
2.	Какова роль фиксатора пятна? ,
3.	Какие системы зажигания дуги используются в ртутных вентилях?
4.	Из-за чего возникает каскадное горение дуги?
5.	Из-за чего возникают обрывы дуги?
363
Глава тридцатая
РАЗРЯДНИКИ
30.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ
Основное назначение газовых разрядников — это либо защита линий
связи и элементов радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений,
либо коммутация электрических цепей. С этой точки зрения можно
различать защитные разрядники, работающие в режиме одиночных вклю-
чений (включение реже 1 раза в секунду), и периодически включающие-
ся коммутационные разрядники, работающие при частоте больше 1 раза
в секунду.
Конструктивно разрядники представляют собой два или большее
число металлических электродов, заключенных в диэлектрическую обо-
лочку, заполненную газом. В зависимости от числа и назначения электро-
дов различают неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (мно-
гоэлектродные) разрядники.
Основные схемы включения разрядников показаны на рис. 30.1,
30.2. В первой из этих схем неуправляемый двухэлектродный защитный
разрядник F включен параллельно импульсному тиратрону V. При ава-
рийных режимах между анодом и катодом тиратрона может возникнуть
опасное перенапряжение. Поскольку параллельно этим электродам
включен защитный разрядник, последний
L3Qp	при напряжении, которое, с одной сторо-
+ о——-----------1	ны, больше рабочего в схеме, а с другой—
Р _П_ меньше опасного перенапряжения, проби-
41/	вается. В момент пробоя сопротивление
Тс /Т\
I X *|у
— о-
364
Рис. 30.2. Схема включения трехэлектрод-
ного разрядника
разрядного промежутка снижается до десятых—сотых долей ома, что
приводит к шунтированию тиратрона и его защите.
Управляемые разрядники часто используют для коммутации после-
довательно включенных с ними импульсных источников света. На
рис. 30.2 изображена схема такого рода, используемая в стробоскопи-
ческой технике. Последовательное с импульсной лампой включение
разрядника F позволяет повысить частоту вспышек до 3 кГц, что почти
на два порядка выше рабочей частоты самой импульсной лампы.
30.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Анализ описанных схем позволяет выделить следующие основные
параметры разрядников: статическое и динамическое напряжения про-
боя, диапазон рабочих напряжений, время запаздывания возникнове-
ния разряда, время восстановления электрической прочности.
Напряжение пробоя междуэлектродного промежутка, соответствую-
щее кривой Пашена (обычно ее правой ветви), называется статиче-
ским напряжением пробоя t/np>CT. Разрядник пробивается при статиче-
ском напряжении пробоя только, когда напряжение на нем повышается
очень медленно. Фактически пробой происходит при конечной скоро-
сти нарастания напряжения, в связи с чем вводится такой параметр,
как динамическое напряжение пробоя, определяемое как
^1р,ДИН_ ^ip.CT"*-	(30.1)
где du/dt — скорость нарастания напряжения на аноде; т3 - время за-
паздывания возникновения разряда. Очевидно, что динамическое на-
пряжение пробоя зависит от схемы включения через du/ dt и от кон-
струкции разрядника и условий эксплуатации через т3.
Как указывалось в гл. 25, время запаздывания возникновения раз-
ряда складывается из двух составляющих — времени статистического
запаздывания возникновения разряда гст и времени формирования
разряда Тф. В разрядниках, где используются сравнительно высокие
давления наполняющего газа (не ниже 13 кПа), время формирования
разряда Тф < 1СГ7 с и иногда даже Тф = 1СГ8 1СГ9 с. Поэтому на прак-
тике приходится учитывать только время статистического запаздыва-
ния тст, которое лежит в микросекундном диапазоне.
Для уменьшения статистического времени запаздывания в разрядни-
ках используется облучение. междуэлектродного промежутка светом
от источника ультрафиолетового излучения или от близко располо-
женной поджигающей искры. В другом способе в газоразрядный про-
межуток вводится радиоактивный изотоп, например Ni63, являющий-
ся источником |3-излучения (быстрых электронов).
Статистическое запаздывание возникновения разряда зависит от
перенапряжения, приложенного к промежутку, т. е. ДС/пр = ^пр,дин -
365
- ^пр, ст- Эту зависимость можно выразить эмпирической формулой
FCT=r0Wnp/^p,cT)3-	(30.2)
где то — константа, зависящая от конструкции и внешних условий.
Легко видеть, что при перенапряжении, равном нулю, гст стремится
к бесконечности, а при росте перенапряжения быстро снижается. Диа-
пазон рабочих напряжений задается верхней и нижней границами. Под
верхней границей понимается максимальное рабочее напряжение меж-
ду анодом и катодом, при котором не возникают самопроизвольные
разряды без подачи поджигающего импульса. Под нижней границей
понимается минимальное напряжение, при котором каждый поджигаю-
щий импульс вызывает пробой основного разрядного промежутка.
Этот параметр относится только к управляемым разрядникам, которые
таким образом работают при напряжениях, лежащих внутри диапазона
рабочих напряжений.
Частотные свойства разрядников определяются временем восстанов-
ления электрической прочности междуэлектродного промежутка. По-
сле прекращения тока газовый промежуток заполнен сильно ионизиро-
ванным газом и является проводящим. В результате спада концентра-
ции заряженных частиц у катода образуется ионный слой. Электриче-
ская прочность промежутка всецело определяется этим слоем. С увели-
чением времени, прошедшего после прекращения тока, толщина слоя
и электрическая прочность промежутка возрастают. Когда слой пере-
крывает промежуток, достигается почти полная первоначальная элект-
рическая прочность.
Основные процессы, влияющие на срок службы искровых разряд-
ников, — это связанные между собой распыление электродов и по-
глощение наполняющего газа. Распыление электродов обусловлено бом-
бардировкой катода ионами. Скорость распыления обратно пропор-
циональна давлению. С ростом давления скорость понижается, посколь-
ку большее число частиц, вылетевших из катода, возвращается назад
в результате отражения от частиц газа. Указанная зависимость хорошо
выполняется в диапазоне давлений 10—100 кПа.
Одновременно с распылением катода в работающем разряднике
происходит интенсивное поглощение газа. Это явление связано с абсорб-
цией молекул или атомов газа материалом, вылетевшим из катода.
Прежде всего поглощаются химически активные газы (кислород, водо-
род), при мощных разрядах происходит интенсивное поглощение и
инертных газов. Уменьшение давления газа приводит не только к сни-
жению пробивных напряжений разрядника, но и к увеличению скоро-
сти катодного распыления. В результате процесс поглощения нараста-
ет лавинообразно.
.30.3. ТИПЫ РАЗРЯДНИКОВ
Рассмотрим конкретные типы разрядников. В линиях связи как
защитные применяются двухэлектродные разрядники с бариевым
катодом. Последний получается путем нанесения на никелевые элект-
роды окиси бария, которая в разряде или при нагреве разлагается на
Ва и О. Пленка окиси бария на катоде снижает работу выхода и стабили-
зирует условия возникновения разряда. Подобные защитные разряд-
ники заполняются смесью неона с аргоном или чистым аргоном. Кон-
струкция трехзлектродного разрядника изображена на рис. 30.3.
В нем использованы биспиральные вольфрамовые электроды Э, покры-
тые двойным карбонатом бария и стронция. Использование биспирали
увеличивает запас активного вещества в катоде и повышает срок
службы.
На рис. 30.4 показан разрядник, применяемый для коммутации в
системах зажигания газотурбинных двигателей внутреннего сгорания.
Использование двух газовых зазоров позволяет получить высокие
пробивные напряжения при сохранении малых междуэлектродных
расстояний. Этим обеспечивается ускорение восстановления электриче-
ской прочности прибора. В качестве материала электродов 5 исполь-
зован листовой вольфрам. При нагреве на воздухе он образует стой-
кий оксид, предотвращающий распыление материала катода.
Электроды крепятся на массивных медных выводах 2, обеспечиваю-
щих хороший теплоотвод. Эти выводы через коваровые чашечки 1
соединяются со стеклянным цилиндром 3. Через отверстие 4 в одном
из выводов производится откачка прибора и заполнение его трехком-
понентной смесью газов (10% Ог + 40% СО2 + 50% N2) под давлением,
близким к атмосферному.
Рис. 30.3. Конструкция трехзлектродного защитного
разрядника
Рис. 30.4. Конструкция коммутационного разрядника с
двумя газовыми зазорами
367
Рис. 30.5. Конструкция двухэлектродного коммутационного разрядника с чашеоб-
разными электродами
На рис. 30.5 изображен двухэлектродный коммутационный раз-
рядник с чашеобразными электродами 4. Благодаря припайке к мас-
сивным медным выводам 2 и 5 обеспечивается хороший отвод тепла
от электродов и низкая их температура, что важно для создания незави-
симости пробивных напряжений от температуры окружающей среды.
Действительно, при температуре электродов, значительно превышающей
температуру остальных деталей лампы, плотность газа в приэлектрод-
ной области падает, что приводит к снижению пробивной прочности.
Этого удается избежать, выравняв температуру в объеме прибора.
Чашеобразная форма электродов предотвращает возникновение
разряда на медные выводы. К поверхности одного из электродов при-
варен Ni63 (на рисунке не показан). Оболочка разрядника состоит из
стеклянного цилиндра 3 и коваровых чашечек 1, к которым привари-
ваются выводы электродов. Стальной штангель 6, пережимаемый при
отпайке, позволяет герметизировать прибор, даже если давление газа
внутри него выше атмосферного.
Контрольные вопросы и задания
1.	Какая форма разряда используется в разрядниках?
2.	Какие функции выполняют разрядники в схемах?
3.	Как влияет время запаздывания возникновения разряда на напря-
жение динамического пробоя разрядника?
4.	Каковы конструктивные отличия управляемых и неуправляемых
разрядников?
Часть шестая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Глава тридцать первая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
31.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУИРОВАНИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Конструирование электронных ламп предусматривает выполнение
расчета геометрии электродов, электрических параметров, конструк-
ции как отдельных деталей и узлов, так и лампы в целом в соответ-
ствии с заданием.
В гл. 5—10 были рассмотрены общие сведения об электронных лам-
пах, их устройство, принцип действия, характеристики и параметры,
связь параметров с конструкцией приборов. Задачей настоящей главы
является рассмотрение вопросов расчета геометрических размеров и
выбора конструкции лампы для конкретных применений в радиотех-
цических устройствах.
В зависимости от применения лампы в качестве исходных данных
указываются:
основные статические параметры и соответствующий им статический
режим работы;
рабочие параметры и соответствующий им статический режим ра-
боты;
рабочие параметры и соответствующие данные рабочего режима.
Например, для кенотрона могут быть заданы, выпрямленный ток
и выпрямленное напряжение, для усилительных триодов — анодный ток
и крутизна в статическом режиме (или одна из этих величин и коэффи-
циент усиления), для триодов для выходных ступеней усиления — вы-
ходная мощность, амплитуда переменного напряжения на сетке и т. п.
Расчет и конструирование следует начинать с анализа задания и озна-
комления по справочной литературе [7] с лампами, близкими по свое-
му назначению, основным параметрам и внешнему оформлению к задан-
ной для проектирования лампы. На основании образцов ламп или по
справочнику устанавливаются основные конструктивные особенности
и приближенные максимальные размеры системы электродов.
Важным этапом проектирования ламп является выбор системы
электродов. При выборе возможной конструкции системы электродов
ламп с подогревным катодом следует максимально использовать по-
верхность катода при заданном значении мощности накала.
369
13-6353
a - плоская, система; б - овальная система; в - с обжатой сеткой; г - сме-
шанная
На рис. 31.1 приведены варианты электродов, наиболее часто приме-
няющиеся в современных лампах. Вариант (рис. 31.1, г) следует рас-
считывать по формуле для цилиндрической системы с учетом коэффи-
циента охвата (см. § 31.3). Овальную систему'(рис. 31.1, б) можно
рассматривать как плоскую и рассчитывать по формулам для плоской
системы электродов. После выбора системы электродов рассчитывают
недостающие статические параметры и данные статического режима.
Следующим этапом проектирования электронных ламп является
расчет и конструирование катодного узла (см. § 31.2). В конце этого
расчета необходимо выполнить проверку катода на механическую
прочность (жесткость) и теплоотвод, подогреватель — на свободную
укладку в керне катода. Расчет междуэлектродных расстояний сле-
дует вести по формулам, приведенным в §31.3.
Геометрические размеры сетки определяются с учетом расстояния
сетка—катод и конструкции катода. Шаг сетки выбирается из условия
Хс.к/^1.5,	(31.1)
где t — шаг сетки; хС)К — расстояние сетка—катод.
При соблюдении неравенства (31.1) островковый эффект не про-
является. Диаметром проволоки навивки сетки и траверс, а также ма-
териалом, из которого они изготовляются, задаются.
Длина навитой части сетки /иав для ламп с оксидным катодом опре-
деляется соотношением
^окс < ^нав < 1нз>
где 1ОКС — длина оксидного покрытия; 1„3 — расстояние между опор-
ными изоляторами.
Различные варианты управляющих сеток и способы крепления витков
с траверсами были представлены на рис. 5.2.
I Тепловой расчет анода рассмотрен в § 31.4. Примеры конструкций
анодов показаны на рис. 5.3.
370
Материал анода выбирают в зависимости от вида охлаждения и мощ-
ности, выделяемой на аноде (§ 9.4). Допустимые значения температур
и удельных мощностей рассеяния материалов, используемых для ано-
дов, охлаждаемых излучением, приведены далее в табл. 31.6.
Расчет электронных ламп заканчивается проверкой тепловой на-
грузки баллона. Удельная мощность, рассеиваемая баллоном, равная
отношению полной мощности, выделяемой в лампе, к рабочей поверх-
ности баллона, приведена в табл. П.1. На основе проведенного расчета
геометрических размеров основных электродов ламп производится
общее конструктивное оформление. Выбор формы оболочки, кон-
струкции ножек и материала, из которого они изготовлены, определя-
ется в основном условиями применения проектируемой лампы, т. е.
диапазоном рабочих частот, параметрами заданной выходной мощно-
сти и габаритными размерами.
Основные виды баллонов и стеклянных ножек ламп приведены на
рис. 5.5,5.6.
Для крепления электродов в большинстве маломощных ламп ис-
пользуют пластинки различной конфигурации из слюды (см. рис. 5.4).
В этих пластинках с помощью штампа выбиваются отверстия, форма
и_ размеры которых определяются конструкцией электродов лампы
и видом их крепления.
Для крепления электродов в более Мощных высокочастотных лам-
пах целесообразно использовать изоляторы из специальной керамики.
Помимо рассмотренных основных элементов в любой лампе приме-
няют вспомогательные детали — упоминавшиеся вышё изоляторы,
а также крепежные детали (держатели, пистоны, втулки и т. п.), экра-
ны, газопоглотители. Последние обеспечивают высокий и стабильный
вакуум в течение всего срока службы лампы. На рис. 5.7 были приве-
дены основные конструкции распыляемых газопоглотителей. Наиболее
распространенные типы газопоглотителей приведены в табл. П.2. При
конструировании следует по возможности использовать стандартные
элементы и крепежные детали лампы.
В заключение следует рассчитать и построить статические характе-
ристики ламп. Для расчета используют формулы закона степени 3/2
для триода [см. (7.3) - (7.5)]. Из характеристик определяют основ-
ные параметры лампы в номинальном режиме и сравнивают с задан-
ными.
31.2.	РАСЧЕТ КАТОДОВ
В гл. 3 были подробно рассмотрены типы катодов и их конструк-
тивное выполнение. В настоящем параграфе рассматриваются вопро-
сы расчета и конструирования наиболее распространенных катодов
в электровакуумных приборах.
371
Расчет прямонакального вольфрамового катода состоит Из двух
этапов: расчета идеального катода, т. е. такого катода, температура по
всей длине которого имеет одно и то же значение, и расчета реального
катода с учетом поправок на охлаждение в тех местах катода, где он
крепится держателями.
Для упрощения расчета введем понятие идеального единичного воль-
фрамового катода, под которым будем понимать цилиндр, имеющий
длину /к и диаметр dK = 1 см.
Сопротивление катода в нагретом состоянии определяется выра-
жением
Лк = р-4/к/я^к2.	(31.2)
Обозначим сопротивление единичного катода
= 4р/тг,
где р — удельное сопротивление материала катоДа, Ом • см.
Тогда
VWk.''	(31.3)
При протекании по катоду тока накала 1И в нем будет выделяться
мощность, равная
Ри = П^к/к.	(31-4)
где т? — удельная мощность излучения вольфрама, Вт/см2.
Мощность идеального единичного катода
Р\ = Т]ТГ
и
Pn = Pid^K-	(31-5)
Учитывая, что Рн = IHUH из (31.3) и (31.5), находим
'н = Мк/2;	(31.6)
Таблица 31.1. Параметры единичного катода
Т, К	Zi.A-cm-3/2	Ut, В -см-1/2	, Вт • СМ 2	R1, Ом • см • 106
2300	1319	0,1124	148,2	85,22
2400	1422	0,1275	181,2	89,65
2500	1526	0,1436	219,3	94,13
2600	1632	0,1611	263,0	98,66
2700	1741	0,1797	312,7	103,22
372
UH=Ut(lK/d^2),	(31.7)
где It и Ui — ток и напряжение накала единичного катода, являющие-
ся только функцией температуры катода.
Ток эмиссии идеального катода определяется выражением
Л = /эЯб7к/к — ^Э1^К^К>	(31.8)
где J3 - плотность тока эмиссии, А/см2; 7э1 = я/э — ток эмиссии
единичного катода.
Долговечность катода определяется формулой
тк = 2,64тг • КГ^к/ЛЛ),	(31.9)
где М1 = ттг — скорость испарения вольфрама с поверхности единич-
ного катода, г/с.
Параметры единичного катода Ц, Ut, Pt, Rlr 1э1, Mt и необходи-
мая для расчета катода эффективность Hi приведены в табл. 31.1.
Реальный катод имеет неравномерное распределение температуры
по длине. Участки катода, расположенные у держателей, имеют тем-
пературу меньшую, чем средняя часть катода, из-за отвода тепла дер-
жателями (рис. 31.2). Рабочая температура катода соответствует Ттах.
При расчете реального катода из-за наличия охлаждения концов вво-
дят поправки на уменьшение эмиссии катода и напряжения накала.
С учетом поправок напряжение накала и ток эмиссии определяют из
выражений:
UH=Ui(lK/dKll2 -	(31.10)
Л - ЛиЛА/э,	(31.11)
где п — число охлажденных концов; Д£7Н — поправка для напряжения
накала (приведена ниже); f3 — коэффициент, определяющий поправ-
ку за счет охлажденных концов,
/э =	(UH+nMJH_ nMIn>3)l(Un		+ иДЦ,).		(31.12)
			В (31.12) Д[/Н>э		— поправка на
			эмиссию, значения		которой приве-
			дены ниже:		
Н, мА/Вт	т а ।	2 /Э1> А/см	Mi, г/ (см2-с)		Д17ю В	Дц, •», В
0,86	0,041	7,9 • 10-П	2300	0,225	0,855
2,0	0,116	4,3 • Ю-10	2400	0,237	0,890
4,3	0,298	2,03 • Ю'9	25 00	0,248	0,930
8,55	0,716	8,4 • Ю"9	2600	0,259	0,970
16,4	1,631	3,2 • Ю'8	2700	0,269	1,010
			2800	0,280	1,050
14-6353
373
Рис. 31.2. Распределение температуры
по длине катода
Число охлажденных концов определяется исходя из конструкции
катода. Например, для петлевого катода V-образной формы величина
принимается равной трем (рис. 31.3).
Гарантийная наработка вольфрамового катода при постоянном на-
пряжении накала может быть определена приближенно по формуле
1,2 • 10’3 (dK/Mi).
(31.13)
Расчет прямонакального карбидированиого катода приближенно
может быть произведен с учетом рабочей температуры Т = 2000 К и
30%-ного карбидирования.
Эффективность карбидированиого катода при выбранной темпе-
ратуре может быть принята равной 0,040—0,070 A/Вт. Для упрощения
расчета будем считать катод идеальным. Тогда можно получить следую-
щие расчетные формулы: для мощности накала Ри = 1Э/Н\ для тока
накала /н = Рн/ Un.
Диаметр катода при заданном токе накала 1Н определяется из
(31.6). В (31.6) ток накала единичного катода при Т = 2000 К равен
1022 А/см3'2. Поэтому диаметр катода, см,
з
dK = V (4/1022)2.
Сопротивление катода
RK = RtlK/d^,	(31.14)
где R! - сопротивление единичного карбидированиого катода при Т =
‘ = 2000 К, Rt = 88 • 10-6 Ом • см.
Из (31.14) определяют длину катода, полагая RK = икЦк,
/K=(Wt)C	(31.15)
При расчете реального катода вводят поправку на напряжение нака-
ла Д(/. Для температуры 2000 К поправка на каждый охлажденный
конец равна 0,21 В. Длина реального катода, см, с учетом поправки
. IZH+O,21n ,
/к= 1,13 - 104 —------d*.
(31.16)
374
Рис. 31.3. Закрепление петлевого ка-
тода
Рис. 31.4. Карбидированный катод ре-
шетчатой конструкции
При вычислении /к в (31.16) следует' подставить UH — в вольтах,
ток накала — в амперах, диаметр катода — в сантиметрах.
Расчет и конструирование геометрии карбидированиого катода ре-
шетчатой конструкции (рис. 31.4) по заданным току эмиссии 1Э, тем-
пературе Тк, 30%-ному карбидированию, напряжению накала UH сводит-
ся к определению тока, мощности накала и рабочей поверхности од-
ной нити катода, количества нитей, угла их наклона, диаметра и вы-
соты.
Последовательность расчета. По заданной температуре Гк, удельной
эмиссии и, используя данные табл. 31.2, определяют мощность нака-
ла, Вт,
Рн = 1э/Н	(31.17)
и площадь рабочей поверхности катода, см2,
ПК = 7Э/7Э.	(31.18)
Задают диаметр проволоки катода и угол наклона нити: dK =0,01 *
0,5 мм и а = 30 -i- 604.
Ток накала и мощность накала на одну нить вычисляют по фор-
мулам:
/„= 32,3 d’/2;	(31.19)
Рн = Л' t/H-	(31-20)
Длина нити накала /к, рабочая площадь поверхности одной нити
и количество нитей катода определяют соответственно из выраже-
ний:
/к= 1,076 (P;/dK), n>7TdK/K, JV=nK/n'.
Количество нитей, образующих ткань катода, должно быть не ме-
нее 20—60. В местах перекрещивания эти нити сваривают точечной свар-
375
Таблица 31.2. Зависимость J3 и Н от температуры
Г, К	Т А /	2 7Э, А/см	Н, мА/Вт	Т, К	т . .	2 J А/см	Н, мА/Вт
1300	4,14 • Ю-4	0,161	1900	1,59	85,4
1400	3,12 • 1(Г3	0,814	2000	2,89	120
1500	0,0179	3,24	2100	3,43	112,4
1600	0,0817	10,55	2200	1,24	32,5
1700	0,287	27,0	2300	0,114	2,42
1800	0,772	54,4	2400	0,168	2,91
кой. Верхние и нижние их концы приваривают к сплошным дискам -
электродам (см. рис. 9.6).
Определив ток накала на одну нить и выбрав число нитей катода,
определяют необходимую мощность накала
Лт,рас = /нМ%	(31-21)
и сравнивают ее с рассчитанной по (31.17).
Если окажется, что Рн.рас не соответствует требуемой Рн, то необ-
ходимо подобрать диаметр проволоки dK и число нитей N катода.
Диаметр катода DK, высота катода Нк и расстояние между пайками
на ободе а , мм (рис. 31.4), определяют соответственно по формулам:
DK = (2/ксо8й/я),
где а — угол наклона нити катода,
Як = V /к2 - (тгЛк/2)2; а = (2тгЛк)/ЛГ.
Расчет оксидных катодов косвенного накала по заданной постоян-
ной составляющей анодного тока 7а0 или тока в импульсе /а и (для
импульсных ламп) сводится, по существу, к определению геометриче-
ских размеров катода и данных питания подогревателя.
Допустимые плотность тока в непрерывном и импульсном режимах
в зависимости от типа лампы и рабочей температуры приведены в
табл. 31.3.
Таблица 31.3. Некоторые параметры оксидного катода
косвенного накала
Тип пампы	Тк. к	2 Jo (Jи) > мА/см
Усилительная	950-1000	5-10
Малогабаритная	950-1000	10-20
Выходная	1050-1150	20-80
Выпрямительная	1050-1150	50-90
Генераторная	1100-1150	70-250
Импульсная модуляторная	1100-1150	500-3000
376
Рис. 31.5. Конструкция керна оксидного
катода
По выбранным значениям 70(7и) определяют площадь рабочей по-
верхности Покс, покрытую оксидом:
Покс-4оМо или покс-/а,и/70.
Зная величину Покс, конструируют катод. Длину оксидного покры-
тия вычисляют по формуле
^окс — Покс/р,
где р - рабочий периметр катода. Суммарная длина концов катода
/1 и /г, не покрытых оксидом (рис. 31.5), составляет около 7 мм, а
зазор между оксидным покрытием и изоляторами — не менее 0;8—
1,2 мм.
При конструировании катода необходимо учесть отвод тепла изо-
ляторами и соединителем катода, а также оценить механическую проч-
ность (жесткость) по формуле
/ИэМк = 8-20,	(31.22)
где /иэ - расстояние между изоляторами; dK - диаметр керна катода.
Меньшее значение (31.22) соответствует толщине стенки керна ка-
тода 0,05 мм, а верхнее — 0,1 мм.
Зависимость удельной мощности накала р"н от расстояния между
изоляторами (рис. 31.6) является исходным для определения полной
мощности и тока накала:
~ Рн ПК, 1Н ~ ^н/Цг
Приближенный расчет подогревателей. Исходными данными для ра-
счета являются: ток и напряжение накала, удельное сопротивление ма-
териала и удельная мощность, рассеиваемая проволокой подогре-
вателя.
Температуру подогревателя определяют по приближенной формуле
Тп~ Тк+ (350-500) К,
где Тк и Тп - значения температуры катода и подогревателя.
В табл. 31.4 приведены удельные сопротивления рп и удельные мощ-
ности р'п нити подогревателя для различных материалов в зависимости
от температуры.
377
Вт/сн1
Рис. 31.6. Зависимость удельной мощности накала оксидного катода от расстоя-
ния между изоляторами:
а - 6 = 0,05 мм; б - 5 = 0,1 мм
Пользуясь указанными
волоки
данными, определяют диаметр и длину про-
I2 
1 н >
/п
ЯРп^н
378
Таблица 31.4
Материал		1300 К		1400 К	1500 К	
подогре**		9		9		9
вателя	Рп. 10	Рп' 2	Рп. 10	Рп’ 2	Рп. Ю-6	Рп’
	Ом • см	Вт/см2	Ом • см	Вт/см	Ом • см	Вт/см2
Вольфрам	34,1	2,57	37,2	3,83	40,3	5,5
Сплав МВ-50 35,7		3,8	38,7	5,2	41,0	6,8
 Сплав ВР-20	56,3	—	59,1	3,56	61,8	—
Длина свободных концов, не покрытых изолирующим веществом —
алундом, выбирается обычно в пределах 3—4 мм.
При изготовлении подогревателя в форме спирали число его витков
определяется выражением
x/On/ei)2 - 1
п —---------------,
?г(О + dn)
где 1„ и dn — диаметр и длина проволоки подогревателя; L — длина
спирали; D — диаметр керна, на который навивается спираль; а — ко-
эффициент, равный 1 для обычной спирали и 2 - для бифилярной.
Расчет оксидных катодов прямого иакала. Исходными данными при
расчете являются: напряжение накала UH, постоянная составляющая
анодного тока /а0, удельная мощность, излучаемая поверхностью ок-
сидного слоя Рокс> рабочая температура Тк.
Необходимые для расчета катода значения температуры и эффек-
тивности для различных типов приборов приведены ниже:
Максимальная		Средняя рабо-
Вид прибора Стеклянные усилительные	рабочая темпе- ратура кериа Т, К	чая эффектив- ность Нр, мА/Вт
лампы	 Пальчиковые н миниатюр-	950-1050	20-40
ные усилительные лампы	1000-1250	30-70
Выпрямительные лампы Генераторные лампы и лампы для усиления мощ-	1050-1150	10-30
носта		1050-1200	30-80
Для катодов большого диаметра при толщине оксидного слоя SO-
TO мкм перепадом температуры между керном и активным слоем мож-
но пренебречь. При этом условии приближенный расчет ведут по фор-
мулам:
Л, Рокся^к^к>	(31.23)
*н~ PtWK/*di)	(31-24)
379
Рис. 31.7. Зависимость мощности излучения оксидного катода от температуры
Рис. 31.8. Зависимость функции Kj. от максимальной температуры для вольф-
рама и никеля
для керна круглого сечения;
~ Рокс ‘ 27к (й + 6); /?H=PfGK/a^)	(31.25)
для ленточного катода шириной а и толщиной 5, см, при условии, что
вся длина покрыта оксидом.
Удельная мощность излучения Рокс> Вт/см2 может быть определена
по формуле, предложенной Б. П. Козыревым,
р’кс = 1,7 1(Г13 Г4’4
или графическим путем (рис. 31.7). Удельное сопротивление различ-
ных материалов, применяемых для изготовления прямонакальных ка-
тодов, приведено в табл. 31.5.
Положив Рн = IHUH и RH = U*/ 1И и решив, например, систему урав-
нений (31.23) и (31.24), получим выражение для диаметра катода и
Таблица 31.5. Зависимость удельного сопротивлении
материала керна от температуры
Материал керна	Р, 10-6 Ом • см, при температуре, К			
	900	1000	1100	1200
Чистый никель	42,6	45,7	48,8	51,9
Кремнистый никель	45,3	48,6	51,9	55,2
Вольфрам ВА	21,9	24,9	27,9	31,0
Вольфрам ВР-20	45	47,5	50	52,5
380
его длины
d =
К „2 nJ
Я РРокс
где 0= d0KC/dK « 2 4-3.
Реальная длина катода с учетом поправки за счет охлажденных участ-
ков
(31.26)
/к = 'к,ид+ пМ,
где п — число охлажденных участков катода;
Д/ kTdK/ ^окс >
здесь fcT — коэффициент, зависящий от температуры (рис. 31.8).
Расчет катодов d « 10 4-30 мкм из-за большого перепада температуры
внешней поверхности катода и керна, а также различных значений их
удельной мощности затруднителен. В этом случае используют экспе-
риментальные методы определения необходимых данных для ра-
счета.
31.3.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ
Расстояние между катодом и анодом для диода определяют из вы-
ражения для крутизны характеристики:
для плоских электродов
S = 3,5 • ИГ6 U^2,	(ЗХ.ТТ)
*а
где ха — расстояние катод—анод; Па — площадь действующей поверх-
ности анода.
Для данной системы электродов Па равна удвоенной площади про-
екции катода на анод (рис. 31.9). При этом ширина проекции катода
равна удвоенному расстоянию ха. На рис. 31.9 h — высота анода; а —
раствор петли (ширина между нитями катода).
При ха < а площадь проекции одной петли
Па= 2Аха(1 - ха/а).	(31.28)
Когда катод имеет m петель, то уравнение для крутизны характери-
стики имеет вид:
, flmxJi (1 - хя!а )	,
5 = 3,5 • 10”6 ----и}!2
(31.29)
381
ха
Рис. 31.9. Проекция катода на анод
Рис. 31.10. Цилиндрическая конструкция с подогревным катодом круглой формы
для цилиндрических электродов
S= 3,5- 10'6 —U2'2,	(31.30)
где га - радиус анода; /З2 =	приведена в табл. ПЗ. При отно-
шении Га/гк <2 можно считать /З2 = (1 — гк/га)2, что часто имеет
место на практике; Па — площадь действующей поверхности анода,
Па = 2itrah.
Уравнения (31.29) и (31.30) решаются относительно ха и га.
Расстояние сетка—катод для триодов, приведенных к эквивалентно-
му диоду, определяют из следующих выражений.
Для цилиндрической системы электродов с подогревным катодом
(рис. 31.10)
5 = 3,5 10-6
(31.31)
Уравнение (31.31) справедливо при отрицательном напряжении на
сетке Uc < 0. Здесь Пс — площадь действующей поверхности сетки,
равная 2ягсй; /З2 = f(rc/rK), или/З2 = (1 - rK/rc)2; Ua — действую-
щий потенциал. Полагая rajrc < 5,4, находим га.
Для цилиндрической системы электродов с прямонакальным като-
дом (рис. 31.11):
5= 3,5  10~6 —С/д1/2; Пс=2ягсй; 02 = 1.	(31.32)
гс Р
382
Рис. 31.12. Плоская конструкция с подогревным катодом
Рис. 31.11. Цилиндрическая конструкция с прямонакальным катодом
Аналогично предыдущему случаю находят га из соотношения Га/гс <
< 5,4.
Для плоской конструкции электродов с прямонакальным катодом
(рис. 31.9) эффективная (действующая) поверхность для анода, рас-
положенная на месте сетки триода, рассчитывается аналогично диоду:
Па = Пс = 8mxch (1 - хс/а)	(31.33)
и
5 = 3,5 • 10’6	Un12-	(31.34)
*с Р
Для плоской системы электродов с подогревным катодом (рис. 31.12)
Пс = 2lKh
и
5 = 3,5 -10'6 -4^4— Ц?12 	(31.35)
4 02 д	47
Для плоских электродов 02 - 1. Решив уравнения (31.34) и (31.35),
определим расстояние сетка—катод хс для плоских электродов
Ха/хс < 3,8.
При цилиндрическом подогревном катоде и овальной сетке (сме-
шанная система электродов) величину гс (см. рис. 31.1, г) определяют
по формуле
S’S-s ie-S -^-иу2,	(31.36)
где 7 - коэффициент охвата катода, равный 0,4-0,8.
383
Для определения наименьшего расстояния сетка-анод (а < 0,4)
может быть использована формула Олендорфа:
_ ха, с	Д
Д уу	у- >
где Т и Д — функции коэффициента заполнения сетки а (см. табл. П4).
Коэффициент а определяется соотношением а = d/t, где d — диаметр
проволоки, витков сетки.
31.4.	РАСЧЕТ АНОДОВ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Основные виды конструкций анодов с естественным охлаждением,
применяемых в различных типах ламп, приведены на рис. 5.3. Исход-
ными данными для расчета анодов является режим работы электрон-
ной лампы (Ua, Ia, UH, IH, Uc, 1С). Расчет анода начинают с выбора
материала. Допустимые температура и удельная мощность рассеяния
определяются данными материала (табл. 31.6).
Площадь поверхности, обеспечивающая выбранную температуру,
может быть найдена из выражения
Па - PJРуд,
где Ра — полная мощность, рассеиваемая анодом, определяемая урав-
нением
Ра ~ UaIa + ЯкРд "* Яс^с,
где Рн — мощность накала катода; Рс — мощность, излучаемая сеткой;
Як w Яс ~ коэффициенты, определяющие долю мощности накала и сет-
ки, поглощаемой внутренней поверхностью анода. Эти коэффициенты
зависят от геометрических размеров лампы и всегда меньше 1. Для
маломощных ламп множителем Я<РС можно пренебречь. Для плоской
и смешанной конструкции электродов qK = 1. Для цилиндрической
системы электродов qK можно определить по приближенной формуле:
где I — активная длина системы электродов, равная длине анода и
катода.
В открытых конструкциях анодов, в частности, когда la = da, ко-
эффициент Як^ 1.
Если при расчете окажется, что Па < Пао, где Пао — площадь по-
верхности анода, воспринимающая ток, то, очевидно, температура
анода не превышает допустимую. В противном случае, т. е. когда Па >
> Пао, следует применять охлаждающие ребра.
384
Таблица 31.6. Допустимые значения температур н удельных мощностей
рассеяния материалов, используемых для анодов, охлаждаемых излучением
Материал анода	Допустимая темпе- О ратура, С	Допустимая удель- ная МОЩНОСТЬ Руд, Вт/см2
Белый никель	700-850	1,0-1,5
Белый никель в лампах с оксидным катодом	400-450	0,2-0,3
Черненый никель	700-850	2,8-4,2
Черненый никель в лампах с оксид- ным катодом	400-450	0,8-1,2
Молибден белый	1100-1150	4,0-6,0
Молибден цирконированный	900-950	8,0-10,0
Тантал	1250-1300	8,0-8,5
Графит	1400-1500	45,0-50,0
Площадь поверхности охлаждающих ребер анода
Пр = Па - Па0.
При определении геометрии ребер следует учитывать, что каждое
ребро охлаждается с двух сторон.
Ширина ребра выбирается равной
Гр = 0,1 4-0,7 см.
Площадь поверхности одного ребра
Пр = 2гр/а,
где /а — периметр анода.
Число ребер
n = пр/п;
и расстояние между ребрами
1р = 2itra/N.
При этом должно выполняться неравенство lp > tp, при котором
взаимная экранировка отсутствует.
Глава тридцать вторая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ
32.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При конструировании нового ЭЛП необходимо, прежде всего, разра-
ботать ЭОС, обеспечивающую заданные траектории электронов. Извест-
ны два основных метода решения этой проблемы.
При первом - прямом методе решения этой задачи заданными яв-
ляются траектории электронов и по ним необходимо определить кон-
фигурацию и потенциалы электродов или форму катушек и токи, об-
текающие их.
При втором методе решается обратная задача. В этом случае задают
форму и потенциалы электродов, данные катушек и определяют поля,
создаваемые этими системами. После этого находят траектории электро-
нов. Если траектории электронов не соответствуют заданным, то мето-
дом последовательных приближений путем изменения конструкции
электродов или катушек задача решается до тех пор, пока не будет полу-
чен положительный результат.
Следует отметить, что реализация обоих методов строго аналитичес-
ким путем в большинстве практических случаев представляется очень
сложной и трудоемкой задачей, а иногда просто невозможной. Поэтому
для определения полей и расчета траекторий электронов в них созданы
приближенные расчетные и экспериментальные методы, позволяющие
достаточно быстро и с приемлемой точностью решать эти задачи.
При наличии базовой конструкции ЭОС часто пользуются эмпиричес-
кими методами разработки ЭЛП. В этом случае геометрические разме-
ры и питающие напряжения базовой конструкции ЭОС корректируются
до получения требуемых параметров.
32.2.	МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Для определения электрических полей широко используют метод мо-
делирования полей на электролитической ванне. Благодаря простоте,
приемлемой точности он получил распространение в лабораторной прак-
тике. Метод основан на аналогии между электростатическим потенциаль-
ным полем в вакууме и полем токов в однородной проводящей среде.
Для определения поля этим методом металлические электроды, яв-
ляющиеся моделью исследуемой ЭОС, погружают в электролит. В ка-
честве электролита может быть использована слабо подкисленная или
обычная водопроводная вода. При задании электродам модели потенциа-
лов, пропорциональных потенциалам электродов исследуемой ЭОС, рас-
пределение потенциалов в электролите будет совпадать с распределением
386
Рис. 32.1. Схема установки с электролитической ванной
потенциала в вакууме. Схема установки с электролитической ван-
ной приведена на рис. 32.1. Модель исследуемой ЭОС, разрезан-
ной по плоскости симметрии, погружают в ванну так, чтобы по-
верхность электролита совпадала с плоскостью разреза. Электроды
модели изготовляют из проводящего материала (железа или техничес-
кой стали). Питание электродов осуществляют переменным напряже-
нием частотой 50 Гц. Использование постоянного напряжения для этой
цели нежелательно из-за электролиза. В качестве нуль-индикатора в цепи
зонда может быть использован осциллограф или электронный вольт-
метр, практически не потребляющий тока. Определение электрического
поля, т.е. нахождение положения соответствующих эквипотенциальных
поверхностей, производится следующим образом. С помощью зонда
измеряют распределение потенциала в поле модели. Для этого зонд с
заданным потенциалом опускают в любую точку электролита. Из-за
различия потенциалов в выбранной точке электролита и зонда в цепи
последнего будет протекать ток. Меняя положение зонда, можно найти
такие точки, где ток через зонд, фиксируемый индикатором, станет рав-
ным нулю. Совокупность найденных точек образует эквипотенциальную
линию. Изменяя напряжение на зонде и добиваясь, чтобы ток в его цепи
был равен нулю, находят другие эквипотенциальные линии. Построение
387
507,
Рис. 32.2. Поле двух соосных цилиндров
эквипотенциальных линий на бумаге можно автоматизировать. На
рис. 32.2 приведено измеренное на электролитической ванне распреде-
ление потенциала в поле двух цилиндров.
32.3.	МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ТРАЕКТОРИЙ
Задача расчета ЭОС, электрическое поле которой известно, сводится
к нахождению траекторий электронов. Для определения траекторий
электронов в электронных линзах используют приближенные графо-
аналитические методы. Наибольшее распространение получили метод
ломаной, основанный на законе преломления, и метод радиуса кри-
визны.
Первый метод целесообразно применять тогда, когда эквипотен-
циальные линии имеют малую кривизну, а второй — когда кривизна
значительна.
Метод ломаной. Допустим, нам известно электрическое поле иссле-
дуемой системы, представленное в виде совокупности эквипотенциа-
лей (рис. 32.3). Рассмотрим две соседние эквипотенциали, имеющие
потенциалы U2 и U3, расположенные на небольшом расстоянии друг от
друга. Эквипотенциальные поверхности на небольшом участке можно
считать плоскими. При таком условии изменением напряженности поля
можно пренебречь и считать поле однородным. Потенциал между двумя
эквипотенциалями определяется как среднее арифметическое значений
.потенциала, соответствующих этим эквипотенциалям, т.е.
V= (U3 + U2)I2.
Пусть электрон подходит к эквипотенциали U2 под углом а относи-
тельно ее нормали NN. Угол 0 можно определить по закону преломления
из соотношения
sina/sin/3 = x/U3 + U2f\/lJ2 + L\ ,
которое определяет траекторию электрона на отрезке между следую-
щими двумя потенциалями. Повторяя процесс построения последова-
тельно для каждой поверхности раздела, можно построить всю траекто-
388
Рис. 32.3. Графическое построение траекторий электронов методом ломаной
Рис. 32.4. Графическое построение траекторий методом радиусов кривизны
рию электрона. Данный метод позволяет строить траекторию с погреш-
ностью 3—5%.
Метод радиусов кривизны заключается в уподоблении траектории
электронов между двумя соседними эквипотенциалями дуге окружно-
сти (рис. 32.4). Радиус окружности (кривизна траектории) опреде-
ляется из условия равенства центростремительной и центробежной сил,
действующих на электрон,
еЕ„ - mev2/R,	(32.1)
где Ея — нормальная к траектории составляющая напряженности элект-
рического поля. Скорость электрона в (32.1) выразим через разность
потенциалов /иег2/2=е£/, получим радиус кривизны траектории R =
= 2£//Ея. Величину R и положение центра дуги траектории движения
электрона можно определить графически.
Пусть электрон пересекает первую эквипотенциаль в точке А.
Проведем из этой точки нормаль к эквипотенциали до пересечения в
точке В со следующей эквипотенциалью Ц. Полученный отрезок АВ
совпадает по направлению с вектором напряженности поля Е.
Затем проведем нормаль к траектории электрона в точке А — пря-
мую т. Очевидно, что нормальная к траектории электрона составляю-
щая Ея направлена вдоль прямой гт.
Из точки В проведем касательную к эквипотенциали U2 до пересече-
ния ее с прямой т в точке С. Напряженность поля между эквипотенциа-
лями U2 и равна (U2 - Ui)/AB.
Из рис. 32.4 следует, что
| Ей | =lEcosa| = [(Ц — fA)/AS]cosa.
Потенциал в области между двумя эквипотенциалями U2 и Ult как
389
ив предыдущем методе,равен U=(Ui + С72)/2. Тогда
2U _ _	+ ui АВ _ ~ U2+
Е„ U2 — Ui cos a U2 — L\
На прямой т откладываем отрезок АО, равный R =-
и2 + их
(32.2)
АС.
После этого с помощь'ю циркуля проводим дугу из точки О через! точку
А до пересечения с эквипотенциалью U2. Затем описанное выше построе-
ние повторяется. Таким образом траектория приближенно представля-
ется рядом сопряженных дуг. Относительная ошибка построения тра-
екторий этим методом составляет 2—3%.
Оба рассмотренных метода построения траектории электронов
являются трудоемкими. Для увеличения точности определения траек-
торий созданы автоматические устройства — траектографы.
В последние годы достигнуты успехи в области машинного проекти-
рования ЭОС. Машинное проектирование базируется на изложенных
выше методах расчета траекторий и построения полей в аналоговом
виде и используется при обработке результатов ЭВМ.
32.4.	КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОТКЛОНЯЮЩИХ СИСТЕМ
Электростатические системы, отклоняющие электронный луч в двух
взаимно перпендикулярных направлениях, помещаются внутри прибора
и располагаются по ходу луча последовательно одна за другой. В § 17.1
был рассмотрен наиболее простой случай отклонения электронного лу-
ча электрическим полем плоскопараллельных пластин и приведены фор-
мулы для расчета чувствительности этих пластин. Подобные системы
ограничивают предельный угол отклонения и в настоящее время ис-
пользуются редко. Существенный выигрыш в угле отклонения мож-
но получить, применяя косо поставленные, согнутые под углом или
изогнутые по некоторой кривой, отклоняющие пластины. Рассмотрим
отклонение электронного луча полем этих пластин.
Чувствительность к отклонению косо поставленных пластин (см.
рис. 17.12, а) вычисляется по формуле
с = aL hi — ,	(32.3)
Л°ткл 2aa(rf2-rfi) d2 '
где ил — ускоряющее напряжение; L — расстояние от экрана до цент-
ра отклоняющих пластин.
При одинаковых габаритных размерах плоскопараллельных и косо
поставленных пластин чувствительность последних в 1,5 раза выше
плоскопараллельной системы.
Идеальной является система, форма отклоняющих пластин которой
совпадает с траекторией электронного луча (см. рис. 17.2, в). Линия
390
изгиба таких пластин описывается экспоненциальной функцией
dz = die^2,
где А = V 2UJ U; х = tgamex.
Длину пластин можно определить из приближенного уравнения
<4
z « — (Ах)2 1 +
(Лх)2
3
(Ах)4	(Ах)6	(Ах)я
+ ------- + --------- + — ' — + . ..
10	42	216
(32.4)
Вычислив значение Ах и задавшись расстоянием на входе dt, можно
определить чувствительность, которую обеспечивают пластины опти-
мальной формы при определенной длине пластин. Чувствительность
SOTK„ данной системы, при прочих равных условиях, в 2 раза выше
чувствительности системы, образованной плоскопараллельными пла-
стинами. Идеальная отклоняющая система нетехнологична при изготов-
лении и сборке. По этой причине, несмотря на достаточно высокую
чувствительность, она не получила широкого распространения.
Чаще всего в осциллографических ЭЛТ применяются одндкратно
изломанные пластины (см. рис. 17.2, б). Чувствительность к отклоне-
нию таких пластин рассчитывается по формуле
+
•^откл
L
2УЛ
4г
(32.5)
Чувствительность этой системы при равных габаритных размерах
(длине пластин, угле отклонения) и прочих равных условиях занимает
промежуточное положение между оптимальными и плоскопараллель--.
ними пластинами.
При расчете отклоняющих пластин обычно задают их длину и мак-
симальный угол отклонения. Длина пластин ограничивается габарит-
ными размерами трубки, а угол отклонения, при больших его значе-
ниях, — дефокусировкой луча, а при малых — увеличением длины при-
бора. Как правило, значение угла откдонения выбирается в пределах
10-18°.
В современных осциллографических трубках с электростатическим
отклонением чувствительность обычно не превышает 3 мм/В.
Магнитные системы, отклоняющие электронный луч в .заданном на-
правлении, как указывалось в § 17.3, состоят из катушек, обтекаемых
током и расположенных с внешней стороны Прибора — на горловине
баллона трубки. При этом возможна ориентация катушек (рис. 32.5).
В первом случае магнитные поля складываются параллельно
(рис. 32.5, а). Второй случай включения является более экономичным,
так как позволяет использовать для отклонения большую часть магнит-
ного потока.
391
о
о
Рис. 32.5. Включение отклоняющих катушек:
а - параллельное; б - последовательное
Для концентрации магнитного поля в области прохождения электрон-
ного луча часто применяют сердечники (магнитопровод), изготовляе-
мые из материала, имеющего высокую магнитную проницаемость.
По конструктивному оформлению современные отклоняющие систе-
мы делят на следующие типы: без магнитопровода, с наружным магни-
топроводом (рис. 32.6), с внутренним магнитопроводом (рис. 32.7),
комбинированные отклоняющие системы.
Системы без магнитопровода собирают из катушек седлообразной
формы. Последние устанавливают на каркасе из изоляционного мате-
риала. Для фиксации катушек в каркасе предусматривают специаль-
ные выступы или пазы. Из-за низкой эффективности подобные системы
имеют ограниченное применение в аппаратуре.
В системах с внешним магнитопроводом (рис. 32.6) катушки раз-
мещаются непосредственно на горловине трубки и заключаются в ци-
линдр, изготовляемый из высокочастотных магнитных материалов.
Конструкции подобного типа применяются на практике.
В конструкции отклоняющей системы с внутренним магнитопрово-
дом (рис. 32.7, а) замкнутый прямоугольный сердечник выполнен из
набора тонких стальных пластин подобно сердечнику трансформатора.
На сердечнике расположены четыре катушки, обеспечивающие требуе-
мый угол отклонения электронного луча. Такая конструкция облада-
ет серьезными недостатками: сложность получения нужной формы
отклоняющего поля, громоздкость, значительная масса, трудоемкость
при сборке.
Для уменьшения внешних размеров отклоняющей системы сердеч-
нику может быть придана цилиндрическая форма (рис. 32.7, б). Об-
щим недостатком конструкций (рис. 32.7, а и б) является малая эф-
фективность из-за значительных потоков рассеяния, не участвующих
в отклонении электронного луча.
• Комбинированные отклоняющие системы нашли широкое приме-
нение в современных кинескопах' с большими углами отклонения,
а также в системах портативных видеоустройств. В таких системах
392
Рис. 32.6. Отклоняющая система с наружным
магнитопроводом (вид системы со стороны
экрана):
1 - катушка горизонтального отклоне-
ния; 2 - катушка вертикального отклонения;
3 - магнитопровод
внутренний сердечник одной пары кату-
шек является наружным магнитопрово-
дом второй пары катушек. Сердечник
обычно изготовляют из оксифера (фер-
ромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью) цилинд-
рической или колоколообразной формы.
В отклоняющих системах используют также сердечники статор-
ного типа, которые собираются аналогично статору электромотора из
пластин пермаллоя или изготовляются сплошными из оксифера. В та-
ких системах катушки выполняют в виде отдельных секций и уклады-
вают в специальные пазы сердечника. Системы статорного типа высо-
коэффективны, но в них трудно получить требуемое распределение
магнитного поля в пространстве. Помимо того, они сложны в изготов-
лении и дороги. По этой причине системы статорного типа нашли огра-
ниченное применение.
Конструкция отклоняющей системы для цветного кинескопа суще-
ственно сложнее, чем для черно-белого. Объясняется это, во-первых,
тем, что анодное напряжение и диаметр горловины больше, чем у черно-
белого кинескопа, а это, как известно, вызывает существенное увеличе-
ние энергии отклонения в поле отклоняющих катушек. Во-вторых, от
точности изготовления отклоняющей системы и ее установки на горло-
вине кинескопа в значительной степени зависят чистота цвета и геомет-
рические искажения.
Для цветных кинескопов целесообразно использовать отклоняющие
системы с наружным магнитопроводом, расположенным поверх откло-
няющих катушек, и отклоняющие системы комбинированного типа.
В современных цветных кинескопах с щелевой маской и компла-
нарной ЭОС применяются комбинированные отклоняющие системы
типа седло—тор, седлообразная — для строчной развертки, тороидаль-
ная — для кадровой. Совершенствование отклоняющих систем ведется
в направлении уменьшения их размеров, требуемой мощности откло-
нения и уменьшения геометрических искажений электронного растра.
Конструирование магнитных отклоняющих систем (ОС). При кон-
струировании систем основными исходными данными являются габа-
ритные размеры ЭЛП, угол отклонения пучка, значение ускоряющего
напряжения, закон отклонения, предполагаемая схема генераторов раз-
15-6353
393
Рис. 32.7. Отклоняющие системы с внутренним магнитопроводом:
а — с внутренним магнитопроводом из Г-образных пластин; б — общий вид
цилиндрической системы; в — вид спереди с разрезом; 1 — магнитопровод; 2, 3 —
катушки горизонтального и вертикального отклонения; 4 - внутренняя и внешние
гильзы
верток, значение разрешающей способности и допустимые геометриче-
ские искажения. При этом следует учитывать как общие требования,
предъявляемые к отклоняющим системам (см. § 17.1), так и специ-
альные. Электрические параметры ОС (индуктивность катушек, омиче-
ское сопротивление и распределенная емкость) выбирают с учетом
работы с конкретным генератором развертки, конструкция отклоняю-
щей системы должна быть технологичной.
Расчет системы начинают с выбора внутреннего диаметра ОС. Послед-
ний определяется максимальным диаметром горловины ЭЛП. Для
ЭЛП, имеющих высокую разрешающую способность и незначительные
геометрические искажения, предусматривают возможность юстиров-
ки ОС. Для этой цели внутренний диаметр каркаса следует увеличить
на 3—4 мм по сравнению с максимальным диаметром горловины при-
бора.
Для расчета МДС катушек задают приблизительную толщину намот-
ки из условия
RH/RB « 1,3 4-1,4,	(32.6)
где RH и /?в - соответственно наружный и внутренний радиусы на-
мотки. Они определяются диаметром горловины прибора и толщиной
каркаса.
Длину магнитопровода ОС L ориентировочно определяют по фор-
муле
_ 7,го _ L г0
А — ------ — -----.
У У~га
Величины L1, го, у и X приведены на рис. 32.8.
(32.7)
394
Рис. 32.8. К расчету длины отклоняющей
системы.
Магнитодвижущую силу отклоняю-
щих седлообразных и тороидальных
катушек с магнитопроводом при L >
>Х определяют по формуле
„	O,52tga\/Oa/?
FM = -----------Л----- ,	(32.8)
(a iX - btX ) cos)//
где X’ = X — 8R-, R — радиус системы; Ua — ускоряющее напряжение;
a — угол отклонения пучка; X — половина длины ОС; cos ф — косинус
угла, определяющего расположение витка намотки относительно плос-
кости симметрии. Значения коэффициентов	приведены в
табл. П.5.
В качестве магнитопровода можно использовать оксиферовые коль-
ца, листовую высокочастотную сталь или пермаллой. Угол среднего
витка намотки ф приближенно выбирают 27—30°.
После расчета или измерений аберраций и выбора закона намотки
уточняют расчет МДС по формуле (32.8). Затем выбирается способ
соединения отклоняющих катушек.
Следующим этапом проектирования является электрический ра-
счет ОС. Индуктивность, мГн, отклоняющих катушек для случая
рис. 32.5, б может быть рассчитана по формулам, предложенным
JI. И. Лубоятниковым и И. А. Хвылей:
для седлообразных катушек с отогнутыми витками
£ = 24?rXiW2 • 1(Гб;	(32.9)
для тороидальных катушек без медного экрана
£=24-1.8X1W2  10"6;	(32.10)
для тороидальных катушек с медным экраном
£ = 24ttXiW2 -Ю-6,	(32.11)
где w — число витков.
Величина Xi в (32.9) — (32.11) определяется так:
Xi = 2X1 "* 0,22£^т,
где 2Х — длина магнитопровода; £>вт — внутренний диаметр магнито-
провода.
395
Сопротивление катушек определяется из соотношения
Я= 2,23Zcpw • 10"7d2,	(32.12)
где 1ср — длина среднего витка намотки, см; <7— диаметр провода без
изоляции, мм.
Плотность тока J для выбранного материала вычисляют по формуле
/=(4/эф)Л^2.	(32.13)
Значение плотности тока в отклоняющих катушках не должно пре-
вышать 2—ЗА/мм2.
В (32.13) допустимое сечение
d =	(32.14)
V ttw
гДе ^нам — толщина цамодки; /м — коэффициент заполнения.
Для наиболее употребительных значений диаметров провода 0,08—
0,7 мм коэффициент заполнения /м « 0,6 + 0,8.
Завершающим этапом проектирования является уточнение разме-
ров магнитопровода или сердечника. При этом, если окажется, что
размеры магнитопровода значительно отличаются от тех, которые
были приняты при предварительной оценке, следует уточнить расчет
МДС.
32.5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ЭЛТ
Пример 1. Расчет фокусирующей и отклоняющей систем осцилло-
графической ЭЛТ.
Исходными данными для расчета являются: ускоряющее напряже-
ние не более 800 В; диаметр экрана не более 5 см; чувствительность
к отклонению не менее 0,3 мм/В; диаметр пятна на экране 0,3 мм;
UK = 6,3 В.
Для расчета электронного прожектора воспользуемся рис. 32.9.
. Первая линза прожектора является иммерсионным объективом, вто-
рая (фокусирующая или главная проекционная) — одиночная с нуле-
вым током первого анода.
Расчет иммерсионного объектива. Для упрощения расчета зададим
следующие условия: электроны покидают катод с начальной скоро-
стью г0 (или с энергией mv0f4kT, где к — постоянная Больцмана, Т —
температура катода). Для катода с температурой Гра6 = 1000 К, Ио &
« 0,17 В.
Предполагаем, что линза является идеальной, т. е. не имеет аберра-
ций; кулоновское отталкивание электронов в области формирования
скрещивания отсутствует; поле, создаваемое системой, состоящей из
396
Рис. 32.9. К расчету иммерсионного объектива:
а - формирование скрещения электронных траекторий; б - расхождение пучка
за плоскостью скрещения; К - катод; М — модулятор; А — анод; гк и ги -
радиусы катода и изображения; «1 и - показатели преломления со стороны
катода и изображения; 71 и 7j - апертурные углы; а\ - расстояние от поверхности
катода до плоскости скрещения; bi — расстояние от плоскости скрещения до
изображения катода; а - угол расхождения пучка за плоскостью скрещения
катода, модулятора и анода, с достаточной степенью точности можно
рассматривать, как поле одиночной диафрагмы модулятора с радиусом
RM, расположенной на расстоянии dKjM и dM>a от катода и анода (см.
рис. 16.6). Выберем начало отсчета потенциала на поверхности модуля-
тора UM K = 0 (катодная модуляция).
Используя в качестве аналога ЭЛТ типа 5ЛО38И, зададимся следую-
щими данными: dK>M = 0,15 мм; dM>a = 2,5 мм; 5М = 0,1 мм; RM =
=0,35 мм.
В расчете использованы приближенные выражения, полученные во
время теоретических и экспериментальных исследований Ю. И. Койф-
маном, В. В. Цыганенко, В. П. Мартыновой и П. А. Тарасовым, поз-
воляющие достаточно просто рассчитать характеристики прожектора.
Запирающее напряжение катода определяется выражением
£/к0" V ~d— 1 ~ Ч —R---------------/	(32.15)
*	ам,а L \ лм	/
где /- функция аргумента (dK>M + ^м)/^м (рис. 32.10):
f dK,M + Sm
I /
=	О,^ ) = ^°’71> =0’74’
Цсо = тг/4(035/2,5) (1 - 0,74) • 800 = 23 В.
Радиус рабочей поверхности катода определяется по
(16.8)
формуле
к **
’ 1/2
JT+ Га-t)
t
397
Управляющее напряжение t согласно (16.9) лежит в интервале 0 <
< t < 1.
Для определения коэффициента а воспользуемся формулой (16.10)
играфиком функции/(dK>M/7?M) (рис. 32.10) :
=/(0,15/0,35) =/(0,43) 5= 0,52;
0,75(1+О,24К)М/ЛМ)	0,75(1 + 0,2-0,43) _ q 57
/0к,м/Лм)	0,52
После подстановки а и RM в формулу для гк получаем значение
радиуса рабочей поверхности катода: 0 < гк <0,35 мм, гк < 0,35.
Максимальную плотность тока, А/мм2, в центре катода (при г =0)
определяем по (16.11)
7(0) = 2,33- 10’6
1__
dK,M
/ и \т2
[)3/2f3/2
V Rm /] к0
Полагая t = 1, соответствующее максимальному току с катода, по-
лучаем:
/ \2
J (0) = 2,33 • 10'6 ( ~  0,52	• 233/2 « 3,089 • 10’3 А/мм2.
Расчет модуляционной характеристики. Уравнение модуляционной
характеристики имеет вид:
Т - г f3/2 Z /R х2
1 к i^maxt Vk/Rm) —TV’
?(*)
(32.16)
где
Т(0) =
3 f arcsin/31/2 j
W ила -0)1ZT -
(32.17)
здесь
0= bt;
Ь = а/(а + 1).
Функция у характеризует неравномерность распределения плотно-
сти тока по поверхности катода (рис. 32.11).
Максимальное значение тока катода при UK = UMK =0 определяет-
ся выражением
м,к
1ктах ~ 2,44
Rm
dK,M
О 35
= 2,44	• 0,52
L 0,15
/ d
' KM
2
• 233/2 -1,26 = 0,5 • 10-3 A = 500 мкА.
к,м
(32.18)
2
-
398
Рис. 32.10. График функции f(dK, М/ЯМ)
Рис. 32.11. График функции '/(/?)
При /3 < 0,2 (малый ток) функцию у(/3) можно считать равной 1,2
(рис. 32.11).
Согласно выражению (16.8), связывающему гк и RM с учетом того,
что 7(0)/7 G0 1, выражение (32.16) можно переписать в виде
.3/2
/к = IKmax -t + д (f Z-r-) = 500f 3/2/[ 1 + °’57 О - О ] •	(32.19)
Для построения модуляционной характеристики перейдем от катод-
ной модуляции к сеточной. Для этого в (16.9) взамен UK подставим
UM к, а вместо Uk0 выражение
________Ци, ко_____
ко-- i _ иМ)К0/С/а ’
(32.20)
где 17м,ко ~ запирающее напряжение модулятора. Таким образом, по-
лучаем:
_ ^кО —
1	^м,к/Ц| + ^4л,к/^М,к0.
(32.21)
Определим UM, к0 из (32,20):
ЦсО
UKolUa - 1
^м,кО “
23
23/800 - 1
= -23,7 В.
Тогда t = 1 + 0,04С7м,к.
399
Меняя UM>K (с шагом h ), получаем различные значения t и 1К. При-
мер расчета представлен в табл. 32,1.
Таблица 32.1
Ци,К> В	0	-5	-10	-15	-20	-23,7
t	1	0,8	0,6	0,4	0,2	0
1к, мкА	500	257	114	37,7	6,1	0
Подобные расчеты можно проводить на программируемых микро-
калькуляторах.
Программа расчета £/м>к0, f и /к на микрокалькуляторе МК56
имеет вид:
П-+х 0 t П-+х 1 4- t 1 - П-+х 0 +> 4- Х-*П 4 С/П П+х 3
t П-+х b х 1 + х-+П 5 С/П 3 I 2 4- П-+х 5 F ху 1
П-+х 5 — П-+х а х 1 + 4- П-+х 6 х х-+П С С/П П-+х
3 t П-+х 2 + х-+П 3 П-+х 8 - F х<0 О О С/П
Ввод: UK0 = П0; Ua =П1; h =П2; 1ктах = П6; а =Па; 0,04 = Пв;
-25 = П8.
Вывод: С7М1К0 = П4; t =П5; 1К = ПС.
Модуляционная характеристика, построенная по данным таблицы,
приведена на рис. 32.12.
На характеристике указана рабочая точка РТ, соответствующая 1К =
= 250 мкА (7л=50мкА) и С7М)К=—5,0 В.
Угол расхождения за плоскостью скрещения можно определить по
приближенной формуле Мосса (см. рис. 32.9, б):
Ям
tga «а ^°>67з74
м,а
^м,к “ Ци, кО
&м,кО
= (0,6 • 0,35/2,5* 3/4) [(5 + 23,7)/23,7] =0,128 рад « 7° 20’.
Радиус скрещения гс (рис. 32.9, а) для пучка электронов с началь-
ными энергиями eU0 находим по формуле:
rc = ai\/U0/Ua,
где Я1 — расстояние от поверхности катода до плоскости скрещения,
«1 = rK/tg0; Uo =0,17 В; С/а=800 Ви rK = RM Г---------------------------
L 1 + а (1 — f)
- 0’35 Г у 1 = 0,25 мм.
L 1 + 0,114 J ’
400
1 t П-*х 1- t П-*х 2 x 1 + П-*х 1
**•? П->х 0 х Х-*П 3 П->х 4 t F t9
П-+х 3 **• -г х-*П а П-*х 5 t П~>х 6
г F л/И^х а х х~>П в С/П
Ввод: RM = П0; t = П1; а =П2; гк = ПЗ; 6 =П4; Uo = П5; U = П6;
Я1 = Па.
Вывод: гс =Пв.
Расчет главной проекционной линзы. Как было указано (см. § 16.2),
главная проекционная линза отображает скрещение, создаваемое им-
мерсионным объективом в виде пятна на экране ЭЛТ.
Задавшись радиусом отверстия диафрагмы второго анода Т?а2, уско-
ряющего электрода Ry >э, равным 0,45 мм, и расстояниями между элект-
родами а = 30 мм, Ъ = 130 мм, do =4 мм (рис. 32.13), вычисляем апер-
турный угол со стороны скрещения 71
tg71 = Да2/(« ~<А>) = 0,45/(30-4) =0,173, 71«1°.
Плоскость скрещения выбираем на равном расстоянии между модуля-
тором и ускоряющим электродом.
Радиус отверстия диафрагмы первого анода определим из условия
/?ai>atg7i; atg7i = 30 • 0,0173 =0,52.
Выбираем 7?а1 = 2,0 мм, Что практически исключает перехват элект-
ронов первым анодом.
Для определения радиуса пятна на экране ЭЛТ воспользуемся теоре-
мой Лагранжа—Гельмгольца (см. § 16.2):
ГС\Д4 tg 71 = '•п '/йп tg 72,	(32.22)
401
Рис. 32.13. К расчету глав-
ной проекционной линзы:
УЭ - ускоряющий элек-
3 трод; А1 - анод первый;
А2 - анод второй; Э - экран;
а - расстояние от плоскости
скрещения до диафрагмы пер-
вого анода; b - расстояние от
диафрагмы первого анода до
экрана; do - расстояния меж-
ду электродами линзы (уско-
ряющим электродом, первым и
вторым анодом) ; э, Яа1,
Ro2 — соответственно радиусы отверстий диафрагм ускоряющего электрода,
первого и второго анодов; 71 и 72 - апертурные углы соответственно со стороны
объекта и изображения
где гс — радиус скрещения (объекта); Uc — потенциал в плоскости
скрещения; 71 - апертурный угол со стороны объекта; г„ — радиус
пятна (изображения); Un — потенциал в плоскости пятна (изображе-
ния) ; 72 - апертурный угол со стороны пятна (изображения),
Для малых апертурных углов (32.22) имеет вид:
ГсУ/Wli =гТ1\ГйпЪ,
откуда
rcyi ,------
Гп = yfUjUn-	(32.23)
7?
Подставив в (32.33) найденное выше значение радиуса скрещения,
получим:
гп= (0,02871/72)хДЖ-
Отношение 71/72 равно Ь/а = 130/30=4,33, откуда радиус пятна гп =
= 0,028 • 4,33 = 0,12 мм.
Полученное значение для радиуса пятна удовлетворяет заданному.
Следует иметь в виду, что полученный расчетным путем радиус пят-
на гп практически всегда будет отличаться от реальных значений, так
как при проведении расчета были сделаны упрощения и не учитывались
другие факторы, например сферические аберрации ЭОС.
Фокусное расстояние главной проекционной линзы определим из
следующих условий: считаем, что линза симметричная, образована тре-
мя диафрагмами, главные плоскости совпадают (линза тонкая), фокус-
ные расстояния ft = /2 •
По формуле (4.22) определим -i- : ~ = -1- + ~ , где li=a =
J J ‘I ‘2
= 30 мм; /2 = Ь = 130 мм, откуда
402
1// =
z2 +Z1
Z1Z2
130 + 30
130-30
= 24,4 мм.
Напряжение на первом аноде найдем по приближенной формуле:
1 ~ 3 ( иа.2 -	\ 2
Т ~	Uai )
где d - расстояние между диафрагмами (d = d0 =4 мм); / = 24,4 мм,
значительно больше d, т. е. удовлетворяет условию тонкой линзы; Ual -
напряжение на первом аноде; Ua2 - Ua — ускоряющее напряжение, от-
куда напряжение на первом аноде
£/а1 = £/a(VW - WD /V3j8d =
= 800 (V 3/32- 1//24Д)/\/3/32 = 270 В.
Программа расчета фокусного расстояния линзы / и напряжения на
первом аноде Ual .
П-+х 2 t П-+х 0 + П-+х 0 t П-+х 2 = х-+П 5 С/П
n-x5Fl/xFV~ 1++-+ х-+П С 3 t 8 + П-+х 4 +
F хЛ х-+П 7 П-+х С — П-+х 7 = П-+х 3 х х-+П 8 С/П
Ввод: li = ПО; /2 = П2; £/а2 = ПЗ; d - П4.
Вывод: 1// = П5; £/а1 = П8.
Расчет электростатической отклоняющей системы. Из существующих
конструкций отклоняющих пластин (см. рис. 17.2) выбираем однократ-
но изломанные. Такие пластины просты в изготовлении и широко при-
меняются в осциллографических ЭЛТ.
Для обеспечения симметричного включения пластин (см. § 17.3)
и регулирования среднего потенциала между пластинами относительно
второго анода в данной конструкции ЭЛТ все четыре пластины откло-
няющей системы имеют независимые выводы в цоколь.
На рис. 32.14 изображена упрощенная схема ЭОС осциллографиче-
ской ЭЛТ. Там же указаны междуэлектродные расстояния, размеры
отклоняющих пластин и расстояния их до экрана.
Диаметр электронного пучка между отклоняющими пластинами
вычисляем по формуле
Ai= 2tg72Z',
где L1 — расстояние от отклоняющей системы до экрана, равное 100 мм.
Значение угла ?2 определяем из полученного отношения 71 /?2 : 72 =
= 71/4,33, где угол 71 равен 1°.
Таким образом, получаем: £>п = 2tg 72 • 100 =0,8 мм.
403
Рис. 32.14. Упрощенная схема ЭОС осциллографической ЭЛТ:
К - катод; М - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; At - анод первый;
А2 - анод второй; НОП - нижние отклоняющие пластины; ВОП-верхние откло-
няющие пластины; Э - экран
Для исключения возможности осаждения электронов на пластинах
выбираем: di = 2 мм; d2 =6 мм; ах =4 мм; а2 - 16 мм (рис. 32.15),
а Д2 (см. рис. 32.14) равным 3 мм.
Угол излома (3 получаем равным: tg/3=0,125, откуда /3 =7,1°.
Полный угол отклонения электронного луча по диаметру экрана
Рэ/2
/3= arctg —i— = arctg(25/100) = 1,4 ,
где D3 - диаметр экрана осциллографической ЭЛТ; L1 - расстояние
от ОС до экрана.
Чувствительность по отклонению системы определим по формуле
(32.3):
Полагая, что центр отклонения луча совпадает с центром системы, на-
ходим чувствительность для нижних и верхних пластин. Для нижних
отклоняющих пластин L = ИЗ мм, для верхних L =90 мм (рис. 32.14),
откуда
"^откл.н.о.п = япгГ + ~4~ ИЗ _ 0,45 мм/В;
"^откл.в.о.п ~ огщ	—т'In3^90 = 0,36 мм/В.
Полученные значения для чувствительности отклонения данной ЭЛТ
удовлетворяют заданным требованиям.
Программа расчета чувствительности 50ТКЛ:
П-+х 4 t П-*х 2 + F In П~>х 3 х П->х 4 t
П-х2-4-П-*-х 1 t П-х 2 -г + П ->х 5 х П-х
0 1 2 х = х^П 6 С/П
404
Вывод. *^откл П6.
Пример 2. Расчет главной магнитной линзы для проекционного кине-
скопа. Исходными данными для расчета являются: размер экрана
8 X 10 см; ил =30 кВ; яркость экрана 5000 кд/м2, разрешающая спо-
собность 1000 строк.
' Задачей магнитной линзы, так же как и электростатической, является
создание в плоскости экрана изображения предмета (скрещения).
Для расчета фокусного расстояния линзы выбираем ее положение
относительно плоскости предмета и изображения (рис. 32.16). Опти-
мальное расположение линзы зависит от многих факторов: апертуры
луча, габаритных размеров трубки, качества фокусирующей линзы и
отклоняющей системы. Поэтому точное положение линзы устанавлива-
ется в процессе эксплуатации трубки.
Фокусное расстояние определяет по формуле (4.22) :
1// = l//i + 1//2,
где /j=8cm; /2 = 10 см, откуда
/= /i/2/(/i + 1г) = 8 • 10/18 = 4,44см = 44,4 мм.
Необходимая МДС определяется соотношением (4.27)
FM = lOky/RcpUjf,
где к =0,5; Rcp =25 мм; £/а =30 кВ, далее получаем
Гм = 10 • 0,5 У 25 43~ = 650 A; FM = 650 А.
Задаем число витков: w =2000 витков, получаем:
Ашт = FM/yv = 650/2000 = 0325 А.
Программа расчета МДС и тока I:
П->х 0 t П-+х 1 х х-+П 6 П-+х 3 t П-+х 2 х
П-»х 4 т F V" П->х 6 х х->П 7 С/П П->х 7
t П->х 5 4- х->П 8 С/П
Ввод:&= ПО; 10=П1; Ua =П2; Rcp =ПЗ;/=П4; w= П5.
Вывод: FM = П7; I = П8.
405
Рис. 32.16. Получение изображения с помощью магнитной линзы
Для определения диаметра провода задаемся допустимым значением
плотности тока из условия, что катушка работает без перегрева: 7ДОП ~
= 3 А/мм2.
Тогда d = V45пр/тг, где сечение провода
5П0 = Д»ит/Лгоп ~ 0,325 А/3 А/мм2 — 0,11 мм2
и
cZ= V (4  0,11)/3,14 = 0,4 мм.
Для расчета площади окна каркаса следует учитывать тип намотки
и коэффициент заполнения. Для круглого сечения провода коэффи-
циент заполнения намотки вычисляется по формуле
, _ ird2w
J** 4k (Di -Z>i) ’
где d — диаметр провода; w— число витков намотки; h — ширина кар-
каса; £)t и Di — внутренний и наружный диаметр намотки (см.
рис. 4.13).
Для шахматной намотки / = 0,8 4-0,82.
Выбираем / = ОД, a h = 20 мм.
• Высоту намотки, Н, равную £>2 ~D\, определяем из выражения
гг_п п _ nd2w _ 3,14(0,4)2-2000 _ ,,
И - D2 - Di------- =  ---------—— ---------16 мм,
4fMh 4 • 0,8 • 20
откуда Н = 8 мм.
Каркас катушки выполняют из изоляционного материала, например,
текстолита, гетинакса или пресс-порошков, магнитопровод — из магни-
томягкого материала (сталь армко).
406
Программа расчета диаметра d и высоты намотки провода Н:
П-*х 1 f 4 х П->х 2 т F	3 С/П П^х 3
F х2 П->х 2 х П^х 4 х х-»П 8 П->х 9 14
х П->х 7 х П->х 8 *>• -г х-*П а С/П
, Ввод: 5пр = П1; я - П2; w = П4; h = П7; /м = П9.
Вывод: d =/ПЗ; Н = Па.
iT'
Глава тридцать третья
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
К классу приборов тлеющего разряда относятся разнообразные при-
боры: стабилитроны, релейные и индикаторные тиратроны, сигнальные
и цифровые индикаторы, матричные индикаторы постоянного тока с
внешней адресацией и с самосканированием, матричные индикаторы
переменного тока. Характерной чертой большинства этих приборов
является то, что они содержат диодные газоразрядные промежутки,
которые в большей или меньшей степени взаимосвязаны. Проектиро-
вание приборов включает выбор конфигурации и расчет на заданные
параметры такой геометрии промежутков, при которой реализуются
заданные взаимосвязи между ними. Ограничимся расчетом геометрии
и выбором конфигурации промежутков.
Рассмотрим конструирование стабилитрона тлеющего разряда, ко-
торый и представляет собой изолированный диодный промежуток.
Решение данной задачи целесообразно разбить на следующие этапы:
уточнение требований к электрическим параметрам стабилитрона
на основании анализа типовой схемы включения;
выбор прототипной конструкции стабилитрона;
расчет основных конструктивных параметров стабилитрона, а
именно конфигурации и основных геометрических размеров, рода и
давления наполняющего газа;
уточнение технологических особенностей процесса изготовления
прибора и их влияния на конструкцию и параметры.
Поставим задачу следующим образом: разработать прибор, который
стабилизирует напряжение £/вых на нагрузке с сопротивлением, ме-
няющимся от Ramin РР Китах ПРИ изменении входного напряжения
от £/вхт(й ДО UBXtnax для схемы параметрической стабилизации, изо-
браженной на рис. 26.1.
На первом этапе уточнения требований к электрическим параметрам
стабилитрона найдем ток Icrmax и напряжение возникновения разря-
да ивтах, на которые должен рассчитываться прибор. Примем для про-
стоты Пвых =Unmin = Unmax, UBtnax =UB.
407
Рис. 33.1. Зависимость максимальнш'о тока
стабилизации от напряжения возюпиовения
разряда
Тогда из (26.4) вытекает
^сттах >
(ръхтах ~ Un)l7B
(UBXmin - ^’в)^нти
Un
&ктах
(33. 1)
Из (33.1) ВИДНО, ЧТО найти 1Схтах
можно, только определив предва-
рительно UB. При этом желательно обеспечить минимальное значение
UB, так как с увеличением UB растет 1сгтах, что приводит к увеличе-
нию габаритных размеров стабилитрона и рассеиваемой на нем мощно-
сти, т. е. к ухудшению КПД схемы. Для иллюстрации на рис. 33.1 при-
ведена расчетная зависимость Icrmax =f(.UB), построенная для UBXtnax =
— 250 В, UBxmtn = 200 В, Un = 150 В, RHmin =20 кОм, RBmax ~ 200 кОм.
Из этой кривой можно видеть, что катод стабилитрона для схемы
параметрической стабилизации должен пропускать в режиме нормаль-
ного разряда токи в десятки—сотни миллиампер. Указанное соображе-
ние позволяет перейти ко второму этапу поставленной задачи — выбору
прототипной конструкции стабилитрона. Очевидно, что для увеличения
рабочей поверхности катода при сохранении минимального общего
объема целесообразно использовать коаксиально расположенные элект-
роды, причем внешним электродом должен быть катод.
Следующий этап задачи - определение основных геометрических
размеров, рода и давления наполняющего газа проводят, исходя из
конкретно заданных исходных данных.
Пусть необходимо стабилизировать напряжение около 150 В на на-
грузке с сопротивлением RBmin = 20 кОм и RBmax ~ 250 кОм при
Usxmin =270В и UBKtnax = 350В.
Прежде всего необходимо остановиться на том или ином газовом
наполнении прибора. Желательно обеспечить минимальное значение на-
пряжения возникновения разряда UB. Согласно кривым рис. 25.8 это
имеет место для так называемой пеннинговой смеси 99,5% Ne + 0,5% Аг.
Для заданной смеси выберем наиболее подходящий материал катода,
обеспечивающий значение напряжения поддержания разряда, наиболее
близкое к заданному (7СТ. Используя (25.46) и данные табл. 25.3, най-
дем
1п(1 + 1/7) =(С/П- ^")^эф
(33.2)
408
или, подставив численные значения,
In(1 + I/?) = (150 - 16,6) • 0,037 = 4,9.
Согласно табл. 25.4 наиболее близкое значение ln(l + 1/7) дает нерас-
пыленный никель, на котором мы и остановимся в качестве материала
катода. Для него можно по формулам (25.45) и (25.46) и табл. 25.3
и 25.4 найти
UB=U' + 1п(1 + 1/т)/г1тах = 16,6+ 4,5/0,029 = 172 В;
Un = U" + In (1 + 1/7)Мэф = 16,6 + 4,5/0,037 = 138 В.
Таким образом, разность заданного ивых и реального Е/п здесь соста-
вит 12 В, т. е. около 8%.
Рассмотрим теперь возможность подбора Ucr более точно путем вы-
бора другого газового наполнения. Если в качестве такового взять чи-
стый неон, то из (33.2) получим
In(1 + 1/7) = (150 - 16,6) • 0,022 = 2,93,
что близко к 3,05 для нераспыленного никеля. Тогда по (25.45) и
(25.46) и табл. 25.3, 25.4 получим
UB= 21,5 + 3,05/0,015 = 224 В; Un =16,6 + 3,05/0,022 = 155 В.
В этом случае разность заданного £/вых и реального Un составляет все-
го 5 В, т. е. 3%.
Найдем значения 1СТтах для этих двух случаев. При газовом напол-
нении 99,5% Ne + 0,5% Аг: (350) - (138)172/(270 - 172) • 20 • 103-
— 138/250  103 = 18 мА. При газовом наполнении Ne: (350 — 155) X
X 224/(270 - 224) • 20 • 103 - 155/250 • 103 = 47,8 мА. Отсюда выте-
кает, что использование чистого неона вместо неоно-аргоновой смеси
позволяет получить более точное значение Ucr, однако при этом катод
должен выдерживать заметно большие токи. Потери мощности в ста-
билитроне для неоно-аргоновой смеси составляют 138 В • 18 мА = 2,5 Вт,
а для чистого неона - 155 В -47,8 мА = 7,4 Вт, т. е. в 3 раза больше.
После выбора рода газа можно перейти к определению его давления,
размеров катода и расстояния между катодом и анодом. При этом це-
лесообразно исходить из стандартных размеров баллонов. Если исхо-
дить из выполнения стабилитрона в миниатюрном исполнении, т. е.
в баллоне диаметром 20 мм, то диаметр катода DK можно взять рав-
ным 15 мм, а его высоту Нк =40 мм. Соответственно площадь катода
5К = ttDkHk = 3,14 • 0,015 • 0,04 = 1,88 • 10’3 м2	(33.3)
и для наших конкретных данных
5К = 3,14 • 0,015 • 0,04 м2 = 1,88 • 10'3 м2.
409
Отсюда можно рассчитать требуемую плотность тока как
Лс.н = 1схтах1$к.>	(33.4)
что дает для неоно-аргоновой смеси
/К)н = 18 • Ю’3 А/1,88 • IO'3 м2 = 9,5 А/м2
и для чистого неона
JKtH = 47 • 10’3 А/1,88 • 1СГ3 м2 = 25 А/м2.
Воспользовавшись (25.42), найдем
Ро — у/ Ас,н/Ас,нО ~ у/ Icimaxl‘nDKHKjK,nQ,	(33.5)
Тогда согласно данным табл. 25.3 получим для неоно-аргоновой смеси
Ро = V9,5/0,56 • 1(ГЙ = 4,1 кПа
и для чистого неона
Ро = V 25/1,13  10’6 = 4,7 кПа.
Таким образом, давления наполняющего газа в обоих случаях оказы-
ваются близкими. Диаметр анода может быть выбран исходя из того,
что расстояние между электродами должно соответствовать миниму-
му кривой Пашена. Воспользовавшись (26.6), получим
^а,к = U-aminl (Е/Рй)тахРа •	(33.6)
Тогда для смеси неона с аргоном по данным табл. 25.3
Ол,к = 172/18,7  4100 = 2,24 • 10’3 м = 2,24 мм
и для чистого неона
Da,K = 224/75 • 4700 = 0,63 • 10'3 м = 0,63 мм.
Однако на практике использовать столь малые зазоры и соответ-
ственно большие диаметры катода неудобно. Почти то же напряжение
возникновения разряда UB достигается, если приварить к цилиндриче-
скому аноду малого диаметра отрезок проволоки, направленный по
радаусу к катоду таким образом, чтобы был обеспечен рассчитанный
выше зазор. Начальное возникновение разряда происходит в этой обла-
сти, затем заряженные частицы диффундируют во все стороны, обе-
спечивая понижение напряжения возникновения разряда и распростра-
нение разряда на остальные участки катода.
Типичная конструкция такого стабилитрона показана на рис. 33.2.
Цилиндрический никелевый катод К укрепляется между слюдяными
пластинами Cj иС2. Внутри катода виден анод А с приваренным про-
волочным поджигателем П. На ножку прибора надет керамический
410
Рис. 33.2. Конструкция стабилитрона тлеющего разряда
диск КД, который предотвращает распростра-
нение разряда с рабочей части поверхности ка-
тода на выводы ножки. Важным элементом
конструкции является газопоглотитель Г. Кап-
сула с порошком газопоглотителя после прове-
дения всех основных операций обезгажива-
ния и откачки нагревается индукционно тока-
ми ВЧ. Частицы распыленного газопоглотите-
ля оседают на стекло, образуя поверхность,
активно связывающую неинертные примеси в составе газового на-
полнения. Роль газопоглотителя особенно важна в рассмотренном
нами примере, где в качестве катода использован нераспыленный ни-
кель. Если катодом является распыляемый молибден, то образован-
ный на стенках налет эффективно выполняет функции газопоглотите-
ля, кроме того, происходит очистка неинертных примесей во время
пролета частиц молибдена к стенкам. В таких приборах часто отказы-
ваются от специального газопоглотителя.
Двойная слюда С2 в верхней части прибора надежно защищает внут-
реннюю поверхность катода от попадания бария; последнее нежела-
тельно, так как работа выхода таких участков катода, а также напря-
жение поддержания разряда на них снижается.
Расстояние £>а>к выбирается таким образом, чтобы не возникало
анодное падение напряжения в разряде, так как в противном случае
Un * 17к,н.
От выбранного материала катода существенно зависит стабиль-
ность прибора. Наилучшим с этой точки зрения является молибден,
однако он требует тщательного подбора режима тренировки и, кроме
того, его труднее обрабатывать, чем никель.
Программа расчета UB, U„, /ст на микрокалькуляторе МК56:
П-*х	1	t	П-*х Orf П-*х	3 + х-*П 9 П-*х 1 t
П->х	2	-5-	t П->х 4 + х-*П	а П->х 6 t П->х а - t
П-*х	9	х	х-*П 6 П-*х 5 t	П-*х 9 — t П^х 7 х
F 1/х t П-*х в х х-*П с П-*х a t П-*х 8 4- t
П^х с —1 — 1 х->П d С/П
Ввод: цтах = ПО; 1п(1 + 1/у) =П1; т?эф =П2; U' =ПЗ; U" =П4;
UBxmin =П5; UBxmax —П6; RHmin ~П7; RHmax ~П8.
Вывод: UB = П9; Un = Па; ZCT = ПЛ.
411
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П1. Данные удельной тепловой нагрузки на баллон
и максимальной его температуры для различных вариантов
стеклянных ламп
Тип лампы
Параметр лампы	--------------------
	Малогаба- ритная	Миниатюр- ная	Сверхминиа- тюрная
Диаметр баллона, мм	28,5	19	10
Поверхность баллона, см2	67,7	26,5	11
Максимальная мощность, выделяе- мая в лампе, Вт	18,7	16,8	7,8
Максимальная удельная мощность нагрева баллона, Вт/см2	0,28	0,63	0,70
Максимальная температура бал- лона, С	160	255	280
Таблица П2. Наиболее распространенные типы газопоглотителей
Тип погло- тителя	Форма при- менения	Вид обра- ботки в лампе	о Температура, С		
			при обезга- живании	при распы- лении	рабочая
Барий	Трубки Куба, Нибн, Феба	Распыление	600-700	900-1300	200
Сплавы	Таблетки		600-700	900-1300	200
Баталум	Паста нз карбо- натов н на тан- таловой ленте или проволоч- ной спирали, прокаливае- мой током	Обезгажи- вание н рас- пыление	800-1000	1200-1300	200
Бериллат- ный	Паста нз бе- риллата ба- рия на тан- таловой лен- те (лодоч- ке) , прока- ливаемой ТОКОМ	То же	900-1000	1300	200
Бати	Таблетки или паста	п п	800-900	980-1100	200	<
Баю	Таблетки в никелевых капсулах	Распыле- ние	—	800-900	200
412
Таблица ПЗ. Функция |32 и функции, связанные с ней
га х= — '’к	|32(х)	х02 (х)	га х = 	 'к	|32 (X)	Х&2 (X)
1,00	1	0	3,4	0,5851	1,9899
1,10	0,00842	0,0026	3,6	0,6148	2,2133
1,15	0,0175	0,0201	3,8	0,6420	2,4396
1,2	0,02875	0,0345	4,0	0,6671	2,6684
1,3	0,0559	0,0727	4,2	0,6902	2,8988
1,4	0,0867	0,1214	4,4	0,7115	3,1306
1,5	0,1193	0,1790	4,6	0,7313	3,3640
1,6	0,1525	0,2440	4,8	0,7496	35981
1,7	0,1854	0,3152	5,0	0,7666	3,8330
1,8	0,2177	0,3919	5,2	0,7825	4,0690
1,9	0,2491	0,4733	5,4	0,7973	4,3054
2,0	0,2793	0,5586	5,6	0,8111	45422
2,1	0,3083	0,6474	5,8	0,8241	4,7798
2,2	0,3361	0,7394	6,0	0,8362 .	5,0172
2,3	0,3626	0,8340	65	0,8635	5,6128
2,4	0,3879	0,9310	7,0	0,8870	6,2090
25	0,4121	1,030	7,5	0,9074	6,8055
2,6	0,4351	1,131	8,0	0,9253	7,4024
2,7	0,4571	1,234	85	0,9410	7,9985
2,8	0,4780	1,338	9,0	0,9548	8,5932
	0,4980	1,444	95	0,9672	9,1884
3,0	0,5170	1,551	10,0	0,9782	9,7820
3,2	0,5526	1,7683			
Таблица П4. Функции Д и Т
а	Д	Т	а	Д	т
0,001		0,9172	0,050	0,00196	0,2956
0,002	—	0,8069	0,060	0,00282	0,2670
0,03	—	0,7424	0,070	0,00383	0,2430
0,004	0,00001	0,6966	0,080	0,00500	0,2223
0,005	0,00002	0,6611	0,090	0,00632	0,2042 ;
0,006	0,00003	0,6321	0,10	0,00779	0,18817
0,008	0,00005	05863	0,11	0,00941	0,17381
0,010	0,00008	0,5508	0,12	0,01118	0,16084
0,015	0,00018	0,4863	0,13	0,01309	0,14905
0,020	0,00031	0,4406	0,14	0,01515	0,13828
0,025	0,00049	0,4052	0,15	0,01735	0,12839
0,030	0,00071	0,3762	0,16	0,01969	0,11929
0,035	0,00096	0,3518	0,17	0,02217	0,11087
0,040	0,00126	0,3307	0,18	0,02479	0,10307
0,045	0,00159	0,3123	0,19	0,02751	0,09582
413
Продолжение табл. П4
а	д	Т	а	д	Т
0,20	0,03042	0,08908	0,49	0,1575	0,007062
0,21	0,03342	0,08280	0,50	0,1629	0,006293
0,22	0,03656	0,07694	0,51	0,1683	0,005591
0,23	0,03952	0,07147	0,52	0,1738	0,004952
0,24	0,04319	0,06636	0,53	0,1793	0,004371
0,25	0,04664	0,06156	0,54	0,1848	0,003845
0,26	0,05030	0,05711	0,55	0,1903	0,003369
0,27	0,05402	0,05292	0,56	0,1959	0,002941
0,28	0,05785	0,04900	0,57	0,2015	0,002557
0,29	0,06178	0,04534	0,58	0,2071	0,002214
0,30	0,06581	0,04190	0,59	0,2127	0,0019073
0,31	0,06995	0,03869	0,60	0,2183	0,0016354
0,32	0,07418	0,03568	0,61	0,2239	0,0013951
0,33	0,07850	0,03287	0,62	0,2296	0,0011837
0,34	0,08291	0,03025	0,63	0,2352	0,0009985
0,35	0,08741	0,02780	0,64	0,2409	0,0008371
0,36	0,09199	0,02551	0,65	0,2466	0,0006972
0,37	0,09664	0,02337	0,66	0,2622	0,0005767
0,38	0,10137	0,02158	0,67	0,2579	0,0004735
0,39	0,1062	0,019528	0,68	0,2636	0,0003856
0,40	0,1111	0,017806	0,69	0,2692	0,0003114
0,41	0,1160	0,016206	0,70	0,2749	0,0002490
0,42	0,1210	0,014722	0,71	0,2806	0,00019702
0,43	0,1261	0,013346	0,72	0,2862	0,00015392
0,44	0,1312	0,012074	0,73	0,2919	0,00011845
0,45	0,1363	0,010899	0,74	0,2975	0,00008942
0,46	0,1416	0,009816	0,75	0,3031	0,00006573
0,47	0,1468	0,008818	0,76	0,3087	0,00004643
0,48	0,1521	0,007902			
Таблица П5. Коэффициенты для расчета поля тороидальных катушек
z = A R	“1		bi	
	5 = 0,1	8 = 0,2	8 = 0,1	8=0,2
0,2	2,185	—	1,175	—
0,3	2,160	—	1,180	—
0,4	2,017	—	1,222	—
0,6	2,003	—	1,304	—
0,8	2,021	1,397	1,370	0,776
1,0	2,053	1,404	1,433	0,806
1,2	—	1,405	—	0,823
1,4	—	1,407	—	0,837
414
Продолжение табл. П5
/ = Л R	<zi	Z>1 5 = 0,1	5 = 0,2	5 = 0,1	5=0,2
1,6 1,8 2,0	1,420	-	0,849 1,414	-	0,860 1,418	-	0,969
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Бонштедт Б. Э., Маркович М. Г. Фокусировка и отклонение пучков в элект-
ронно-лучевых приборах. М.: Сов. радио, 1967.
2.	Жигарев А. А., Мамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные при-
боры. М.: Высшая школа, 1982.
3.	Каганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.
4.	Кацман Ю. А. Электронные лампы. М.: Высшая школа, 1979.
5.	Кациельсов Б. В., Калугин А. М., Ларионов А. С. Электровакуумные элект-
ронные и газоразрядные приборы / Под общ. ред. А. С. Ларионова. М.: Радио и
связь, 1985.
6.	Кациельсои Б. В., Ларионов А, С. Отечественные приемно-усилительные лам-
пы и их зарубежные аналоги. М.: Энергоиздат, 1981.
7.	Соболева Н. А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая шко-
ла, 1974.
8.	Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. М.: Энергия,
1967.
9.	Яблонский Ф. М. Газоразрядные приборы для отображения информации.
М.: Энергия, 1979.
10.	Лисогурская Г. В. Методическая разработка по курсовому проектирова-
нию по курсу "Электровакуумные приборы и основы их проектирования”, 2-е
изд., перераб. и доп. Л.: Ленинградский радиополитехникум, 1980.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Аберрация 63, 64,199
Автоэлектронная эмиссия 31
Аквадаг 210,217,227
Активирование катода 38
Ампера формула 63
Анод 5, 66, 115, 370, 371, 384, 385
Астигматизм 64
Б
Бандаж 217
Барьер потенциальный 21, 23
В
Вакуумная интегральная схема (ВИС)
132,133
Вапотрон 117
Вариант вакуумной интегральной схе-
мы планарный 132
Ввод 68
Вентиль ртутный 357
Видикон 185,247,254,257
Выход квантовый 27
Газопоглотитель 68, 69, 348, 371
Газотрон 7, 347, 348
Гексод 107
Геля закон 293
Генератор шума эквивалентный 126
Гептод 107
Гетеродин 107
Графекон 185
Д
Декатрон 302,328-330
Динод 164,170,171
Диод 7, 72, 73
-	шумовой 125
Дискриминатор амплитудный 180
Диссектор 185, 247, 249, 250
Дисторсия 64
Диффузия двуполярная 287
Долговечность катода 34
-	электронной лампы 130
416
Е
Емкость междузлектродная 94, 95
3
Закон преломления 49, 50
- степени трех вторых 85-87,100-102
Зона проводимости 16,17
И
Игнитрон 359, 362
Индикатор газоразрядный 320
-	дискретный 328
-	знаковый 321, 323, 325
-	знакомоделирующий 321, 322
-	матричный 407
-	сигнальный 320
-	цифровой 407
-	шкальный 326, 327, 330
Инерционность передающей трубки 248
Инжектрон 122
Интегральный спектр амплитуд 179
Интервал запрещенный 16
Источник излучения типа А 140
К
Катод 5, 23
-	вольфрамовый 35
-	гексаборидный 43
-	генераторной лампы 115
-	идеальный 372
-	металлогубчатый 39
-	металле капиллярный 41
-	металлокерамический 43
—	металлопористый 42, 45
-	оксидно-ториевый 40, 42
-оксидный 37,39,46,187
-	плазменный 310, 318
-	пленочный 36, 37
-	подогревный 44
-	пропитанный 42
-	прямонакальный 44, 45, 129
-	синтерированный 39,121
Катодная камера 165
Катодное пятно 274, 358, 361
Катодолюминесценция 202
Квантовое число главное 13,14
Квантовый выход 145,146, 148
Квантоскоп 228, 229
Кенотрон 81
Керн 37, 44, 47
Кинескоп 6,184,190,192, 216
-	катодолюминесцентный 227
-	лазерный 223
-	проекционный 205
-	с повышенной разрешающей способ-
ностью 225
-	с теневой маской и точечным экра-
ном 218
-	с самосведением 224
-	с щелевой маской и планарной ЭОС
222,223
Кольцо охранное 156, 161
Контрастность 209
Коэффициент вторичной эмиссии 29,
30, 236
- двойного управления 107
- депрессии 125
- диффузии 287
- заполнения сетки 91,384
- ионизации 290, 293, 295, 297, 301
- использования анодного напряжения
109,112
--потока излучения 141
- качества катода 191
- обобщенный 7 282-284
- объемной ионизации 279, 282
- полезного действия электронной
лампы 109-111
Коэффициент преобразования потока
излучения 263
--ЭОП 265
-	сохранения контраста 263, 264
-	токораспределения 89, 90, 91,127
-	усиления 112,113
-широкополосное™ 105
Кремни ко н 258
Крутизна анодной характеристик 79,
80
-	анодно-сеточной характеристики 127,
129
-	характеристик пентода 104
Л
Лагранжа-Гельмгольца теорема 186
Лампа многоэлектродная 97, 102,106
- с удлиненной характеристикой 105
-стержневая 131,132
-	усилительная широкополосная 105
-	электрометрическая 128
-	электронная 65
Линза-диафрагма 55
Линза иммерсионная 57, 187,189, 265
-	магнитная 58, 60
-	одиночная 56
-	электростатическая 55, 132
Линия критического режима 113
Люмен 138
Люминофор 202, 204-208
М
Маска цветоделительная 218
-	щелевидная теневая 223
Метод ломаной 388
-	радиуса кривизны 388,389
Механотрон 133,134
Микро канальная пластина (МКП) 172,
173, 214, 269
Мишень 184, 237, 214, 255, 259
Модулятор 187
-	импульсный 119,120, 355
Модуляция катодная 191
Н
Нагрузка катода 193
Нагрузочная прямая 81,96
Надежность лампы 130
Напряжение анода 70
-	возникновения самостоятельного
разряда 273
-	действующее анода 85, 86
-запирания 83,88
-запирающее 190, 191
-	модуляции 190
-	пробоя разрядника 365
-	сетки 70
Неоновая лампа 320
Ножка 68
Нувистор 130, 131
О
Объектив иммерсионный 57, 187
Олендорфа формула 384
Оптическая сил а линзы 61
Отклоняющая система 184,194, 214,
219,392-394
П
Паули принцип 14
Пашена закон 290
- кривые 288, 290, 291
417
Пеннинга ионизация 281
- эффект 295
Пеннинговая смесь 306 , 311
Пентод 72, 100, 131
Первеанс лампы 77
Плавни 205
Планка постоянная 12
Пластина отклоняющая 391
Плюмбикон 257, 258
Подвижность ионов 287
- электронов 285,287
Подогреватель 46,47
Поккельса эффект 230
Порог фотоэффекта длинноволновый
26
— чувствительности фотоэлектронного
прибора 144
Потенциал критический 234
- экрана предельный 204
Потенциалоноситель 232
Потенциалоскоп 185, 231, 241—243
Потенциальный рельеф 237, 241, 245
Поток излучения монохроматический
136,137,141
- пороговый 144
- - ФЭУ 177, 179
--фотоэлемента 161, 163
--ЭОП 264
-световой 138
Предел разрешения 263, 265, 266
Прибор вентильный 347
—	импульсный 275
-	несамостоятельного дугового разря-
да 275
-	самостоятельного дугового разряда
275
-	тлеющего разряда 275, 282, 319
-	электровакуумный 5, 6
-	электронно-лучевой 6, 184
Применение триодов 97
Проводимость 18,19
‘ Прожектор электронный 184-187, 255
Проницаемость сетки 86
Пуассона уравнение 76, 294
Р
Работа выхода ,21, 22, 28,145
Разрешающая способность 209, 248, 264
Разряд дуговой 274, 275, 297, 298
- коронный 306
- несамостоятельный 274, 288
- рамочный 335, 336
- самостоятельный 273, 288, 289, 293
- сеточный подготовительный 336
418
-	сканирующий 339, 340
-	таунсендовский 273, 274
-	тцеющий 273, 292
Разрядник 364
Расстояние фокусное 56,58
Растр 230
Расчет главной проекционной линзы
401
-	иммерсионного объектива 396
-	катода 371, 374, 376
-	модуляционной характеристики 398
-	подогревателей 377
-	электростатической отклоняющей си-
стемы 403
Режим быстрых электронов 234, 235
-	возврата электронов 98, 103, 112
-	диода рабочий 80
-	критический 113
-	линейного усиления 110
-	медленных электронов 234, 235
-	насыщения диода 74
-	объемного заряда 75
-	прямого перехвата 90, 91, 103, 112
-	работы генератора 112,113
-	с регенерацией изображения 335
-	электронной лампы 70
Рекомбинация 18, 281
Ричардсона-Дэшмана прямая 25
-	уравнение 24
С
Самосканирование 331
Сетка 65, 82, 85, 370
-	генераторной лампы 117
-	защитная 100
-	катодная 129
-	экранирующая 98
Система’’бегущий луч” 251
-	магнитная 391
-	электродов электронных ламп 370
Скиатрон 207, 216, 230
Скорость записи 210
-	счета импульсов 183
-	фотозаписи 210
Скотофор 216
Скрещение 186
Собственное амплитудное разрешение
179, 180	,
Соударение неупругое 276
- упругое 276, 278
Среднеквадратическое значение шумо-
вого напряжения 124,162
-----тока 124	.;
Стабилитрон 407,408
- коронного разряда 307, 308
-	тлеющего разряда 302, 303, 305,
407,411
Старение фотокатода 147
-	фотоэлемента 160
Стефана-Больцмана закон 71
-	постоянная 34, 71
-	уравнение 34
Столетова закон 26
Стример 300
Суперкремникон 259
Суперортикон 185, 247, 252-254
Т
Телепроектор 228, 229
Температура катода рабочая 34
Термокатод 32, 284
Тетрод 72, 98, 99
Тиратрон 7, 351, 352, 354
Ток анодный 70
- импульсный максимальный 119
-катодный 70
— сетки 127,128
- темновой 143
—	фотоэлектронного умножителя
175
---фотоэлемента 160
-	триода 89
-	управляющей сетки обратный 114
—	эмиссии катода 114
Траверза 65,117
Тренировка катода 39,312
Треугольник характеристический 94
Триада 218, 220, 223
Триод 7, 65, 72, 82
Трубка запоминающая с видимым изо-
бражением 243
-индикаторная 184,215
- осциллографическая 184,210,211,
213,215
-	приемная 184,215
-	проекционная 226
-	с послеускорением электронов 211
-	с радиальным отклонением 212
-телевизионная 247,248,251
У
Угол отклонения 199
-	отсечки ПО, 111
Удар второго рода 281
-	первого рода 281
Умножитель вторично-электронный
165
-	фотоэлектронный 6
Умножительная система 165
--на дискретных динодах 169
--распределенных динодах 171,
172
Уравнение триода внутреннее 94
Уровень возбужденный 16
-	метастабильный 280
-	свободный 18
-	энергетический 14,15
Усиление газовое 272
-	каскадное 266
Устройство светоклапанное 229, 230
Утомление фотокатода 147
-	фотоэлемента 160
Ф
Фаулера-Нордгейма формула 31
Ферми-Дирака условие 24
-	уровень (энергия) 19, 20
Фликкер-эффект 125, 126
Флуктуация 124
Фотокатод 145-154
Фотон 14
Фотопрнемник 138
Фотоэлектронный умножитель 164,173
Фотоэлемент 6, 155
Фотоэффект 311
-	внешний 26
X
Характеристика анодная 75, 78, 81
-	вольт-амперная диодная газонапол-
ненного промежутка 272, 273
--коронного разряда 307, 308
--положительной короны 301
--фотоэлемента 157
—	электрического разряда в газе
274
-	зонная 174
-	катода накальная 35
--эмиссионная 34, 35
-	многоэлектродной лампы анодная
102, 103
-	модуляционная 190
-	перезарядная 343-345
-	световая 143
-	спектральная 139
-	тетрода анодная 98, 103
-	триода анодная 27, 113
--анодно-сеточная 87,88,95,96
--статическая 87, 89
Характеристика трубки световая 248
-- спектральная 248
-	фотоэлемента частотная 153
-	ФЭУ анодная 175
419
ч
Частота пороговая 26
Чувствительность световая 142
-	трубки к отклонению 197, 199
-	фотокатода 146, 149
—	фотоприемника интегральная 139,
140
-	фотоэлектронного умножителя анод-
ная 174, 175
-	фотоэмиттера 26
Ш
Шоттки эффект 25, 79, 157, 299, 350
Штриховая мира 263
Шум 124, 125, 144
Э
Экзитрон 359,360
Экономичность лампы 130
Экран 45,184, 202, 203, 207, 371
Электрод пленочный 132
-послеускорения 211
-	ускоряющий 57, 189
Электрон 9
Электронно-оптический преобразова-
тель 6,185, 260
Электропроводность 17
Эмиссия термоэлектронная 23, 28, 30
Эмиттер 23
Энергетическое разрешение 179
Эиштейна закон 27, 28
Эффект динатронный 99
-дробовой 125
-	мерцания 125
-	островковый 83, 89
Эффективность каскада усиления 166
-	катода 34
Я
Яркость свечения экрана 202
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.....................................................  •
Введение............................................................
В.1. Общие сведения об электровакуумных приборах...................... 5
В.2. Краткие сведения по истории развития электровакуумных приборов. ...	7
Часть первая. Основы электронной теории..............................  9
Глава первая. Общие сведения об электронах............................ 9
1.1.	Электроны в атоме..........................................   9
1.2.	Электроны в электрическом поле.............................. 11
1.3.	Основные понятия квантовой теории.........................   12
1.4.	Диаграмма энергетических уровней атома...................... 15
1.5.	Энергетические состояния электронов в твердом теле. Электропро-
водность полупроводников......................................... 16
1.6.	Работа выхода электронов.................................... 19
Глава вторая. Электронная эмиссия...................................
2.1.	Виды электронной эмиссии...................................
2.2.	Термоэлектронная эмиссия...................................
2.3.	Влияние внешнего электрического поля на термоэлектронную эмис-
сию ............................................................
2.4.	Фотоэлектронная эмиссия....................................
2.5. Вторичная электронная эмиссия  ............................ 28
2.6. Электростатическая эмиссия................................. 31
Глава третья. Термоэлектронные катоды электровакуумных приборов.... 32
3.1.	Классификация термоэлектронных катодов.............’....... 32
3.2.	Параметры и характеристики термокатодов.................... 33
3.3.	Вольфрамовые катоды........................................ 35
3.4.	Пленочные катоды........................................... 36
3.5.	Оксидные катоды............................................ 37
3.6.	Специальные типы эффективных катодов....................... 41
3.7.	Конструкции катодов.....................................  •	44
Глава четвертая. Элементы электронной оптики........................ 48
4.1.	Основные понятия электронной оптики........................ 48
4.2.	Движение электрона в однородном электрическом поле......... 51
4.3.	Движение электрона в однородном магнитном поле............. 53
4.4.	Электронные линзы.......................................... 55
Часть вторая. Электронные лампы..................................... 65
Глава пятая. Общие сведения об электронных лампах..................  65
5.1.	Назначение электронных ламп................................ 65
5.2.	Устройство электронных ламп................................ 55
5.3.	Электрические цепи н режимы работы электронных ламп........ 59
5.4.	Тепловой режим анодов...................................... 70
5.5.	Классификация электронных ламп	. .......................... 71
421
Глава шестая. Двухэлектродные лампы.................................. 73
6.1.	Физические процессы в диоде................................ 73
6.2.	Статические характеристики и параметры диода............... 75
6.3.	Работа диода с нагрузкой..................................  80
Глава седьмая. Трехэлектродные лампы. ............................... 82
7.1.	Физические процессы в триоде............................... 82
7.2.	Статические характеристики и параметры триода............... 87
7.3.	Рабочий режим триода....................................... 95
Глава восьмая. Многоэлектродные лампы................................ 97
8.1.	Физические процессы в тетродах и пентодах.................. 97
8.2.	Статические характеристики и параметры многоэлектродных ламп Ю2
8.3.	Особенности многоэлектродных ламп различного назначения....105
Глава девятая. Генераторные и модуляторные лампы.....................108
9.1.	Особенности работы генераторных ламп....................... 108
9.2.	Режимы использования генераторных ламп..................... 109
9.3.	Характеристики и дополнительные параметры генераторных и моду-
ляторных ламп................................................... 112
9.4.	Конструктивные особенности генераторных и модуляторных ламп 115
9.5.	Мощные импульсные лампы.....................................118
Глава десятая. Специальные лампы.....................................124
10.1.	Лампы с низким уровнем шума и шумовые диоды.................124
10.2.	Электрометрические лампы....................................127
10.3.	Электронные лампы повышенной надежности, долговечности и эко-
номичности ..................................................... 129
10.4.	Механотроны.................................................133
Часть третья. Электровакуумные фотоэлектронные приборы...............136
Глава одиннадцатая. Общие сведения об электровакуумных фотоэлектрон-
ных приборах.........................................................136
11.1.	Оптический диапазон спектра электромагнитного излучения. Ос-
новные энергетические и световые величины........................136
11.2.	Назначение приемников излучения и их классификация..........138
11.3.	Понятие о параметрах и характеристиках электровакуумных фото-
электронных приборов.............................................139
Глава двенадцатая. Фотокатоды........................................145
12.1.	Основные параметры и характеристики фотокатодов.............145
12.2.	Типы фотокатодов............................................147
12.3.	Современные фотокатоды,.....................................149
Глава тринадцатая. Фотоэлементы......................................155
13.1.	Назначение и устройство фотоэлементов......................155
13.2.	Характеристики и параметры фотоэлементов...................157
'Глава четырнадцатая. Фотоэлектронные умножители...................  164
14.1.	Устройство и принцип работы фотоэлектронного умножителя ..... 164
14.2.	Эффективные эмиттеры вторичных электронов...................166
14.3.	Конструкция катодных камер и умножительных систем..........168
14.4.	Характеристики и параметры ФЭУ..............................174
14.5.	Импульсные параметры ФЭУ....................................179
Часть четвертая. Электронно-лучевые приборы..........................184
Глава пятнадцатая. Общая характеристика электронно-лучевых приборов 184
15.1. Сведения об устройстве электронно-лучевых приборов..........184
15.2. Классификация ЭЛП.........................................  184
Глава шестнадцатая. Электронные прожекторы...........................185
16.1.	Обцдае требования к электронным прожекторам.................185
16.2.	Формирование пучка в электронном прожекторе................185
422
16.3.	Типы электронных прожекторов................................187
16.4.	Параметры и характеристики электронных прожекторов..........190
16.5.	Нагрузка катода.............................................
Глава семнадцатая. Отклоняющие системы...............................I"4
17.1.	Электростатическое отклонение луча..........................194
17.2.	Магнитное отклонение луча...................................197
17.3.	Искажения при отклонении................................... 199
Глава восемнадцатая. Экраны электронно-лучевых трубок................202
18.1.	Параметры и характеристики люминофоров......................202
18.2.	Люминофоры и их типы........................................204
18.3.	Основные типы люминесцентных экранов........................205
Глава девятнадцатая. Приемные электронно-лучевые трубки..............209
19.1.	Общие сведения о приемных ЭЛТ...............................209
19.2.	Осциллографические ЭЛТ......................................210
19.3.	Индикаторные ЭЛТ............................................215
19.4.	Кинескопы черно-белого телевидения..........................216
19.5.	Кинескопы цветного телевидения..............................218
Глава двадцатая. Проекционные ЭЛТ и системы..........................226
Глава двадцать первая. Запоминающие электронно-лучевые трубки........231
21.1.	Назначение и основные циклы работы..........................231
21.2.	Поведение диэлектрической поверхности при воздействии на нее
пучка электронов..................................................232
21.3.	Способы записи и считывания потенциального рельефа..........237
21.4.	Потенциалоскоп с барьерной сеткой.........................  241
21.5.	Запоминающая трубка с видимым изображением..................243
Глава двадцать вторая. Передающие телевизионные трубки...............247
22.1.	Общие сведения о передающих трубках.........................247
22.2.	Передающие трубки мгновенного действия......................248
22.3.	Передающие телевизионные трубки с накоплением заряда........251
Глава двадцать третья. Электронно-оптические преобразователи.........260
23.1.	Назначение, Принцип работы и основные параметры электронно-
оптических преобразователей.......................................260
23.2.	Однокамерные ЭОП...........................................264
23.3.	Методы усиления яркости изображения........................265
Часть пятая. Ионные приборы..........................................272
Глава двадцать четвертая. Общие сведения об ионных приборах..........272
24.1. Вольт-амперная характеристика электрического разряда и особен-
ности включения ионных приборов................;.............272
24.2.	Классификация ионных приборов..............................274
Глава двадцать пятая. Основные физические процессы в ионных прибо-
рах .................................................................276
25.1.	Элементарные процессы взаимодействия между частицами в разряде 276
25.2.	Основные виды эмиссии в условиях газового разряда..........282
25.3.	Закономерности движения заряженных частиц в газе...........284
25.4.	Возникновение самостоятельного разряда. Кривые Пашена......288
25.5.	Основные свойства и характеристики тлеющего разряда........291
25.6.	Дуговой разряд.............................................297
25.7.	Искровой и коронный разряды . . :..........................299
Глава двадцать шестая. Приборы тлеющего разряда для стабилизации напря-
жений и обработки электрических сигналов.............................302
26.1.	Классификация приборов тлеющего разряда....................302
26.2.	Стабилитроны тлеющего и коронного разряда..................303
26.3.	Релейные и индикаторные тиратроны тлеющего разряда.......  308
423
Глава двадцать седьмая. Индикаторные приборы тлеющего разряда........319
27.1.	Обшие свойства и классификация..............................319
27.2.	Сигнальные индикаторы.......................................320
27.3.	Знаковые индикаторы.........................................321
27.4.	Шкальные индикаторы.......................................  326
27.5.	Газоразрядные матричные индикаторы?.......................  331
Глава двадцать восьмая. Вентильные и импульсные приборы несамостоятель-
ного дугового разряда................................................347
28.1.	Классификация...............................................347
28.2.	Газотроны...................................................347
28.3.	Тиратроны...................................................351
Глава двадцать девятая. Вентильные приборы дугового самостоятельного
разряда..............................................................357
29.1. Общие свойства ртутных вентилей...............................'
29.2. Игнитроны...................................................362
Глава тридцатая. Разрядники..............................'...........364
30.1.	Общие сведения, классификация...............................364
30.2.	Параметры и характеристики..................................365
30.3.	Типы разрядников............................................367
Часть шестая. Основы конструирования электровакуумных приборов......369
Глава тридцать первая. Основы конструирования электронных ламп.......369
31.1.	Обшие сведения о конструировании электронных ламп...........369
31.2.	Расчет катодов............................................  371
31.3.	Определение расстояний между электродами....................381
31.4.	Расчет анодов с естественным охлаждением....................384
Глава тридцать вторая. Основы конструирования элементов электронно-
лучевых приборов.....................................................386
32.1.	Обшие сведения..............................................386
32.2.	Методы моделирования электрических полей электронно-оптиче-
ских систем, i....................................................386
32.3.	Методы расчета и построения электронных траекторий..........388
32.4.	Конструкции и расчет отклоняющих систем...................  390
32.5.	Примеры расчета отдельных узлов ЭЛТ.........................396
Глава тридцать третья. Основы конструирования приборов тлеющего раз-
ряда ............................,.................................. 407
Приложение...........................................................412
Список литературы....................................................415
Предметный указатель.................................................416