Каталог :: Физика

Реферат: Вакуумные приборы

     1.                Вакуумный диод.
Вакуумный диод состоит из катода К в виде тонкой прямой нити и анода А, часто
представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр (рис 1.1). Катод и анод
впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум.
При неизменном токе накала, т.е. при неизменной температуре катода, сила
анодного тока зависит от анодного напряжения. При постепенном повышении
анодного напряжения сила анодного тока Iа растет (рис. 1.2) до определенного
значения Iн, после чего она оста­ется неизменной, несмотря на дальнейшее
увеличение анодного напря­жения.
     Наибольший ток, возможный при данной температуре катода, называют
током насыщения.
График (рис. 1.2) называют вольтамперной характеристикой диода.
     Пояснение к графику. При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из
катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд,
называемый электронным облаком, кото­рый отталкивает вылетающие из
катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному
числу электронов удается долететь до анода; по­этому при  = 0 сила
анодного тока  немногим больше нуля. Для того чтобы Iа = 0,
нужно приложить к аноду небольшое отрицательное на­пряжение. Поэтому
вольт-амперная характеристи­ка диода начинается немного левее начала
ко­ординат.
С увеличением положительного анодного напря­жения увеличивается число
электронов, переноси­мых на анод, и электронное облако около катода
постепенно уменьшается. Когда оно полностью исчезает, т. е. когда все
термоэлектроны, вылетающие из катода, достигают анода, сила анодного тока
перестает расти и он становится током насыщения.
Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число
электронов, вылетающих за 1 с. из катода, т. е. нужно повысить температуру
катода, усилив ток накала. На рис. 1.3 приведены вольт-амперные характеристики
диода при различных тем­пературах катода, причем T1 < T2 < T3.
Рассмотренный выше катод прямого накала не пригоден при нагреве катода
переменным током, так как в этом случае возникают колебания анодного тока,
вызванные небольшими периодическими изменениями температуры нити катода. От
этого недостатка свободен диод с катодом косвенного накала (подогревным)
. Его условное обозначение дано на рис. 1.4. Подогревной катод состоит из
ке­рамической трубочки, внутри которой помещен проводник-нагрева­тель, питаемый
переменным током. На трубочку надет массивный никелевый цилиндрик, испускающий
при нагревании электроны. Он покрыт оксидным слоем, уменьшающим работу выхода
электрона. Достаточно большая масса катода обеспечивает постоянство его
тем­пературы. В настоящее время катоды косвенного накала применяют и в других
электронных лампах.
Двухэлектродная электронная лампа пропускает ток только в одном направлении.
Поэтому ее используют в качестве выпрямителя переменного тока. Диод,
действующий как выпрямитель, называют кенотроном.
Через кенотрон ток протекает лишь в течение одной половины периода переменного
тока, когда в диоде он направлен от анода к катоду. На рис. 1.5
приведен график выпрямленного тока: по оси абсцисс отложено время, по оси
ординат — сила тока. Такой ток называют однополупериодным пульсирующим.
Если в цепь включить два кенотрона или кенотрон с двумя ано­дами, то можно
использовать оба полупериода переменного тока. Изменение силы
двухполупериодного выпрямленного тока со временем показано на рис. 1.6.
     2.                Вакуумный триод.
Трехэлектродная лампа, или триод, содержит кроме катода и анода еще третий
электрод — управляющую сетку. Обычно сетка представляет собой
спиральную проволочку C, окружающую прямолинейный катод. Ось
цилиндрического анода совпадает с осью катода и сетки (рис. 2.1). Условное
изображение триода и принцип его включения для усиления анодного тока показаны
на рис. 2.2. Здесь А—анод лампы; К—ее катод; С—сетка;
БА—анодная батарея; БС — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и
катодом; R — потребитель тока.
Сетка расположена ближе к катоду, чем анод, и на пути катод — сетка на
электроны действует суммарное поле: созданное между ано­дом и катодом и
создаваемое между сеткой и катодом. Во время работы лампы лишь часть
электронов попадает на сетку и движется к катоду по внешней цепи, образуя
сеточный ток.
Если потенциал сетки положителен по отношению к катоду, то движение электронов
от катода к аноду убыстряется, и анодный ток растет. Если же потенциал сетки
отрицателен по отношению к катоду, то движение электронов к аноду замедляется,
и анодный ток умень­шается. При достаточно большом по абсолютному значению
отрица­тельном потенциале сетки анодный ток полностью прекращается — в этом
случае говорят, что «лампа заперта». Для улучшения действия электронной лампы в
нее вводят до­полнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом 
(т. е. четырехэлектродной), с тремя — пентодом (пятиэлектродной).
Появление электронных ламп разнообразных устройств, основанных на их
применении, сыграли огромную роль в развитии радио. Триод также применяют, как
генератор электрических колебаний.
     3.                Электронная пушка.
Электронная пушка - вакуум­ное устройство (обычно диод) для получения пучков
электронов (рис 3.1). Электроны в электронной пушке вылетают из катода и
ускоря­ются электрическим полем . Ис­пускание электронов из катода происходит
главным образом в процессах термоэлектрон­ной эмиссии, эмиссии из 
плазмы, ав­тоэлектронной эмиссии. Формирова­ние заданного распределения 
элект­ронного пучка на выходе из электронной пушки осуществляется подбором
конфигу­рации и величины электрических и магнитных полей. Термин «Электронная
пушка» чаще применяют к устрой­ствам для формирования высокоинтенсивных
электронных пучков (силь­ноточные электронные пушки); слаботочные электронные
пушки, представляющие собой более простые совокупности электродов и
использу­емые в клистронах, электронно-лучевых приборах и т. д., обычно
называют электронными прожекторами (рис. 3.2).
     4.                Электронно-лучевая трубка.
Схема устройства электроннолучевой трубки представлена на рис. 4.1. В ее узкий
конец вмонтирована электронная пушка П, состоящая из термокатода К, 
анода А и нескольких металлических колец. Электроны вылетают из катода,
нагреваемого электрическим током, а электрическое поле металлических колец
(фокусирующего устройства) сводит их в узкий пучок—электронный луч.
Широкое дно Э электроннолучевой трубки покрыто слоем флуоресцирующего
вещества и служит экраном. Под действием ударов попадающих на него электронов
экран светится, и в том месте, куда попадает электронный луч, появляется обычно
зеленое светлое пятнышко F.
Между электронной пушкой и экраном помещены управляющие электроды, образующие
два конденсатора: C1 и С2. Электрические поля заряженных конденсаторов взаимно
перпендикулярны. Поле конденсатора С1 отклоняет луч в горизонтальном
направлении, поле конденсатора С2 — в вертикальном. Изменяя напряжение на
пластинах каждого из конденсаторов, можно отклонить электронный луч в любом
направлении так, что пятнышко возникает на экране на различных расстояниях от
его центра. В центр экрана электроны попадают, когда конденсаторы не заряжены.
В некоторых типах электроннолучевых трубок отклонение элект­ронного пучка
производится магнитным полем. При этом вместо отклоняющих пластин действуют
две взаимно перпендикулярные пары катушек, расположенные снаружи трубки.
Каждая пара катушек создает перпендикулярное лучу магнитное поле.
Электроннолучевые трубки имеют огромное практическое значение. Их применяют в
радиолокационных установках, телевизорах, элект­ронных микроскопах и других
приборах. Без электронного осцил­лографа не обходится ни одна физическая
лаборатория, им широко пользуются в медицине, биологии и т. д. Электронная
пушка работает в современной рентгеновской трубке, в электронном микроскопе.
Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело,
используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме.
     5.                Электронный осциллограф.
     Электронным осциллографом называют электроннолучевую трубку, применяемую
для исследования быстропротекающих электричес­ких процессов. Слово осциллограф
означает «записывающий колебания». На первый конденсатор C1 осциллографа
накладывается изменяющееся во времени пилообразное напряжение (рис.
5.1). На протяжении каждого периода оно сначала плавно растет, а затем
мгновенно падает. Поэтому пятнышко на экране движется сначала слева направо, а
потом мгновенно возвращается в исходное положение, а так как частота колебаний
на­пряжения велика, то глаз все время видит горизонтальную светлую прямую.
Если, на­пример, на пластины второго конденсатора г. вертикально
направленным полем подать напряжение синусоидального переменного городского
тока (v = 50 Гц), то при одновременном действии конденсаторов электронный луч
опи­шет развертку синусоидальных колебаний, представляющую собой осциллограмму
исследуемого напряжения.
     6.                Рентгеновская трубка.
Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей.
Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми
электронами. Для получения интенсивного пучка этих лучей Рентген (в 1895 г.
открыл эти лучи) построил специальную трубку, состоящую из хорошо откачанного
стеклянного шара (рис. 6.1), в который впаяны три металлических электрода: 
катод К в виде сферической чашечки, анод А и антикатод АК. 
Элект­роны, вылетающие нормально к поверхности катода, попадают в его центр
кривизны С, лежащий на антикатоде, изготовленном из туго­плавкого металла.
Антикатод установлен под углом 45° к катоду для наиболее удобного использования
выходящих из него рентгеновских лучей. Накапливание на антикатоде
отрицательного электрического заряда могло бы привести к прекращению работы
трубки, поэтому он соединен с анодом.
В современных рентгеновских трубках (рис. 6.2) роль катода выполняет электронная
пушка — вольфрамовая спираль, нагревае­мая током и служащая источником
свободных электронов. Фокуси­ровка электронного пучка производится цилиндром 
Ц.. Антикатод трубки является одновременно анодом. Такие трубки работают
устой­чивее, чем первая модель.
На рентгеновскую трубку любой конструкции подается напряже­ние в несколько
десятков киловольт.
Рентгеновские лучи широко используют в медицине, технике и научных
исследованиях. Приведем несколько примеров. При помощи рентгеновских лучей
можно получить на флуоресцирующем экране или на фотографической пленке
изображение не только костей, но и внутренних органов человека (например,
желудка). Облучение этими лучами применяют при лечении злокачественных
опухолей. С помощью рентгеновских лучей обнаруживают изъяны в литых
металлических изделиях — раковины или трещины становятся видимыми на
флуорес­цирующем экране в виде светлых пятен на тени от изделия. Большую роль
играют рентгеновские лучи при изучении строения кристаллов.
     7.                Электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
ЭОП – это вакуумный фотоэлектронный прибор для преоб­разования невидимого глазом
изоб­ражения объекта (в ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое либо для
усиления яркости видимого изображения. В ос­нове действия ЭОП лежит
преобразо­вание оптического или рентгеновского изображения в электронное с
помощью фотока­тода, а затем электронного изобра­жения в световое
(видимое), получа­емое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП (рис. 7.1)
изображение объекта А проецируется с помощью объектива О на фотокатод Ф (при
использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на
фотокатод непосредственно). Излуче­ние от объекта вызывает фотоэлект­ронную
эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разных участков
последнего изменя­ется в соответствии с распределением яркости спроецированного
на него изображения. Фотоэлектроны уско­ряются электрическим полем на участке
между фотокатодом и экраном, фоку­сируются электронной линзой (ФЭ —
фокусирующий электрод) и бомбар­дируют экран Э., вызывая его 
люми­несценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от
плотности  потока  фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое
изображение объекта. Раз­личают ЭОП одно- и многокамерные (каскадные);
последние представ­ляют собой последовательное соединение двух или более
однокамерных ЭОП.
В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из
электронночувствительных элементов (в количестве 10— 100), установленной
вместо люми­несцентного экрана.
ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике,
астрономии, телевидении, для пре­образования УЗ изображения в ви­димое. 
Современные многокамерные ЭОП по­зволяют регистрировать на фотоэмуль­сии
световые вспышки (сцинцилляции) от одного электрона, испускаемого вход­ным
фотокатодом.
     8.                Электронный проектор.
Электронный проектор – это авто-электронный микроскоп, безлинзовый
электронно-оптический прибор для полу­чения увеличенного в 105—10
6 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был
изобретен в 1936 нем. физи­ком Э. Мюллером.
Основные части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером па конце,
радиус кривизны которого r~10-710-8 м;
стеклянная сферическая или конусообразная колба, дно которой покрыто слоем 
люминофора; анод в виде проводящего слоя на стен­ках колбы или проволочного
кольца, окружающего катод. Из колбы отка­чивается воздух (остаточное давле­ние
~10-9—10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают
положительное напряжение в несколько тыс. Вольт относительно располо­женного в
центре колбы катода, на­пряжённость электрического поля в непосредственной
близости от точечного эмит­тера (острия) достигает 107—108 
В/см. Это обеспечивает интенсивную авто-электронную эмиссию. При обычной форме
катода электроны эмитировались преимущественно с мест локального увеличения
напряжённости поля над небольши­ми неровностями и выступами поверх­ности
эмиттера. Применение точеч­ных эмиттеров, сглаженных поверх­ностной миграцией
атомов металла при повышенных температурах в хорошем вакууме, позволило
получить устой­чивые токи.
Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия)
направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора,   и создают на
экране увеличенное конт­растное   изображение поверхности катода, отражающее её
кристаллическую струк­туру. Контраст автоэлектронного изображе­ния
определяется плотностью эмис­сионного тока, которая зависит от ло­кальной
работы выхода, изменяющей­ся в зависимости от кристаллографического строения
поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э.
п. равно от­ношению R/br, где R — расстояние катод — экран, b —
константа, за­висящая от геометрии трубки.
Электронные проекторы применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов
и полупроводников,   для определения работы выхода с разных граней
моно­кристалла и пр. Для наблюдения фа­зовых превращений, изучения 
ад­сорбции атомов различных веществ на металлической или полупроводниковой
поверхности и т. д. Э. п. используют весьма огра­ниченно, т. к. намного большие
воз­можности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.
     9.                Электронограф.
Электронограф - прибор для ис­следования атомного строения твердых тел и газовых
молекул методами электро­нографии. (Электронография – это метод
изу­чения структуры веществава, основанный на исследовании  рассеяния  образцом
ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов,
аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров). Электронограф — вакуумный
прибор. В колонне, основном узле электронографа, электроны, ис­пускаемые
раскалённой вольфрамо­вой нитью, разгоняются высоким на­пряжением (от 30 кВ и
выше — быстрые электроны и до 1 кВ — медленные электроны). С помощью диафрагм и
магнитнфх линз формируется узкий электронный пу­чок, направляемый на
исследуемый образец, находящийся в специальной камере объектов и установленный
на специальном столике. Рассеянные электроны попадают в фотокамеру, и на
фотопластинке (или экране) создаётся дифракционное изображение
(электронограмма). Зависимость интенсивности   рассеянных  электронов от угла
рассеяния может измеряться с помощью  электронных приборов. Электронографы
снабжают различными устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца,
его деформации и т. д.
Электронограф включает также систему вакуумирования и блок электропитания,
содержащий источники накала като­да, высокого напряжения, питания
электромагнитных линз и различных устройств ка­меры объектов. Питающее
устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр.,
в О. «ЭР-100» 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность Э.
составляет тысячные доли А и за­висит от энергии электронов, сечения
элек­тронного пучка и расстояния от об­разца до экрана, которое в современном
электронографе мо­жет изменяться в пределах 200— 600 мм. Управление
современных электронографов, как пра­вило, автоматизировано.