Рис. 9. Электронно-лучевая трубка

 

В узкой части баллона располагается катод 1. Он изготавливает­ся из никеля и имеет форму цилиндра, торцевая поверхность кото­рого покрыта оксидным слоем для уменьшения работы выхода элек­тронов. Катод накаливается подогревателем 2, помещенным в тон­костенную керамическую трубочку. В непосредственной близости от катода размещается управляющий электрод 3, имеющий форму цилиндра с отверстием по оси. На управляющий электрод подается небольшой отрицательный потенциал, благодаря чему он выполняет роль управляющей сетки и дает возможность регулировать яркость изображения. При больших отрицательных потенциалах на управ­ляющем электроде количество летящих от катода электронов неве­лико, а с уменьшением отрицательного потенциала количество электронов увеличивается. Таким образом можно изменять плот­ность электронов в луче и зависящую от нее яркость свечения люми­нофора. Управляющий электрод также позволяет сфокусировать электроны, летящие в разных направлениях от катода, в одну точку А, называемую первым фокусом электронного луча. За точкой А электронный луч начинает расходиться. Для того чтобы собрать электроны в узкий пучок и сообщить им большую скорость, на пути электронного луча помещаются два анода — фокусирующий и уско­ряющий. Фокусирующий анод 4 выполняется в виде цилиндра с пере­городками, в которых по оси имеются отверстия. На фокусирующий анод подается положительный потенциал порядка 300—1000 В. За фокусирующим анодом располагается ускоряющий анод 5 с потенци­алом 800—5000 В, который сообщает электронам большую скорость и направляет электронный луч таким образом, чтобы второй фокус электронного луча находился в центре экрана (точка Б). В этом слу­чае на экране электронно-лучевой трубки появится светящаяся точка диаметром около одного миллиметра. Электроны, летящие от катода, имеют скорость несколько тысяч километров в секунду, поэтому с поверхности люминофора выбивается значительное коли­чество вторичных электронов. Чтобы предотвратить появление возле люминофора значительного объемного заряда с большим отрицательным потенциалом, который нарушает нормальную работу элек­тронно-лучевой трубки, внутренняя поверхность конической части баллона покрывается замешанным на воде угольным порошком. Этот слой носит название аквадага. Аквадаг 8 электрически соединяется ускоряющим анодом и имеет благодаря этому высокий положитель­ный потенциал, притягивающий вторичные электроны. Аквадаг имеет матовую поверхность и препятствует возникновению световых бликов внутри электронно-лучевой трубки.

Внутренняя поверхность передней части стеклянного баллона 9 покрыта специальным составом 10, называемым люминофором, ко­торый имеет способность светиться, под ударами электронов. В за­висимости от химического состава люминофора цвет свечения может быть синим, белым, зеленым и голубым. У некоторых типов совре­менных электронно-лучевых трубок поверхность люминофора, бомбардируемая электронным лучом, покрывается тончайшим про­зрачным слоем алюминия, что повышает яркость изображения.

Мы рассмотрели устройство электронно-лучевой трубки, в ко­торой фокусирование луча в одну точку достигается с помощью электрического поля (электростатическое фокусирование). У неко­торых типов электронно-лучевых трубок фокусирование луча осу­ществляется с помощью магнитного поля, создаваемого катушками, которые закрепляются на горловине электронно-лучевой трубки (магнитное фокусирование).

Для получения изображения на экране электронно-лучевой трубки луч должен перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Управление электронным лучом произ­водится отклоняющими пластинами, которые расположены за ускоря­ющим электродом. Для горизонтального отклонения луча служат пластины 6, которые называются горизонтально отклоняющими, для вертикального отклонения — вертикально отклоняющие плас­тины 7.

Направление и степень отклонения луча зависят от потенци­ала этих пластин, т. е. от напряженности электрического поля между ними. Отклонение электронного луча с помощью электрического поля, созданного пластинами, называется электростатическим отклонением. У некоторых типов электронно-лучевых трубок для вертикального и горизонтального отклонения луча используется магнитное поле, создаваемое катушками, расположенными под углом 90° одна к другой. Такое отклонение луча называется магнитным отклонением.

Электронно-лучевые трубки, применяемые в телевизионных при­емниках, называются кинескопами.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Ионизация газа

В идеальных условиях молекулы газов являются электрически нейтральными, т. е. не несут электрического заряда, но в действи­тельных условиях в результате воздействия естественной радио­активности окружающего пространства, космического излучения, световой и тепловой энергии и т. д. молекула или атом газа может потерять электрон. При этом создаются два заряда: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион. Ионы могут иметь не только положительный, но и отрицательный заряд. Отрицательный ион образуется из нейтрального атома или молекулы газа при присоединении к ним свободного электрона.

Процесс образования ионов в объеме газа называется иониза­цией.

Ионизация газа может быть вызвана повышением его темпера­туры, воздействием световых или рентгеновских лучей, действием электрического или магнитного поля и т. д. Если на ионизированный газ внешние факторы перестают действовать, то положительные и отрицательные ионы восстанавливаются в нейтральные частицы. Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией.

Рассмотрим процесс ионизации газа. В стеклянном баллоне, наполненном разреженным инертным газом, расположены металли­ческие анод и катод, причем анод соединен с положительным полю­сом источника постоянного тока через резистор г, а катод подклю­чен к отрицательному полюсу источника (рис. 10, а). Конструкция источника тока позволяет плавно изменять величину напряжения от нуля до некоторого максимального значения.

Процесс ионизации характеризуется вольт-амперной характерис­тикой (рис. 10, б). При отсутствии напряжения между катодом ианодом свободные электроны и ионы, которые всегда имеют место в объеме газа в результате воздействия внешних факторов, нахо­дятся в беспорядочном движении и ток в цепи равен нулю (точка О). С увеличением напряжения в цепи появляется небольшой ток, вызванный перемещением свободных электронов и отрицательных ионов к аноду и положительных ионов к катоду. Чем больше напряжение, тем быстрее движутся заряженные частицы, тем, следова­тельно, больше сила тока в цепи. Но сила тока остается незначи­тельной, так как в обычных условиях число свободных электронов и ионов в газе невелико (участок ОА). При некотором напряжении скорость заряженных частиц настолько возрастает, что при столкно­вении их с нейтральными частицами газа происходит ионизация. Вновь образованные частицы в свою очередь под действием силэлектрического поля приобретают значительную скорость и полу­чают способность ионизировать другие нейтральные частицы. Та­ким образом, ионизация носит лавинообразный характер. Это явле­ние называется ударной ионизацией. В результате ударной иониза­ции резко возрастает ток в цепи (участок А Б) и газ начинает све­титься. Напряжение, при котором возникает свечение газа, носит название напряжения зажигания U ₃. В момент зажигания напряже­ние между электродами уменьшается, так как возрастает падение напряжения на резисторе г. При дальнейшем увеличении напряже­ния ток быстро возрастает вследствие расширения области иониза­ции (участок Б В) и свечение газа становится более интенсивным.

Рис. 10. Ионизация газов: а — схема включения ионного прибора; б — вольт-амперная характе­ристика.

 

Когда значительная часть газа ионизирована, для дальнейшего увеличения тока требуется повысить напряжение (участок ВГ). Увеличение тока вызовет резкое возрастание энергии летящих к ка­тоду положительных ионов и благодаря усиленной бомбардировке катода его температура повышается, что приводит к возникновению термоэлектронной эмиссии. При этом количество свободных элек­тронов быстро увеличивается и между электродами начинается дуговой разряд, сопровождающийся большим падением напряжения (участок ГД).

2.   Газотрон

Газотрон представляет собой двухэлектродную лампу, но в отличие от кенотрона его работа основана на образовании разря­да в ионизированном газе, которым заполнен баллон.

Одним электродом газотрона (рис. 11) служит катод прямого или косвенного накала, покрытый оксидным слоем. Анод газотро­нов малой мощности изготавливается из металла и обычно имеет форму диска, а анод газотронов боль­шой мощности выполняется из графи­та в форме чашки, окружающей катод. Баллон газотрона заполняется инерт­ным газом — аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью, а газотро­нов повышенной мощности — парами ртути.

При включении газотрона его ка­тод эмиттирует свободные электроны. Уже при малом анодном напряжении в анодной цепи потечет ток, однако сила его будет незначительна, так как этот ток обусловлен только движе­нием эмиттированных катодом элек­тронов. Когда анодное напряжение достигнет величины напряжения за­жигания, газ ионизируется и проис­ходит зажигание газотрона, причем анодный ток увеличивается толчком, а внутреннее сопротивление лампы резко падает.

В рабочем режиме катод газотрона бомбардируется положи­тельными ионами, и если анодное напряжение возрастает выше до­пустимого значения, скорость этих ионов увеличивается настолько, что под их ударами происходит разрушение катода. Поэтому повыше­ние рабочего напряжения газотрона свыше номинальной величины недопустимо. К разрушению катода может привести также и недо­статочный прогрев его перед началом работы. Плохо прогретый катод испускает малое количество электронов и внутреннее сопро­тивление газотрона остается значительным, отчего повышается анод­ное напряжение и увеличивается скорость положительных ионов, бомбардирующих катод. Время прогрева катода мощных газотро­нов может достигать 30 мин.

Рис. 11. Газотрон:

а — устройство; 6 — условное обо­значение.

 

По сравнению с кенотроном газотрон обладает рядом сущест­венных преимуществ. Главное из них — малое внутреннее сопро­тивление, благодаря которому мощность, выделяемая на аноде газо­трона, во много раз меньше, что дает возможность получить выпрям­ленный ток в несколько десятков раз больший. Кроме того, газо­трон имеет малое падение напряжения и значительно больший кпд.

Однако газотроны имеют и существенный недостаток, который выражается в том, что в них возникает обратный ток. Если газо­трон используется в качестве выпрямителя, то полярность анодного напряжения непрерывно меняется и в те моменты времени, когда на аноде будет знак минус, а на катоде плюс часть ионов, не успев­ших рекомбинировать, создаст обратный ток. Если скорость поло­жительных ионов достаточно велика, то они вызывают вторичную электронную эмиссию анода и обратный ток станет настолько большим, что он может стать равным прямому току. Лампа теряет вен­тильные свойства и уже не может работать в качестве выпрямителя. Это явление называется обратным зажиганием газотрона.

Тиратрон

Тиратроном называется газонаполненная трехэлектродная лам­па. У триода управляющая сетка предназначена для регулирова­ния анодного тока. В тиратроне же сетка имеет другое назначение.

Рис. 12. Тиратрон: а — схема включения; б — анодно-сеточная характеристика.

 

Рассмотрим работу схемы, приведенной на рис. 12, а. В верх­нем по схеме положении движка потенциометра r1 на сетку подается большой отрицательный потенциал, который препятствует переме­щению электронов от катода к аноду — тиратрон оказывается за­пертым и анодный ток отсутствует, что соответствует точке 1 на анодно-сеточной характеристике (рис. 12, б). Уменьшение отри­цательного потенциала на сетке (при перемещении движка потенцио­метра r1 вниз) приведет к появлению незначительного анодного тока (точка 2). Дальнейшее уменьшение отрицательного потенциала сетки вызовет увеличение скорости электронов, ионизацию газа и зажигание тиратрона. В момент зажигания ток резко возрастает до номинального значения (точка 3). С этого момента любое изме­нение потенциала сетки не влияет на силу анодного тока, так как ее потенциал будет компенсироваться зарядом близко расположен­ных ионов противоположной полярности.

Таким образом, сетка служит только для зажигания тиратрона в нужный момент времени. Если необходимо прекратить работу тиратрона, то следует либо уменьшить величину анодного напря­жения, либо кратковременно разорвать анодную цепь.

Изменяя момент зажигания тиратрона, работающего в качестве выпрямителя, можно плавно регулировать среднюю величину вы­прямленного напряжения.

Стабилитрон

В некоторых системах автоматики, в точных измерительных схемах и в ряде других случаев требуется, чтобы напряжение, ко­торое подается на эти устройства, было строго постоянным, или, как часто говорят, стабильным. Так как напряжение источников тока может меняться в зависимости от целого ряда причин, то при­ходится применять специальные приборы для поддержания постоян­ного напряжения. Одним из таких приборов является газоразряд­ная лампа — стабилитрон (рис. 13).

В стеклянном баллоне, заполненном инертным газом, помещен анод 1, представляющий собой никелевую нить. Вокруг анода смон­тирован цилиндрический катод 2 из никеля или стали, внутренняя поверхность которого покрыта активным слоем. Если на электро­ды стабилитрона подать напряжение, то газ в нем ионизируется и через прибор потечет ток, причем его сила будет зависеть от сопро­тивления газа. Заметим, что сопротивление газа между электродами стабилитрона изменяется в зависимости от приложенного напряже­ния.