Конструкция электронных ламп

Тема №8 Электровакуумные и ионные приборы.

· 8.1. Общие сведения.

· 8.2. Электронная эмиссия.

· 8.3. Конструкция электронных ламп.

· 8.4. Характеристика элементов электронных ламп.

· 8.5. Диод.

· 8.6. Триод.

· 8.7. Ионные приборы.

· 8.8. Виды разряда.

· 8.9. Стабилитроны.

· 8.10. неоновые лампы.

· 8.11. Тиратроны.

· 8.12. Разрядники.

· 8.13. Фотоэлектронная эмиссия и фотоэффект.

· 8.14. Электровакуумный фотоэлемент.

· 8.15. Фотоэлектронный умножитель.

· 8.16. Электровакуумные индикаторы.

· 8.17. Газоразрядные индикаторы.

· 8.18. Электролюминесцентные индикаторы.

· 8.19. Применение электровакуумных и ионных приборов на Ж/Д транспорте.

Общие сведения.

Электровакуумным называют прибор, дей­ствие которого основано на электрических яв­лениях в вакууме или газе.

В зависимости от характера рабочей среды электровакуумные приборы разделяют на электронные и ионные. В ионном приборе происходит электрический разряд в газе или парах. В электронном приборе ток создается свободными электронами, движущимися в вакууме (10^-5—10^-4 Па). Основные группы электронных приборов: электронные лампы, электронно-лучевые трубки, электровакуум­ные фотоэлектронные приборы и др. Наиболее многочисленную группу образуют электронные лампы.

По назначению электронные лампы под­разделяют на усилительные, генераторные, выпрямительные, частотопреобразовательные и др. По числу основных электродов различа­ют двухэлектродные электронные лампы — диоды, трехэлектродные — триоды, много­электродные с четырьмя, пятью, шестью, семью и восемью электродами — соответствен­но тетроды, пентоды, гексоды, гептоды, октоды.

Электронная эмиссия.

Выход электронов из металла. В нормальных условиях (при температуре 0 К. и отсутствии внешних энерговоздействий) элект­роны в проводниках обладают энергией, близкой к W_F, недоста­точной для их выхода из металла в окружающее пространство. При комнатной температуре (около 300 К) появляются электроны, которые обладают энергией, превышающей энергию Ферми W_F, однако лишь небольшое их число в состоянии выйти из ме­талла.

Выходу электронов препятствуют поверхностные силы, обра­зующие потенциальный барьер. Во-первых, электроны в поверх­ностных атомах смещаются к поверхности металла и создают электрический слой отрицательных зарядов. Положительные заря­ды атомов смещаются вглубь металла (рис. 1, а). В результате такой поляризации атомов на поверхности металла возникает электрическое поле с напряженностью Е (рис. 1, б), электрическая сила F которого направлена в глубь металла и препятствует выходу электронов.

Вторая составляющая потенциального барьера обусловлена действием силы зеркального изображения, возникающей при вы­ходе электрона из металла. Если электрон с зарядом е вышел из металла на некоторое расстояние х от его поверхности, то вслед­ствие электростатического влияния в металле возникает противозначный положительный заряд +е (его зеркальное изображение на рис. 1, в). При этом электрон будет подвергаться действию силы притяжения F со стороны ионов металла

F = (—е) (+ е)/(2 х)² = е ²/(4х²).

С удалением электрона от поверхности металла эта сила убы­вает по квадратичному закону. Для выхода электрона из металла нужно затратить энергию на преодоление поверхностных сил, соз­дающих потенциальный барьер.

Рис. 1. Поляризация атомов и их поле у поверхности твердого тела.

Работа выхода. Чтобы электрон мог преодолеть поверхностный потенциальный барьер, ему следует сообщить (к уже имеющейся собственной энергии W_F, которой он обладает при 0 К) некоторую дополнительную энергию W₀. Тогда полная энергия электрона при выходе составит

W_а= W_F+W₀.

Минимальная дополнительная энергия W₀, которая затрачи­вается электроном при выходе из металла, называется работой выхода. Ее принято определять как произведение заряда электро­на е на некоторую эквивалентную разность потенциалов j₀ в воль­тах и выражать в электрон-вольтах (или просто в вольтах)

е j₀=W₀= W_а-W_F.

Потенциал j₀=W₀/ е является потенциалом выхода.

Работа выхода определяет энергию, затрачиваемую электрона­ми, перемещающимися с уровня Ферми при их эмиссии в вакуум. Для большинства твердых тел работа выхода равна 1—6 эВ (табл.1). Здесь же приведены величины их эмиссионных посто­янных.

У щелочных и щелочноземель­ных металлов, имеющих большее межатомное расстояние в прост­ранственной решетке, работа вы­хода меньше, чем у металлов с меньшим межатомным расстоя­нием, т. е. с большей концентра­цией атомов или ионов.

Электронная эмиссия. Явление испускания электронов с поверх­ности твердого тела называют электронной эмиссией, а сам источ­ник электронов — эмиттером. В электровакуумных приборах обыч­но первичным источником свободных электронов служит катод. Выход электронов с катода в вакуум или среду разреженного газа зависит от работы выхода, концентрации электронов в единице объема приповерхностной области эмиттера и др. В зависимости от способов внешнего энергетического воздействия на электроны, вызывающих их выход из эмиттера, различают несколько видов электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия возникает в результате нагрева эмиттера. С повышением температуры возникают тепловые коле­бания решетки твердого тела. За счет этой энергии теплового воз­буждения часть электронов выходит из эмиттера в вакуум, обра­зуя ток эмиссии. Чем выше температура эмиттера, тем больше электронов приобретает такую энергию, вследствие чего возраста­ет ток термоэлектронной эмиссии.

Аналитически зависимость величины тока термоэлектронной эмиссии от температуры эмиттера и его сеойств устанавливается уравнением Ричардсона — Дэшмена

(1)

Где А ₀ — универсальная термоэмиссиониая постоянная, А/(см²*град²);

Т —температура поверхности эмиттера, К;

b = е j₀/ k —постоянная, пропорциональная работе выхода е j₀, называемая температурным эквивалентом работы выхода;

k — постоянная Больцмаиа;

е=2,718 —основание натурального логарифма;

S — площадь эмиттирующей поверхности, см2.

Значения эмиссионных постоянных А ₀, b₀ для некоторых мате­риалов, используемых в электровакуумных приборах, приведены в табл. 1. Анализ уравнения (1) показывает, что ток эмиссии в большей степени зависит от температуры эмиттера, в меньшей — от работы выхода и еще меньше — от постоянной А₀. Увеличение температуры эмиттера сопровождается ростом тока эмиссии и со­кращением его срока службы. Поэтому эмиттеры (катоды) элект­ронных ламп должны работать в определенном интервале рабочих температур. Нижний предел температуры определяется возмож­ностью получения требуемой эмиссии, а верхний — плавлением эмиттирующего материала.

Вторичная электронная эмиссия — испускание вторичных элек­тронов с поверхности эмиттера при ее облучении потоком первич­ных электронов. Первичный электронный поток, падающий на вто­ричный эмиттер, частично отражается от его поверхности, а час­тично проникает вглубь. Здесь первичные электроны сталкивают­ся с электронами кристаллической решетки эмиттера, отдают им часть своей энергии, возбуждая их. Некоторые из возбужденных электронов преодолевают потенциальный барьер и выходят во внешнюю среду.

Эффективность вторичного катода оценивают коэффициентом вторичной эмиссии σ, равным отношению числа вторичных элект­ронов п ₂ (или тока I ₂) к числу первичных электронов n₁ (или к току I₁)

σ= n₂/n_l= I₂/I₁ (2)

Вторичная электронная эмиссия используется в некоторых приемно-усилительных лампах, фотоэлектронных умножителях, а так­же встречается в качестве побочного процесса в других электро­вакуумных приборах.

Эмиссия под ударами тяжелых частиц сходна с вторичной электронной эмиссией. Такими частицами могут быть положитель­ные ионы или возбужденные атомы, получившие большое ускоре­ние под действием сил электрического поля. При ударе о катод тяжелые частицы отдают часть энергии движения атомам и элек­тронам катода. Если полная энергия, сообщенная электрону ка­тода, больше, чем работа выхода, возникает эмиссия электронов. Эффективность такой эмиссии характеризуют коэффициентом вы­бивания электронов б, определяемым как отношение числа выби­тых электронов п_е, к числу ударивших за это время частиц n_i.

δ= п_е/n_i. (3)

Коэффициент выбивания зависит от энергии бомбардирующих частиц, физических свойств бомбардируемой поверхности, ее со­стояния (наличия активирующих покрытий) и других факторов. Явление эмиссии электронов под действием тяжелых частиц используется в ионных приборах с тлеющим разрядом (стабили­тронах, неоновых лампах, безнакальных тиратронах и др.).

Электростатическая электронная эмиссия возникает с поверх­ности твердого или жидкого тела под действием внешнего уско­ряющего электрического поля с высокой (около 10⁷ В/см) напря­женностью. Механизм электростатической (автоэлектронной) эмис­сии может быть объяснен на основе волновой природы электрона. При высокой напряженности внешнего поля потенциальный барьер у поверхности эмиттера не только уменьшается, но и становится (вследствие резкого снижения потенциала при увеличении напря­женности поля) очень узким. Сквозь этот узкий барьер электроны проводимости выходят из металла, не преодолевая потенциально­го барьера (туннельный эффект). Согласно волновой теории ве­роятность такого прохода электронов существенна, когда длина волны электрона становится сравнима с шириной потенциального барьера, сквозь который туннелирует электрон. Очевидно, чем больше напряженность поля, тем уже потенциальный барьер и больше ток автоэлектронной эмиссии.

 

Конструкция электронных ламп.

Рис. 2. 1-баллон, 2 – катод, 3 – анод, 4 – сетка, 5 – плоская стеклянная ножка, 6 – химический газопоглатитель (геттер), 7 – штырьки.