Физические основы электровакуумных приборов.

Создание проводимости в вакууме обеспечивается электронной эмиссией – процессом испускания твердым телом электронов в окружающее пространство. Работа выхода электрона из тела осуществляется за счет дополнительной энергии:

- тепловой– термоэлектронная эмиссия за счет нагрева

- электрической – электростатическая эмиссия за счет большой напряженности электрического поля у поверхности.

- электронного потока – вторичная эмиссия за счет бомбардировки первичным потоком электронов.

Наиболее применима термоэлектронная эмиссия, при которой электронный поток создается катодом. Плотность тока Iе термоэлектродной эмиссии определяется уравнением Ричардсона и Дешмена:

Iе=Is е ^{–φ 0/ φ т}, где: φ₀ – удельная работа выхода электронов из катода, φт =кТ/q –тепловой потенциал, к – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, Т – абсолютная температура. I_s=AT² ( где А= 120[А см^-2 К^-2]- постоянная Ричардсона).

Вывод: Iе увеличивается при увеличении Т.

Эффективность катода характеризуется отношением предельного тока катода к мощности, затраченной на его нагрев до рабочей температуры [mA/BT].

Долговечность катода – время эксплуатации до снижения тока эмиссии на 20% от номинала, который обычно меньше предельного для стабильности параметров.

Катоды прямого накала – из вольфрама, катоды косвенного накала – из керна, покрытого металлами с малой работой выхода электронов (барий), и подогревателя.

Эффективность ККН 60 – 100 мА/Вт, что в 10 – 30 раз лучше чем у КПН (2 – 10 мА/Вт), при температуре 1000 К. меньшей в 2,5 раза и той же плотности тока эмиссии порядка 0,5 [А/см²].

Созданы безнакальные лампы с холодным катодом – дорогие с низкой эффективностью и недолговечные (для ракет).

Процесс создания тока I и управление им в вакууме обеспечивается введением электродов (анода, катода и сеток) в ограниченное от атмосферы пространство (баллоны стеклянные, керамические или металлокерамические), а так же подачей внешних напряжений электрического поля -

постоянного анодного Ua, сеточного смещения Uc и переменного управляющего Un.

Для двухэлектродной лампы (диода) справедлив закон Чайльда – Ленгмюра: ток анода Ia=f(Ua)

Ia=GUa^3/2, (1)

где G – конструктивный коэффициент.

Рис. 2.1.1

Закон «трех вторых» – экспериментально-расчетный (график 1 рис. 2.1.1.) и отличается от реальных вольт-амперных характеристик для ККН(2) и КПН(З) отсутствием областей насыщения анодного тока.

Есть и еще одно отличие: в реальных диодах различная эмиссия с различных участков катода. Обычно интересуются рабочим участком ВАХ, где кривые 1, 2, 3 совпадают. Для практического использования диода вводится параметры: - внутренняя дифференциальная проводимость

Если учесть (1), то

(2)

– внутреннее дифференциальное сопротивление:

,

. (3)

– мощность рассеивания

.

Мощность выделяется в виде тепла, передается через электроды и баллон в окружающее пространство.

Электро-вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного тока и детектирования модулированных сигналов, т.к. имеют одностороннюю проводимость. Для выпрямителей интересен ток анода (4-600мА) и внутреннее сопротивление (80-300Ом), а для детекторов - емкость анод - катод (0,8-3,5 пф) и предельная частота (100Мгц). Наработка на отказ ламп общего применения составляет 500 часов, специального 2000 часов.

Трех электродная лампа (триод) имеет управляющий электрод – сетку – для регулирования тока анода. Напряжение на сетке Uc изменяет электрическое поле между анодом и катодом и тем самым влияет на ток анода. Обычно напряжение на сетке отрицательное относительно катода и тормозит движение электронов, не все попадают на анод. Чем больше Uc, тем меньше Ia. Поэтому сетка называется управляющей.

Для определения тока анода триода совместное действие анода и сетки условно заменяют действием анода, помещенного на место сетки. Напряжение на таком ‘аноде’ создает ток, равный току катода. Этот способ расчета анодного тока называют ‘приведением к эквивалентному диоду':

Ia=GUн^3/2=G(Uc+DaUa)^3/2=f(Uc,Ua) (4)

Da<<1,физический смысл (4): анодное напряжение существенно слабее влияет на Ia.

Ia=0, при условии (Uc+DaUa)<0, ВАХ начинаются при Ua₀=-Uc/Da.

а) в)

Подогреватель

Рис.1.5.Схематическое изображение триода (а), межэлектродные емкости в триоде (б),

и приведенный триод (эквивалентный диод) (в)

б)

Рис. Семейство анодных характеристик триода 6H2П (а), и определение напряжения U_ao (б)

а)

Рис.1.7. Семейство анодно-сеточных характеристик триода 6С5С (а) и определение напряжения U_co (б).