Электровакуумные приборы, принцип действия и разновидности
Определение
Электровакуумные приборы (ЭВП) — это устройства, в которых движение электронов происходит в вакууме или в разреженном газе, и которые используются для преобразования, передачи и усиления электрических сигналов. К таким приборам относятся электронные лампы, катодные лучевые трубки, газоразрядные устройства и другие. Электровакуумные приборы широко использовались в радиоэлектронике, телевидении, связи и ряде других областей до повсеместного распространения полупроводниковых технологий.
Принцип действия
Под вакуумом подразумевается состояние газа, особенно воздуха, при котором давление ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с остаточными молекулами газа после откачки, это называется высоким вакуумом.
В электронных приборах процесс ионизации практически отсутствует, а давление газа поддерживается на уровне не менее 100 мкПа (10⁻⁶ — 10⁻⁷ мм рт. ст.). В ионных приборах давление достигает 133×10⁻³ Па (10⁻³ мм рт. ст.) и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.
Принцип действия электровакуумных приборов основывается на использовании потока электронов, движущихся в вакууме, и управлении этим потоком с помощью электрических или электромагнитных полей. Внутри прибора создается высокое вакуумное пространство, в котором практически отсутствуют молекулы газа. Это позволяет электронам перемещаться без столкновений, что делает их поток управляемым и предсказуемым.
Важные компоненты, такие как катоды, аноды и управляющие сетки, создают и регулируют электрическое поле, направляющее поток электронов. Изменяя напряжение на этих элементах, можно усиливать, преобразовывать или генерировать электрические сигналы. Этот принцип активно использовался в различных устройствах, таких как электронные лампы, осциллографы, телевизоры с электронно-лучевыми трубками, ионные и газоразрядные приборы.
Электровакуумные приборы подразделяются
Электронно-управляемые лампы
Эти приборы используют потоки электронов для усиления и преобразования электрических сигналов. Примеры включают диоды, триоды, тетроды и пентоды, которые находят применение в радиотехнике, усилителях и других устройствах.
Электронно-лучевые приборы
К этой категории относятся приборы, использующие управляемые пучки электронов, такие как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), применяемые в осциллографах и старых телевизорах. Такие приборы обеспечивают визуализацию электрических сигналов и создание изображения.
Газоразрядные приборы
В этих устройствах используется разряд в газе для генерации и управления электрическими сигналами. Примеры включают неоновые лампы, тиратроны и газоразрядные индикаторы. Эти приборы применяются в освещении, сигнализации и других областях.
Эмиссия электронов
Электронная эмиссия — это процесс испускания электронов с поверхности материала в окружающее пространство. Термоэлектронная эмиссия — это тип эмиссии, обусловленный нагревом катода (электрода).
Механизм эмиссии
В металлах, которые используются для изготовления катодов, существует множество свободных электронов. Эти электроны находятся в постоянном хаотическом движении, обусловленном тепловой энергией. В зависимости от температуры катода, электроны обладают определенной кинетической энергией. При низких температурах большинство электронов удерживается в металле силами притяжения, исходящими от положительно заряженных ионов в кристаллической решетке металла.
Для того чтобы электрон смог покинуть поверхность катода, ему необходимо преодолеть так называемый потенциальный барьер, который создается силами притяжения внутри металла. Этот процесс требует увеличения энергии электрона до уровня, достаточного для преодоления этого барьера.
Влияние температуры на эмиссию
При комнатной температуре очень немногие электроны обладают энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть этот барьер и покинуть металл. Однако с увеличением температуры кинетическая энергия электронов также возрастает. Как только энергия отдельных электронов достигает критического уровня, они начинают покидать поверхность металла, что и составляет процесс эмиссии.
В электронных лампах и других электровакуумных приборах катоды обычно нагреваются до высоких температур с помощью электрического тока, проходящего через тонкую проволочную нить — накал. Этот процесс известен как термоэлектронная эмиссия, и он используется для создания стабильного потока электронов, который можно контролировать и использовать для различных целей.
Виды эмиссии
Существует несколько видов эмиссии электронов:
- Термоэлектронная эмиссия: Этот тип эмиссии обусловлен нагревом катода. Как было упомянуто ранее, повышение температуры увеличивает кинетическую энергию электронов, что позволяет им покидать поверхность металла. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы термокатодов, используемых в электронных лампах, радиолампах и других устройствах.
- Полевая эмиссия: В этом случае электроны покидают поверхность металла под воздействием сильного электрического поля, даже при относительно низких температурах. Полевая эмиссия применяется в электронных микроскопах и некоторых типах вакуумных приборов, где требуется тонкий, управляемый поток электронов.
- Фотоэлектронная эмиссия: Этот вид эмиссии возникает, когда поверхность материала освещается светом или другими формами электромагнитного излучения. Фотоны, поглощаемые электронами, передают им дополнительную энергию, что позволяет электронам преодолевать потенциальный барьер. Фотоэлектронная эмиссия используется в фотоумножителях и других приборах, чувствительных к свету.
- Вторичная эмиссия: Этот тип эмиссии возникает, когда электроны или другие частицы высокой энергии сталкиваются с поверхностью материала, выбивая вторичные электроны. Вторичная эмиссия используется в устройствах, таких как электронно-лучевые трубки, для усиления электрических сигналов.
Применение эмиссии в электровакуумных приборах
- Электронные лампы: В них эмиссия электронов используется для создания и усиления электрических сигналов. Катоды в таких лампах нагреваются до высоких температур, что приводит к устойчивому потоку электронов.
- Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ): В кинескопах и осциллографах электронные лучи, образованные благодаря эмиссии, управляются магнитными или электрическими полями для создания изображений или анализа сигналов.
- Фотоумножители: Эти приборы используют фотоэлектронную эмиссию для детектирования слабых световых сигналов, усиливая их до уровня, который можно измерить.
- Рентгеновские трубки: В этих приборах электроны, испущенные с катода, ускоряются и сталкиваются с анодом, создавая рентгеновское излучение, используемое в медицине и науке.
Электроды электровакуумных приборов
Электрод электровакуумного прибора — это компонент, предназначенный для эмиссии, управления, ускорения или сбора потока электронов в вакууме. В зависимости от выполняемой функции электрод может быть катодом, анодом или управляющей сеткой, каждая из которых играет ключевую роль в работе электровакуумных приборов, таких как электронные лампы, рентгеновские трубки и электронно-лучевые трубки.
Каждый электрод выполняет свою специфическую функцию, обеспечивая ключевые процессы, такие как эмиссия, управление и сбор электронов.
Катод, например, является основным источником электронов в приборе. В процессе работы катод нагревается до высокой температуры, что вызывает термоэлектронную эмиссию — процесс выделения электронов с поверхности катода. В зависимости от конструкции катод может быть накальным, где нагрев происходит за счет электрического тока, проходящего через металлическую нить, или косвенно накальным, когда катод нагревается отдельным подогревателем.
Электроны, испущенные катодом, притягиваются к аноду, который обычно имеет положительный заряд. Анод создает электрическое поле, ускоряющее движение электронов и позволяющее им достигать анода с высокой скоростью. В некоторых приборах анод выполняет дополнительные функции, такие как генерация рентгеновского излучения при торможении электронов, что используется в рентгеновских трубках.
Управление потоком электронов между катодом и анодом осуществляется с помощью управляющих электродов, или сеток. Эти сетки, расположенные между катодом и анодом, позволяют регулировать количество электронов, достигающих анода, за счет изменения напряжения на сетке. В некоторых устройствах используются дополнительные сетки, такие как экранирующая и защитная, которые обеспечивают стабильность работы прибора и предотвращают нежелательные эффекты.
Исторически первым в мире электровакуумным прибором стала лампа накаливания, изобретенная в 1873 году русским ученым Александром Николаевичем Лодыгиным. Однако еще более важным открытием для развития электровакуумных приборов стало открытие в 1883 году американским изобретателем Томасом Альвой Эдисоном эффекта одностороннего прохождения потока электронов в вакууме от накаленной нити к металлической пластине при приложении разности потенциалов. Этот эффект, открытый Эдисоном, стал прообразом электронной лампы.
Хотя на момент открытия такая лампа не могла найти практического применения, исследования по изучению ее свойств и условий прохождения электронов в вакууме продолжались, что в конечном итоге привело к созданию современных электровакуумных приборов, широко используемых в технике и науке.
Газоразрядные приборы
Газоразрядные приборы — это устройства, функционирующие на основе ионного процесса, при котором используется электрический разряд в газе или парах металла. В таких приборах электрический ток формируется не только благодаря движению электронов, как в электронно-управляемых лампах, но и ионов. Для создания разряда обычно используются инертные газы, такие как неон, криптон, аргон, или пары металлов, например, ртути.
В обычных условиях газ является диэлектриком и не проводит электричество, поскольку в нем почти нет заряженных частиц. Однако под воздействием сильного электрического поля, высокой температуры или внешних факторов, таких как радиоактивные или космические лучи, газ может ионизироваться, превращаясь в проводник. Этот процесс известен как ионизация газа — образование носителей зарядов, таких как ионы и свободные электроны. Прохождение электрического тока через газ, обусловленное этим процессом, называется газовым разрядом.
Газовые разряды подразделяются на два типа: несамостоятельные и самостоятельные. Несамостоятельные разряды происходят только при наличии внешнего ионизатора, такого как радиоактивное излучение. Самостоятельный разряд продолжается и после отключения ионизатора, что характеризуется процессом электрического пробоя, когда несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный.
Газоразрядные приборы обычно имеют конструкцию в виде стеклянной колбы с цоколем, внутри которой располагаются анод и катод. Между этими электродами могут присутствовать дополнительные сетки. Колба заполняется инертным газом или парами металла, после чего в ней создается пониженное давление, значительно ниже атмосферного.
Когда напряжение в приборе достигает уровня, называемого напряжением зажигания (Uз), ионизация газа становится лавинообразной, что приводит к резкому уменьшению сопротивления газоразрядного промежутка и появлению тлеющего разряда.
Тлеющий разряд — это разряд, при котором положительные ионы движутся к катоду, ударяясь о его поверхность и вызывая вторичную электронную эмиссию. Такой разряд является самостоятельным и не требует внешнего ионизатора. Если ток в газоразрядном приборе значительно увеличивается, может возникнуть дуговой разряд, который также может быть как самостоятельным, так и несамостоятельным, в зависимости от источника термоэлектронной эмиссии.
Тлеющий разряд, сопровождаемый свечением газа, широко применяется в различных устройствах, таких как неоновые лампы, газоразрядные индикаторы, стабилитроны и другие газоразрядные приборы.
Применение ЭВП
Электровакуумные приборы находят применение в широком спектре областей, включая радиотехнику, телевидение, медицину, научные исследования, связь и телекоммуникации, промышленное оборудование, авиацию и космическую технику. В радиотехнике и телевидении они используются для усиления сигналов и формирования изображений на экране, а в медицине — как основные компоненты рентгеновских аппаратов, необходимых для диагностики. В научных исследованиях такие приборы, как осциллографы и электронные микроскопы, позволяют исследовать физические процессы и анализировать материалы на атомном уровне. Связь и телекоммуникации также активно используют электровакуумные усилители и передатчики в радиостанциях и радиорелейных линиях. В промышленности вакуумные электронные приборы применяются в мощных микроволновых установках, ускорителях частиц и плазменных генераторах. В авиации и космической технике они обеспечивают надежную работу систем навигации, радиолокации и связи в сложных условиях. Несмотря на распространение полупроводниковых технологий, электровакуумные приборы продолжают играть важную роль в специализированных приборах, требующих высокой надежности и долговечности.
