А. С. ТУСОВ ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
advertisement
А. С. ТУСОВ ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Конспект лекций Содержание Стр. Введение………………………………………………………………...2 1 ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ………………………....3 1.1. Электроны в твердом теле ……………………………………...3 1.2. Термоэлектронная эмиссия……………………………………..5 1.3. Термоэлектронные катоды……………………………………..6 1.3.1. Параметры катодов ………………………………………………7 1.3.2. Типы катодов……………………………………………………..9 1.3.3. Катоды из чистых металлов……………………………………..9 1.3.4. Пленочные катоды……………………………………………….9 1.3.5. Полупроводниковые катоды……………………………………10 1.3.6. Конструкции катодов и особенности их эксплуатации……….11 1.4. Прохождение тока в вакууме……………………………………12 1.4.1. Пространственный заряд в диоде……………………………….13 1.5. Двухэлектродные лампы (диоды)………………………………16 1.6. Трехэлектродные электронные лампы (триоды)…………….20 1.7. Тетрод………………………………………………………………23 1.8. Классификация и система обозначения электронных ламп..25 1.9. Электровакуумные приборы сверхвысоких частот………….27 1.10. Электронно-лучевые трубки……………………………………30 2 ИОННЫЕ ПРИБОРЫ………………………………………………34 2.1. Основы физики процессов в ионных приборах……………….34 2.2. Несамостоятельный разряд в газе………………………………36 2.3. Самостоятельный разряд в газе…………………………………38 2.4. Виды ионных приборов…………………………………………..41 2.5. Трубчатые люминесцентные лампы……………………………42 2.6. Газоразрядные лампы высокого давления……………………46 2.7. Индикаторные газоразрядные приборы……………………….48 3 ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ……………………..50 3.1. Взаимодействие ускоренных электронов с веществом……….50 3.2. Тепловые эффекты при электронно-лучевом нагреве……….51 3.3. Технологические процессы с электронным нагревом ……….53 3.4. Установки для термических процессов электронной технологии……………………………………………………………….56 3.5. Технология и оборудование нетермической электроннолучевой обработки………………………………………………………58 3.6. Электронно-зондовые методы анализа веществ……………….60 3.7. Ионная обработка материалов……………………………………61 Литература……………………………………………………………….63 Контрольные вопросы………………………………………………….63 2 Введение Цель преподавания дисциплины «Вакуумная и плазменная электроника» заключается в том, чтобы дать будущему специалисту в области промышленной электроники знания в области устройства, принципов действия и основ эксплуатации технических средств вакуумной и плазменной электроники, а также сформировать представление о месте электровакуумных и ионных процессов в современном промышленном производстве. Основные задачи изучения дисциплины: изучение основных закономерностей прохождения электрического тока в вакууме и в ионизированном газе, способов получения потока электронов и управления им; изучение устройства, принципа действия, основных параметров и характеристик электровакуумных и газоразрядных (ионных) приборов и установок, а также их применений в электротехнологии и других областях техники. Впервые прохождение тока в вакууме между двумя электродами обнаружил Т.А.Эдисон в 1883 г. Первая двухэлектродная электронная лампа (диод) была изготовлена в Англии в 1904 г., основное свойство диода – односторонняя проводимость. В 1907 г. в США сконструированы первые электровакуумные триоды, в них появилась возможность управлять током с помощью третьего, управляющего электрода (сетки). Затем появились многосеточные лампы, электровакуумные приборы больших мощностей, высоких и сверхвысоких частот, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) для визуализации сигналов и изображений, передающие ЭЛТ и другие приборы. Первые компъютеры в 40-х гг. ХХ века также строились на электровакуумных приборах. Параллельно проходило развитие газоразрядных приборов. Они нашли применение для выпрямления тока и управления током в низкочастотных цепях, но, главным образом, в качестве источников света. Со второй половины ХХ века начинается развитие электронно-лучевой и ионно-лучевой технологии. Управляемые потоки электронов в вакууме и ионов в разреженном газе используют как для получения информации о составе и свойствах веществ (просвечивание лучами Рентгена, электронная микроскопия), так и для обработки материалов и деталей (сварка, переплав, напыление, модификация, размерная обработка и др.). К настоящему моменту эта область вакуумной и плазменной электроники становится преобладающей. Причина в том, что для управления электрическим током применяются почти исключительно полупроводниковые приборы, место передающих, осциллографических ЭЛТ и кинескопов занимают полупроводниковые матрицы и жидкокристаллические плоские экраны, даже газоразрядные источники света в перспективе ожидает замена на полупроводниковые. Электровакуумные приборы сохраняют свое значение в составе радиопередающих устройств и высокочастотных генераторов 3 большой мощности, газоразрядными приборами являются эффективные источники света, а также плазменные экраны. 1 ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ 1.1. Электроны в твердом теле Как известно, электрон является элементарной частицей, имеющей отрицательный заряд qe =1,601 10-19Кл, массу me=0,91 10-30кг. Масса электрона меньше массы самого легкого атома (атома водорода) в 1840 раз. Электроны, окружающие ядро атома, располагаются по оболочкам. Наружную оболочку образуют валентные электроны. В металлах валентные электроны легко отделяются от атомов, при этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Ионы располагаются в виде пространственной решетки. Отделившиеся от атомов электроны двигаются между ионами по всевозможным направлениям. Эти свободные электроны обусловливают электропроводность металлов. Согласно квантовой теории электроны в изолированном атоме могут иметь не любые, а лишь некоторые, определяемые квантовыми законами значения энергии и магнитного момента (спина). При сближении отдельных атомов и объединении их в кристаллическую решетку начинается взаимодействие между атомами, в результате которого происходит расщепление уровней энергии и возникает зона расположенных близко друг к другу уровней. Если между соседними зонами остаются запрещенные энергетические полосы, вещество является диэлектриком или полупроводником. Если соседние зоны взаимно перекрываются, вещество является металлом. Из принципа Паули следует, что как в отдельном атоме, так и в кристалле не может быть более двух электронов с одинаковыми значениями энергии, то есть, на каждом энергетическом уровне должно быть не более двух электронов, причем, спины их противоположны. Поэтому даже при нулевой абсолютной температуре электроны занимают не только самые низкие (энергетически наиболее выгодные), но и более высокие, соответствующие значительной энергии электронов. Остальные уровни, расположенные непосредственно над занятыми, остаются незаполненными. На них электроны могут переходить даже при слабых внешних воздействиях (например, при нагреве, под действием электрического поля). Максимальное значение энергии электронов в металле при температуре абсолютного нуля, называемое уровнем Ферми, h 2 3n Wi= 8me 2 3 , где h – постоянная Планка, me -масса электрона, n - число свободных электронов в единице объема металла, зависящее от рода металла: 4 n=1028 …1029 м-3. Для разных металлов уровень Ферми составляет от примерно 1 эВ (электрон-вольт) у щелочных металлов до 10 эВ и более у вольфрама, платины и т. п. На рис. 1 изображено распределение электронов по величине энергии W. При температуре выше 0 К часть электронов имеет энергию выше уровня Ферми Wi.. Если еще и вектор их скорости направлен по нормали к поверхности металла, такие электроны могут покидать металл. Однако когда электрон вылетает из металла, он уносит с собой свой отрицательный заряд, ранее уравновешивавший положительный заряд ядра атома, металл приобретает положительный заряд, и между ним и электроном начинают действовать электростатические силы притяжения. С другой стороны, множество электронов, покидающих металл, образуют вблизи его поверхности отрицательный пространственный заряд. Более того, когда электрон еще находится внутри металла и приближается к его поверхности, равнодействующая электростатических сил становится отличной от нуля и направленной в сторону от поверхности металла. Поэтому для того, чтобы электрон мог покинуть металл, он должен обладать энергией Wa= Wi + Wo , где Wo – (внешняя) работа выхода, совершаемая против сил притяжения к ионам металла, Wi – уровень Ферми, иногда называемый внутренней работой выхода, Wa - полная работа выхода электрона. В таблице 1 приведены значения работы выхода некоторых металлов. Таблица 1 Металл Работа выхода, эВ Cs 1,81 Ba 2,11 Ca 2,24 Th 3,35 Ta 4,07 Ni 4,30 Mo 4,41 W 4,52 Диэлектрики и полупроводники отличаются от металлов тем, что в них зоны разрешенных энергетических уровней не перекрываются, а разделены запрещенной зоной. Заполнены электронами лишь нижние уровни, верхние уровни свободны. Поэтому при невысокой температуре и в слабых электрических полях диэлектрики и полупроводники электрический ток не проводят. У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика и составляет от нескольких единиц до 30 эВ. У полупроводников она значительно меньше (1 эВ и менее), поэтому при нормальной температуре и тем более при умеренном нагреве часть электронов преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости, кристалл становится способным проводить 5 электрический ток. Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры, а также наличия и вида атомов примесей. 1.2. Термоэлектронная эмиссия Термоэлектронной эмиссией называют испускание электронов нагретыми металлами или полупроводниками. При повышении температуры скорости и энергии некоторых электронов проводимости оказываются достаточными для преодоления удерживающих сил и совершения тем самым работы выхода. Закон термоэлектронной эмиссии (формула Дэшмана) J eq=A T2 exp(-b0 /T), где Jeq – плотность тока с эмитирующей поверхности, А*м-2, Т – абсолютная температура, К; А – постоянная, одинаковая для всех металлов, А = 60,2*106 А *м-2 *К-2; b0=W0/k – отношение работы выхода данного металла к постоянной Больцмана, К. На практике постоянная А у разных металлов различна. Данные для некоторых металлов приведены в таблице 2. Таблица 2 Металл W Mo Ta Th Ba Cs А, А*м-2 *К-2 *106 60 55 60 70 60 162 b0, K*103 52,4 48,1 47,5 39,2 24.5 2,1 Плотность тока эмиссии очень сильно зависит от температуры металла. Например, повышение температуры вольфрама с 2400 до 2500 0С приводит к росту тока эмиссии на 150%. Эмиссионная способность металла в большой степени зависит от имеющихся в нем примесей и от чистоты и шероховатости поверхности. Например, примесь тория в вольфраме при той же температуре дает многократно большую эмиссию. Причина в том, что одноатомный (из-за быстрого испарения) слой положительно заряженных ионов тория на поверхности вольфрама притягивает электроны, движущиеся из толщи металла к поверхности, и тем самым способствует более легкому их выходу за пределы металла. Работа выхода в этом случае меньше, чем из чистого вольфрама. В электровакуумных приборах тело, испускающее электроны, называют катодом, так как его присоединяют к отрицательному полюсу источника напряжения. Положительное напряжение этого источника приложено к другому электроду – аноду. Между катодом и анодом образуется электрическое поле, ускоряющее действующее на электроны. Когда испускаемые нагретым металлом катода электроны попадают в электрическое поле анода, оно притягивает и ускоряет электроны и тем 6 самым повышает эмиссию. Это явление называется эффектом Шоттки. Плотность тока эмиссии с учетом эффекта Шоттки J’eq=Jeqexp(43,9E0,5/T), где Jeq – плотность тока без учета эффекта Шоттки, А/м2; Е – напряженность поля у катода, В/м; Т – температура, К. Формула верна для катодов с идеально гладкой поверхностью. У катодов с шероховатой поверхностью поле сильно неоднородное и местами может иметь очень высокую напряженность, вызывая более существенный рост эмиссии. Особенно сильно электрическое поле влияет на эмиссию полупроводниковых катодов, в которых оно не только снижает внешнюю работу выхода, но и, проникая из-за меньшей электропроводности полупроводника в его толщу, уменьшает внутреннюю работу выхода. 1.3. Термоэлектронные катоды Катод в электровакуумном приборе – это электрод, являющийся источником электронов. Для получения достаточной плотности тока эмиссии катод должен иметь высокую температуру. По первому варианту конструкции катод изготавливают из проволоки и нагревают путем пропускания по проволоке электрического тока от отдельного источника, называемого источником тока накала. Такой катод называют катодом прямого накала. Температура катода и, следовательно, ток эмиссии зависят от мощности, расходуемой на нагрев катода, и условий его охлаждения. Поскольку измерять температуру катода или мощность накала затруднительно, для оценки катода служит зависимость тока эмиссии от тока накала или напряжения на нити накала, называемая эмиссионной характеристикой катода. Электрическая схема для снятия накальной и эмиссионной характеристик катода двухэлектродной электронной лампы прямого накала представлена на рисунке 2. Подогрев катода обеспечивает регулируемый источник напряжения Ен, ток и напряжение накала измеряют соответственно амперметром А и вольтметром Vн. Между катодом и анодом лампы положительным полюсом к аноду приложено напряжение регулируемого источника Еа, величина этого напряжения контролируется вольтметром Va, ток анода измеряется миллиамперметром mA. Накальная характеристика катода – это зависимость тока накала от напряжения, приложенного к нити 7 накала при отключенном анодном источнике. По существу, это вольтамперная характеристика нелинейного сопротивления, которым является нить накала, обычно изготавливаемая из тугоплавкого вольфрама. С ростом мощности накала повышается температура нити, растет ее сопротивление электрическому току (у вольфрама положительный температурный коэффициент сопротивления 5,4*10-3 К-1), следовательно, скорость роста тока будет падать. Эмиссионная характеристика катода – это зависимость тока катода от тока или напряжения накала при неизменном напряжении между анодом и катодом. По мере повышения тока накала растет температура катода и ток эмиссии. Вылетающие из катода электроны образуют вблизи катода облако, обладающее отрицательным пространственным зарядом и тормозящее электроны. Электрическое поле, создаваемое анодом, находящимся под положительным потенциалом относительно катода, заставляет электроны двигаться к аноду, в результате формируется ток анода и разрушается облако электронов вблизи катода. Очевидно, чем выше напряженность поля анода, тем больше ток анода и меньше пространственный заряд вблизи катода. Однако по мере приближения тока анода к току эмиссии катода скорость роста тока анода падает почти до нуля, такой режим работы лампы называют режимом насыщения. В режиме насыщения любой электрон, покинувший катод, достигает анода; электрическое поле анода стимулирует эмиссию вследствие эффекта Шоттки. 1.3.1. Параметры катодов 1. Рабочая температура Траб. Это температура эмиттирующей поверхности катода в нормальных рабочих условиях. Она в значительной мере определяет другие параметры катода и электровакуумного прибора в целом: плотность тока катода, расход мощности на его подогрев, срок службы ЭВП и т.д. 2. Удельная эмиссия: величина тока электронной эмиссии с единицы поверхности катода. Согласно формуле Дэшмана удельная эмиссия J eq=A Tраб 2 exp(-b0 /Tраб ). 3. Допустимая плотность тока катода. Для простых катодов она может достигать удельной эмиссии, для активированных и, особенно, полупроводниковых катодов она должна быть много меньше плотности тока эмиссии, иначе активный слой катода разрушится. В импульсном режиме работы допустимая плотность тока катода больше той же величины в непрерывном режиме. 4. Удельная мощность накала – это мощность накала, приходящаяся на единицу поверхности катода. На нагрев катода расходуется мощность, зависящая от температуры катода, свойств материала и размеров катода. При включении накала температура катода начинает повышаться, а по мере роста температуры растет мощность тепловых потерь, главным образом, на излучение, и за некоторое время (обычно десятки секунд) температура катода достигает установившегося значения. Еще одна составляющая потерь 8 энергии катодом – на электронную эмиссию. Каждый электрон, покидающий катод, уносит энергию, равную сумме своей кинетической энергии и работы выхода. Поскольку средняя кинетическая энергия одного электрона равна 2kT, расход мощности накала на эмиссию Pe=IeПредставляет собой(e 0 + 2kT)/e, где e 0 – работа выхода, эВ; е = 1,6*10-19 Кл – заряд электрона, Ie – ток катода, А. Эта величина составляет от 2 до 7 процентов от мощности, потребляемой накалом лампы. 5. Эффективность катода. Это отношение тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на нагрев катода: H = Ie / Pн . Эта величина одновременно характеризует эмиссионные свойства катода и определяет расходуемую на накал мощность. Для данного материала катода эффективность зависит только от температуры, возрастая по экспоненциальному закону при повышении температуры: H = Ie /Pн const* T -2 exp(-b0/T). Использование катода при более высокой температуре выгодно, так как при этом ток эмиссии катода возрастает, а относительный расход мощности падает, однако снижается долговечность катода. 6. Долговечность катода. Иначе называется сроком службы. Важнейший параметр любого электровакуумного прибора. Представляет собой среднее время безотказной работы катода данного типа в определенных условиях. Отказ катода – наиболее частая причина отказа всего электровакуумного прибора. Катоды из чистых неактивированные металлов отказывают обычно в результате механического повреждения (обрыва) нити накала. При высокой температуре металл нити испаряется, сечение нити уменьшается, причем, неравномерно. На тех участках, где сечение меньше, выделяется большая мощность, выше температура и интенсивнее испарение. В конце концов, нить накала разрывается из-за потери механической прочности. Основная причина выхода из строя активированных катодов – уменьшение эмиссионной способности вследствие дезактивации поверхностного слоя. Лампа с дезактивированным слоем к использованию непригодна, хотя нить накала и сохраняет целостность. Из-за снижения эмиссии катода изменяются другие параметры прибора, и его использование в рабочем режиме становится невозможным. Поэтому долговечность или срок службы прибора определяют как время работы, в течение которого параметры прибора снижаются до 70 – 80 % начальных значений. Долговечность электровакуумных приборов очень сильно зависит от температуры катода, то есть, от электрического режима нити накала. И повышение, и понижение тока (напряжения) накала от номинальных значений приводит к снижению срока службы лампы. 9 1.3.2. Типы катодов Термоэлектронные катоды электровакуумных приборов подразделяются на три группы: - катоды их чистых металлов и сплавов; - пленочные катоды; - полупроводниковые катоды. Катоды первой группы – неактивированные. Их называют также простыми или однородными. Катоды второй и третьей групп являются активированными. На их наружной поверхности имеется активный слой, отличающийся по составу от толщи катода и при изготовлении ЭВП подвергаемый специальной обработке ( активировке). У пленочных катодов активный слой представляет собой одноатомную пленку электроположительного металла. Такие катоды называют также тонкослойными. У полупроводниковых катодов активный слой имеет значительную толщину (десятки тысяч и более атомных слоев) и состоит из полупроводника с примесной электронной проводимостью. Такие катоды называют толстослойными. Среди них есть также катоды с металлической проводимостью активного слоя. 1.3.3. Катоды из чистых металлов Вольфрамовые катоды. Достоинства вольфрама как материала для катодов: высокая температура плавления (свыше 3600 К), хорошая обрабатываемость, позволяющая изготавливать тонкую проволоку. Рабочая температура вольфрамового катода от 2400 до 2600 К в зависимости от типа лампы. С ростом температуры растут эмиссия и эффективность катода, но снижается долговечность. Эффективность составляет 2 – 10 мА/Вт, срок службы – 2000 – 3000 час. Основное достоинство вольфрамового катода – постоянство эмиссии. Применяют вольфрамовые катоды в мощных лампах, работающих при высоком анодном напряжении. Танталовые катоды. Температура плавления тантала (3120 К) ниже, чем у вольфрама, но меньше и работа выхода, поэтому танталовый катод при температуре 2300- 2500 К дает эмиссию в 10 раз большую, чем вольфрам при этой температуре. Однако при сильном нагреве тантал рекристаллизуется в крупнокристаллическую структуру и становится хрупким и ломким. 1.3.4. Пленочные катоды Торированные катоды. Представляют собой проволоку из вольфрама с примесью тория (0,5 – 2% ThO).При нагревании в вакууме окись тория восстанавливается до металлического тория, атомы тория диффундируют к поверхности, образуют на ней одноатомный слой и постепенно испаряются. 10 В процессе продвижения к поверхности часть атомов тория отдает свои валентные электроны атомам вольфрама и на поверхности катода становится положительными ионами. В результате существенно снижается работа выхода электронов из такого катода. Рабочая температура торированного катода 1800 – 1900 К при этом эффективность 35 – 50 мА/Вт. Срок службы ограничен не обрывом нити, а существенным снижением эмиссии из-за обеднения катода торием и рекристаллизации вольфрама, затрудняющей диффузию атомов тория к поверхности катода. На состояние активного слоя сильно влияют остаточные газы в баллоне. Они взаимодействуют с поверхностью катода химически, а также, ионизируясь, бомбардируют катод, в результате поверхность разрушается. Недостаток торированного катода – неустойчивость эмиссии, поэтому такие катоды применяются редко. Карбидированные катоды. Представляют собой торированные катоды, обработанные в атмосфере углеводородов с целью насыщения металла углеродом, при этом на поверхности образуется слой карбида вольфрама W2C, а уже на нем – одноатомный слой тория. Теплота испарения тория с карбида вольфрама больше, чем с чистого вольфрама, поэтому эмиссия такого катода более стабильна, а срок службы больше. Рабочая температура карбидированного катода около 2000 К, эффективность 50 – 70 мА/Вт. Недостатки такого катода обусловлены хрупкостью карбида вольфрама и неодинаковостью температурных коэффициентов линейного расширения вольфрама и его карбида, что при многократных циклах нагрева и охлаждения приводит к разрушению нити накала. 1.3.5. Полупроводниковые катоды Полупроводниковый оксидный катод – это наиболее распространенный тип катода в электровакуумных приборах. Основание (керн) катода изготавливают из вольфрама или никеля. На поверхность керна наносят довольно толстое (20 – 100 мкм) покрытие, состоящее из смеси оксидов щелочноземельных металлов: бария, стронция, кальция, причем, оксиды образуются в уже собранной, но не откачанной лампе из углекислых солей (карбонатов) названных металлов, которые при нагревании разлагаются на оксиды и углекислый газ. В обычном, неактивированном состоянии оксиды являются диэлектриками. Активировка катода включает его нагрев до 1300 К в электрическом поле, создаваемом напряжением положительной полярности, поданным на анод лампы. При такой обработке часть оксидов восстанавливается до металла, и ионы этого металла частично перемещаются к поверхности катода, другой частью распределяются в толще оксидного слоя. Эти ионы выступают донорами, придавая оксиду свойства полупроводника с электронной проводимостью. Работа выхода электрона из такого полупроводникового катода мала (1 – 1,1 эВ), и значительная 11 термоэлектронная эмиссия получается уже при температуре 1000 – 1100 К при эффективности катода от 60 до 100 мА/Вт. Срок службы оксидного катода теоретически очень велик, так как определяется запасом щелочноземельных металлов, главным образом, бария, в оксидном слое. На практике срок службы большинства ламп и других ЭВП с оксидными катодами от 1500 до 3000 часов, у специальных долговечных ламп – до 10000 часов, в свое время для усилителей подводных кабелей связи изготавливались лампы, рассчитанные на срок службы до 100 000 часов. В непрерывном режиме работы ток оксидного катода многократно меньше тока эмиссии. В импульсном режиме при длительности импульса 1 – 10 мкс и скважности более 1000 при повышенном анодном напряжении с обычных ламп получают большие анодные токи, при этом плотность тока эмиссии доходит до 100 А/см2, в то время как в непрерывном режиме она не превышает 0,5 А/см2. 1.3.6. Конструкции катодов и особенности их эксплуатации Существуют два типа конструкций термоэлектронных катодов. В первой эмиттирующей электроны поверхностью является непосредственно нить накала – проволока или лента, нагреваемая током. Такой катод называют катодом с непосредственным накалом или катодом прямого накала. В другой конструкции проволока, нагреваемая током (подогреватель) помещается внутри полой металлической детали, наружная поверхность которой эмитирует электроны. Такой катод называют катодом косвенного накала, или подогревным. Каждый тип катода имеет свои достоинства и недостатки. Катод прямого накала более экономичен, имеет меньшие массу и размеры, однако его поверхность на разных участках имеет разные потенциалы из-за того, что к нити накала приложено напряжение накала. Плотность тока, снимаемая с разных участков катода, также будет различной. Если цепь накала питается переменным током низкой частоты (обычно 50 Гц), температура катода изменяется с удвоенной частотой от максимальной до минимальной и обратно. Это явление выражено тем сильнее, чем меньше масса и размеры катода. Кроме того, при использовании лампы прямого накала неизбежна гальваническая связь между цепью катод – анод и цепью накала. Катод косвенного накала менее экономичен, имеет большие размеры и массу, однако он электрически изолирован от подогревателя, а за счет большей тепловой инерции при подогреве от источника переменного тока практически не обнаруживает пульсаций тока катода с удвоенной частотой тока накала. Величины напряжения накала для всех электровакуумных приборов стандартизованы. При централизованном питании изделий с ЭВП от промышленной сети переменного тока 220 В 50 Гц применяют приемноусилительные (маломощные) лампы с напряжением накала 6,3 В, более 12 мощные лампы имеют напряжение накала 12,6 – 30 В и токи накала от единиц до сотен ампер. С точки зрения надежности электровакуумные приборы существенно уступают полупроводниковым приборам. Тому есть две причины. Первая в том, что любой ЭВП содержит детали, нагретые до высокой температуры: катод и подогреватель. Вторая причина: электровакуумный прибор помещен в оболочку, внутри которой должен быть глубокий вакуум, давление остаточных газов не должно превышать 10-7мм рт. ст. После включения питания электровакуумный прибор выходит на рабочий режим через некоторое время, необходимое для разогрева катода до рабочей температуры. Для миниатюрных ламп с катодами прямого накала это время измеряется секундами, для крупных ламп с катодами косвенного накала нужно большее время, иногда более одной минуты. При подаче напряжения накала на холодный подогреватель ток накала в начальный момент может до 20 раз превышать рабочий ток, происходит это вследствие зависимости удельного сопротивления материала подогревателя от температуры. Поэтому в цепях накала мощных ламп включают пусковые регуляторы тока. Для увеличения срока службы напряжения на электроды ламп подают после полного прогрева катода, особенно важно это для оксидных катодов. 1.4. Прохождение тока в вакууме Обычно прохождение электрического тока между катодом и анодом электровакуумного прибора представляют так: электроны, испускаемые катодом, летят под действием ускоряющего поля к аноду и, достигая анода, замыкают электрическую цепь через вакуумный промежуток. При этом величина тока в любом участке цепи анода всегда определяется числом электронов, попадающих на анод. Однако в такой модели не учтено явление электростатической индукции. Оно состоит в том, что электроны, вылетающие из катода, наводят положительные заряды и на катоде, и на аноде. Сумма этих зарядов равна по абсолютной величине заряду движущихся в вакууме электронов. Когда электрон покидает катод, он наводит заряд преимущественно на катоде, затем по мере движения к аноду доля заряда на катоде падает, а на аноде растет, то есть, происходит перераспределение заряда, сопровождающееся возникновением во внешней цепи, замыкающей анод и катод, электрического тока. Этот ток связан с движением электронов в вакуумном пространстве и не определяется тем, достигают ли электроны анода или нет. Величина тока определяется согласно теореме: «Заряд q, движущийся со скоростью v в системе заземленных электродов, наводит в цепи любого электрода ток i = qvEv , где Ev – составляющая напряженности электрического поля в направлении скорости, которое существовало бы в точке нахождения заряда, если бы 13 1) заряд удалить; 2) потенциал исследуемого электрода сделать равным единице; 3) все остальные электроды заземлить». Если ток между электродами изменяется так быстро, что период его изменения сравним с временем пролета электронов, то этот ток неодинаков в различных сечениях и отличается от тока во внешней цепи. Если изменяется разность потенциалов между электродами, появляется другая составляющая тока: ток смещения, или емкостный. 1.4.1. Пространственный заряд в диоде Ток в анодной цепи вакуумного диода зависит от анодного напряжения. На рисунке 3 изображены вольт-амперные характеристики диода, снятые при разных напряжениях накала, причем, Uн1> Uн2> Uн3. Все три характеристики показывают, что восходящие участки кривых примерно совпадают, но в зависимости от уровня накала катода достигается большее или меньшее предельное значение тока анода, выше которого ток не растет, несмотря на увеличение анодного напряжения. Это наибольшее при данном накале значение тока анода называется током насыщения Iнас; напряжение анода, при котором достигается ток насыщения, называется напряжением насыщения Uнас. Чем выше накал катода, тем больше ток и напряжение насыщения. Тот факт, что величина тока насыщения зависит только от накала (температуры) катода и увеличение анодного напряжения свыше Uнас не приводит к росту тока, свидетельствует о том, что в режиме насыщения все электроны, испускаемые катодом при данной его температуре, достигают анода и участвуют в создании анодного тока. В диоде ток насыщения всегда равен току эмиссии катода. В режимах, соответствующих восходящей части характеристик (до тока насыщения), очевидно, не все электроны, вылетевшие с поверхности катода, движутся к аноду. Причиной, препятствующей продвижению всех электронов к аноду, является пространственный заряд, образуемый самими электронами, находящимися в пространстве между катодом и анодом. Пусть катод и анод диода представляют собой бесконечные плоскости, расположенные параллельно друг другу на некотором расстоянии. Пусть анод имеет положительный потенциал, а катод заземлен. Если накал катода отсутствует, и эмиссии электронов нет, распределение потенциала в пространстве между анодом и катодом будет линейным и соответствовать линии 1 на рисунке 4, где положительный потенциал отсчитывается вниз от оси абсцисс. Если катод накален, то вылетающие с его поверхности электроны заполнят пространство 14 между катодом и анодом и составят пространственный, или объемный, отрицательный заряд. Этот заряд понижает потенциал во всех точках пространства между катодом и анодом, и распределение потенциала соответствует кривым 2 и 3. Кривая 2 соответствует невысокой температуре катода, при которой ток эмиссии невелик, все электроны, вылетевшие из катода, притягиваются к аноду и ток анода равен току эмиссии катода; потенциал пространства между катодом и анодом во всех точках положителен. При повышении температуры катода (кривая 3) эмиссия электронов катодом возрастает, увеличивается и количество электронов в пространстве между катодом и анодом. В тех местах, где концентрация электронов велика (это участки, примыкающие к катоду, где скорость электронов еще мала), поле пространственного заряда электронов превосходит поле источника анодного напряжения, и потенциал становится отрицательным, достигая величины –Uмин. В пространстве от катода до сечения, где потенциал равен –Uмин, результирующее поле для электронов тормозящее, ускоряющим оно становится на последующем участке пути электронов к аноду. Для того, чтобы попасть в ускоряющее поле и достичь анода, вылетающий с поверхности катода электрон должен преодолеть тормозящее поле пространственного заряда, своего рода потенциальный барьер высотой –Uмин. Скорости эмитируемых катодом электронов различны, они подчиняются распределению Максвелла, поэтому не все электроны имеют энергию, достаточную для преодоления этого барьера. Только быстрые электроны со скоростями, большими vмин = 2eU мин , пройдут тормозящее m поле и достигнут анода, они будут определять величину тока анода. Электроны с меньшими скоростями будут заторможены тормозящим полем пространственного заряда, они потеряют скорость, затем под действием поля пространственного заряда вернутся на катод. Такой режим работы электровакуумного диода, при котором ток анода меньше тока эмиссии катода, называется режимом пространственного заряда. Если при неизменном потенциале анода увеличить эмиссию электронов катодом за счет большей мощности накала, возрастет плотность пространственного заряда и тормозящее поле (увеличится высота потенциального барьера –Uмин и положение его максимума сдвинется в сторону анода), поэтому большее число электронов будут этим полем задержаны и возвращены на катод. 15 Если зафиксировать режим накала катода и изменять напряжение на аноде, распределение потенциала между катодом и анодом будет иметь вид, представленный на рисунке 4, где кривые соответствуют напряжениям на аноде Ua = 0 и Uа1 > 0, Uа1<Uа2<Uа3. Если анод не подключен ни к какой электрической цепи, на нем сформируется отрицательный потенциал, по абсолютной величине несколько превышающий уровень –Uмин для случая Ua = 0. С ростом анодного напряжения абсолютная величина –Uмин уменьшается, а положение этой области максимума тормозящего поля смещается в сторону катода. При достаточно большом напряжении анода тормозящее поле исчезает, и диод переходит в режим насыщения. Дальнейшее повышение анодного напряжения увеличивает потенциал во всех точках пространства между анодом и катодом и приближает распределение потенциала к линейному, при этом ток в цепи анода остается постоянным и равным току насыщения. Следует отметить, что в реальных электронных лампах –Uмин измеряется десятыми долями вольта, его местоположение – в сотых – десятых долях миллиметров от катода, в то же время рабочие напряжения на анодах разных ламп находятся в диапазоне от десятков вольт до десятков киловольт. Зависимость тока анода от напряжения анод – катод (вольт-амперная характеристика) диода, выведенная теоретически, называется «закон трех вторых»: Ia = CUa3/2, где С – постоянная, учитывающая как физические константы, так и форму и размеры электродов конкретного диода; размерность ее, очевидно, А/B3/2.. Закон выведен в предположении, что начальная скорость электронов, покидающих катод, равна нулю, и напряженность поля у поверхности катода равна нулю. На самом деле это не так, поэтому в экспериментах с реальными приборами обнаруживаются отклонения от закона трех вторых. Двухэлектродные лампы (диоды) Изображения на электрических схемах двухэлектродных электронных ламп приведены на рисунке 5, где а – диод прямого накала, б – диод косвенного накала, в – двуханодный диод косвенного накала г – упрощенное изображение без подогревателя. В зависимости от назначения и области применения различают следующие типы вакуумных диодов: диоды для выпрямления переменного напряжения с целью использования в системах электропитания (кенотроны) и высокочастотные выпрямительные диоды. Основные параметры вакуумных диодов: напряжение накала номинальное, наибольшее и наименьшее допустимые; ток накала; максимально допустимое обратное напряжение (плюсом на катоде, минусом на аноде); максимально допустимый выпрямленный или импульсный ток; падение напряжения в прямом направлении при определенном токе; максимально 16 допустимая температура баллона лампы. Для высокочастотных диодов важнейший параметр – горячая (то есть, при наличии накала) емкость анод – катод. Для диодов косвенного накала имеет значение максимально допустимое напряжение катод – подогреватель, а также сопротивление между этими электродами у горячей лампы. Вакуумные диоды, как и другие электронные лампы, изготавливают в цилиндрических баллонах из специального электровакуумного стекла. Для электрической связи электродов лампы с внешними цепями имеются металлические выводы, впаянные в торцы баллона. Этими выводами лампа вставляется в специальную панельку. Размеры баллонов, количество и размеры выводов электровакуумных приборов стандартизованы. Статические вольт-амперные характеристики отклоняются от теоретических, которые описываются законом трех вторых. Отличия следующие: 1) восходящие участки характеристик, снятые при разных накалах катода, идут веерообразным расходящимся пучком, в то время как теоретические характеристики все совпадают; 2) действительные характеристики идут более полого, чем это следует по закону трех вторых; 3) переход к режиму насыщения в действительных характеристиках происходит постепенно, кривые плавно загибаются вместо резкого перехода к насыщению; 4) ток в области насыщения не остается постоянным, но с ростом анодного напряжения более или менее увеличивается. Рассмотрим более подробно отдельные участки реальных характеристик диода. На начальном участке характеристики при нулевом напряжении между анодом и катодом в замкнутой цепи анод – катод протекает начальный ток, обусловленный ненулевыми начальными скоростями вылетающих из катода электронов. Для того, чтобы ток прекратился, нужно к аноду приложить некоторый отрицательный потенциал ( обычно не более 1,5 – 2 В). 17 Сдвиг начального участка характеристики относительно оси ординат зависит от контактной разности материалов катода и анода. Если работа выхода у материала анода больше, чем у материала катода, то между катодом и анодом возникает тормозящее поле даже в тех случаях, когда внешнего поля нет, вследствие чего характеристика смещается правее. В лампах с активированными катодами в процессе эксплуатации анод постепенно покрывается распыляющимся материалом катода, и работа выхода анода уменьшается, из-за этого начальный участок характеристики постепенно дрейфует влево. На начальный участок характеристики влияет также магнитное поле тока накала. Под действием этого поля траектории движения электронов от катода к аноду искривляются в сторону положительного конца катода вплоть до попадания на этот конец катода. Это явление называется магнетронным эффектом. Для ослабления магнетронного эффекта применяют такие конструкции нитей накала ламп, в которых магнитные поля разных частей подогревателя взаимно компенсируются. На восходящем участке характеристики, где лампа работает в режиме объемного заряда, размеры активной части катода зависят от интенсивности накала. При слабом накале катод имеет большие охлажденные концы и его рабочая длина и, следовательно, действующая поверхность меньше геометрических размеров. Поэтому характеристика идет более полого, чем при нормальном накале или перекале. Неравномерность распределения температуры по катоду является также причиной плавного перехода от режима объемного заряда к режиму насыщения. Ток накала, проходящий по катоду прямого накала, создает падение потенциала по его длине, вследствие чего потенциал разных точек катода неодинаков и постепенно возрастает при переходе от отрицательного конца катода к положительному. Из-за этого потенциал разных участков катода относительно анода различен, поэтому характеристика идет ниже, чем теоретическая ( при условии, что с минусом источника анодного напряжения соединен плюс источника накала). В лампе с катодом косвенного накала катод имеет эквипотенциальную поверхность. Отклонения характеристики в области насыщения от теоретической вызваны эффектом Шоттки и выражаются в том, что напряжение анод – катод на участке насыщения не постоянно, а возрастает с большей или меньшей скоростью. У вольфрамового катода это возрастание напряжения мало, у торированного заметно больше, а у оксидного вообще при допустимых токах катода участок насыщения не достигается. Линейные размеры электродов и расстояния между ними выдерживаются в процессе производства ламп с конечной точностью, поэтому и параметры ламп имеют разброс. На статической характеристике диода определяют крутизну характеристики S = dI a/dUa I a / U a , А/В , и обратное крутизне внутреннее сопротивление 18 Ri = 1/S = dUa / dIa U a / I a , Ом, а также сопротивление лампы постоянному току R0 = Ua / Ia , Ом. При работе в электрической цепи электронная лампа превращает мощность электрического тока в тепловую мощность и рассеивает ее в окружающем пространстве. Электрон, вылетающий из катода, движется к аноду в его электрическом поле, при этом он ускоряется и приобретает кинетическую энергию 0,5mv2 = eUa . При попадании на анод эта энергия превращается в тепловую. Если за одну секунду на анод попадает n электронов, то их энергия равна neUa . Так как ne = Ia , то энергия, выделяющаяся на аноде в виде тепла за одну секунду, то есть, тепловая мощность Pa = Ia Ua . В отличие от металлического проводника, тепловая мощность в котором описывается тем же соотношением, в электронной лампе мощность выделяется на аноде. Эта мощность должна быть рассеяна в окружающем пространстве. У приемно-усилительных ламп анод находится в вакуумном баллоне, поэтому теплообмен со средой происходит почти исключительно путем излучения согласно закону Стефана-Больцмана. Излучаемая единицей поверхности тепловая мощность Paq = S T4 , Вт /м2, где - коэффициент лучеиспускания, - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. Этот закон справедлив для абсолютно черного тела и достаточно точно соблюдается для реальных объектов. Значение коэффициента лучеиспускания различно для разных материалов и различных видов обработки их поверхностей. Например, у абсолютно черного тела =1, железо оксидированное имеет =0,95, у того же железа с белой поверхностью =0,35, а у полированного железа коэффициент лучеиспускания снижается до 0,25. В установившемся режиме выделяющаяся на аноде тепловая мощность полностью рассеивается в окружающей среде, и температура анода определяется его лучеиспускательной способностью. Очевидно, при неизменной рассеиваемой мощности температура перегрева анода будет тем выше, чем меньше его излучающая поверхность. Допустимая температура нагрева анода зависит от свойств материала анода. С повышением температуры из анода начинается термоэлектронная эмиссия, искажающая характеристики прибора, усиливается выделение растворенных в металле газов, возможны деформация анода и разрушение контактирующих с ним изоляционных деталей. В лампах с активированными, в частности, с оксидными катодами допустимая температура анода определяется не свойствами материала анода, а условиями нормальной работы катода. Анод, нагретый до высокой температуры, вследствие лучеиспускания подогревает катод, который перегревается и может потерять эмиссию. Поэтому для нормальной работы катода температура анода должна быть 19 значительно ниже температуры катода. При температуре оксидного катода 100 – 1100 К нагрев анода не должен превышать 600 К. Для эффективного охлаждения анода при таких температурах особое значение имеет коэффициент лучеиспускания. Основные тепловые параметры некоторых материалов, применяемых для изготовления деталей электровакуумных приборов с естественным охлаждением, приведены в таблице 3. Таблица 3 Материал Тмакс, К Руд макс. Вт/см2 Никель белый 0,20…0,22 970..1050 1…1,5 Молибден белый 0,24…0,29 1350…1400 4…6 Тантал белый 0,20…0,28 1550…1600 8…9 Никель черненый 0,52…0,60 950…1050 2,8…4,2 Графит 0,68…0,80 950…1050 4…6 На рисунке 6 изображена принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя переменного напряжения с помощью двуханодного кенотрона. Трансформатор TV преобразует переменное напряжение питающей сети во вторичные напряжения. Верхняя по схеме вторичная обмотка трансформатора имеет отвод от средней точки и подает подлежащее выпрямлению напряжение на аноды кенотрона. Выпрямленное напряжение снимается с общего катода кенотрона и подается на конденсаторный фильтр Сф и на сопротивление нагрузки Rн. Напряжение для подогрева катода кенотрона подводится к его подогревателю от низковольтной накальной обмотки трансформатора. Следует указать недостатки устройства по рис. 6 в сравнении с выпрямителем на полупроводниковых диодах. Ламповый выпрямитель проигрывает в массе и габаритах, в коэффициенте полезного действия, имеет большее внутреннее сопротивление и вследствие этого больший уровень пульсаций выпрямленного напряжения в такой же схеме фильтра, лампе нужен источник мощности накала. Поэтому в настоящее время выпрямители на кенотронах не применяются. 20 В таблице 4 приведены параметры некоторых вакуумных диодов малой мощности. Таблица 4 Тип диода Число анодов 1Ц11П 1 5Ц3С 2 5Ц4С 2 6Ц4П 2 Uн,В 1,2 5 5 6,3 Iн, А 0.2 3 2 0,6 Iа макс, мА 2 750 375 300 Uобр макс, кВ 20 1,7 1,35 1.0 Iвыпр макс, мА 0,3 230 125 72 1.6. Трехэлектродные электронные лампы (триоды) Для использования электронной лампы в качестве усилительного прибора в нее вводят третий, управляющий электрод – сетку и помещают ее между катодом и анодом ближе к катоду. Такой ЭВП называют триодом. При подаче на сетку потенциала относительно катода картина электрического поля между катодом и анодом изменяется. Изменяется и количество электронов, проходящих сквозь сетку к аноду, то есть, ток анода. Следовательно, в триоде на величину тока анода влияют две величины: напряжение на аноде и напряжение на сетке. На рисунке 7 изображена схема включения лампового триода. В цепи сетки соединены последовательно два источника: постоянного напряжения смещения Есм и переменного напряжения усиливаемого сигнала Uс. Анод подключен к источнику постоянного положительного напряжения Еа через посредство резистора Rн, выполняющего функцию сопротивления нагрузки. Катод лампы соединен с общим проводом. Ток анода протекает последовательно от положительного полюса источника Еа через сопротивление нагрузки к аноду и далее через промежуток анод – катод триода. На рисунке 8 изображены сеточно-анодная и сеточная характеристики триода, снятые при неизменных напряжениях накала и анода, а также прямая, аппроксимирующая сеточно-анодную характеристику. Согласно аппроксимации при напряжении на сетке ниже напряжения отсечки Uотс ток анода равен нулю. При большем напряжении ток линейно нарастает. Скорость этого нарастания характеризует крутизна вольт-амперной характеристики 21 S = dIa /dUc Ia / Uc , где Ia – приращение тока анода, вызванное приращением напряжения на сетке Uc. Крутизна реальной характеристики, как показано на рис. 8, отличается от крутизны аппроксимирующей прямой. Зависимость тока сетки от напряжения на ней существует лишь для положительных напряжений. Она отражает тот факт, что часть электронов, эмиттируемых катодом, под действием поля положительного потенциала сетки попадает на нее, и для того, чтобы отрицательный потенциал на сетке не накапливался, сетка должна иметь гальваническую связь с катодом. В схеме по рис. 7 эта связь осуществляется через последовательно соединенные источники напряжения Есм и Uс. Сопротивление нагрузки преобразует ток анода в напряжение на аноде: Ua = Ea – Rн Ia. Одной характеристики по рис. 8 недостаточно для анализа и расчета схем с триодом. Более полные сведения дают семейства характеристик: сеточно-анодных (см. рис. 9) и анодных (см. рис.10). На сеточно-анодных характеристиках Ua3 > Ua2 > Ua1. Семейство анодных характеристик представляет собой кривые зависимости Ia(Ua) при различных величинах напряжения на сетке Uc. Подобно тому, как на анодно-сеточных характеристиках определяется крутизна триода, на анодных – другой параметр, называемый внутренним сопротивлением триода: Ri = dUa /dIa U a / I a при Uс – const. Произведение SRi = - коэффициент усиления триода. 22 Коэффициент усиления показывает, какое приращение напряжения в вольтах на аноде получается при действии на сетке приращения напряжения в один вольт при условии, что ток анода остается неизменным: Ua Uc Iaconst . На рисунке 11 изображена эквивалентная схема по переменному току выходной цепи усилителя по рис. 8. Здесь G – генератор напряжения, совместно с внутренним сопротивлением Ri моделирующий участок анод – катод триода, электродвижущая сила генератора EG = Uc. Напряжение на нагрузке Uн = EGRн/(Rн + Ri) = Uc Rн/(Rн + Ri). Следовательно, коэффициент усиления по напряжению каскада с резистивной нагрузкой KU = Rн/(Rн + Ri) < , а - это коэффициент усиления каскада при Rн . Значения параметров S, Ri, триодов разных типов зависят от их назначения и конструкции, а также от режима измерения. Коэффициент усиления у разных триодов принимает значения в диапазоне от 4 до 125, крутизна составляет единицы – десятки мА/В. С повышением частоты усиливаемого сигнала коэффициент усиления триода уменьшается. Одна из причин этого обусловлена наличием между электродами триода паразитных электрических емкостей сетка – катод Сск, сетка – анод Сса, анод – катод Сак. Порядок величины этих емкостей от 1..10 пФ в маломощных до более 50 пФ в мощных триодах. На рисунке 12 изображена эквивалентная схема усилительного каскада на триоде с учетом междуэлектродных емкостей и внутреннего сопротивления источника сигнала. С повышением частоты сигнала начинает сказываться шунтирующее действие Сск на входное напряжения и Сак на выходное напряжение. Через емкость Сса часть сигнала с выхода попадает на вход, причем, в противофазе с полезным сигналом, тем самым образуется цепь отрицательной обратной 23 связи. В результате коэффициент усиления и входное сопротивление каскада уменьшаются. Особенно сильно влияет на спад усиления на высоких частотах емкость Сса . 1.7. Тетрод Для уменьшения глубины отрицательной обратной связи в триод было предложено ввести вторую сетку между анодом и первой, управляющей сеткой. Назначение этой сетки состоит в экранировании управляющей сетки от анода, поэтому и называется эта вторая сетка экранирующей или экранной, прибор же называют тетродом. На экранирующей сетке цепью питания обеспечивается положительный потенциал, обычно в 1,5 – 2 раза меньший, чем потенциал анода, по переменной составляющей экранирующая сетка обычно заземлена через конденсатор. В результате видоизменяются вольт-амперные характеристики электровакуумного прибора, главным образом, это выражается в росте внутреннего сопротивления и коэффициента усиления напряжения (до нескольких тысяч). В то же время при усилении больших сигналов напряжение на аноде в отдельные моменты становится меньше напряжения на экранной сетке, и ток анода резко снижается, а ток экранной сетки также резко возрастает, крутизна характеристики и коэффициент усиления падают, характеристики прибора в целом становятся существенно нелинейными. Это явление носит название «динатронный эффект». Кроме внесения существенной нелинейности в характеристики, динатронный эффект вызывает перегрев экранной сетки. Анализ динатронного эффекта в тетроде показал, что источником его являются сравнительно медленные вторичные электроны, вылетающие из анода при его бомбардировке первичными электронами. Вторичные электроны образуют перед анодом область отрицательного пространственного заряда, замедляющую первичные электроны и снижающую ток анода. Первый способ, позволяющий практически устранить динатронный эффект, заключается в том, что первичные электроны, движущиеся к аноду от катода, фокусируют в узкие потоки – лучи специальными лучеобразующими пластинами. Электронная лампа, построенная по такому принципу, называется лучевым тетродом. Лучеобразующие пластины имеют низкий потенциал (обычно они соединены с катодом), поэтому поток электронов концентрируется в пространстве между ними и своей большой плотностью образует пространственный заряд, подавляющий движение вторичных электронов от анода к экранной сетке. Согласно второму способу между анодом и второй сеткой помещают еще одну сетку под низким потенциалом, предназначенную для улавливания вторичных электронов, вылетающих из анода. Первичные электроны имеют более высокую скорость, чем вторичные, поэтому лишь малая их часть попадает в цепь этой сетки. Эту третью сетку называют защитной или противодинатронной, а лампу с тремя сетками называют пентодом. 24 Лучевой тетрод и пентод по сравнению с триодом имеют лучшие усилительные свойства: больший коэффициент усиления и способность усиливать более высокие частоты сигнала. Вместе с тем между областями применения этих приборов есть различия. Лучевые тетроды преимущественно используют в каскадах усиления мощности, а пентоды – в каскадах усиления напряжения, то есть, относительно слабых сигналов. Поскольку лучевой тетрод имеет две, а пентод – три сетки, возможно управление током анода при воздействии переменными напряжениями на две или три сетки одновременно, однако крутизна зависимости анодного тока от напряжения на второй и третьей сетках существенно меньше крутизны по первой сетке. Причина в том, что, во-первых, первая сетка находится вблизи катода, иногда на очень малых (до долей миллиметра) от него расстояниях, и во-вторых, расстояние между соседними витками первой сетки меньше, чем между витками других сеток. В свое время были разработаны и серийно выпускались лампы с четырьмя сетками – гексоды и с пятью сетками – гептоды. Их применяли в составе супергетеродинных радиоприемников в качестве лампы гетеродина и одновременно лампы преобразователя частоты. Позднее появились комбинированные лампы, в частности, пентод-триоды, нашедшие широкое применение в ламповых телевизионных приемниках. От многосеточных комбинированные лампы отличаются тем, что в гексоде и гептоде один катод и один анод, то есть, используется единый электронный поток, в то время как в комбинированных лампах, например, в пентод-триоде, отдельно существуют пентод и триод, каждый со своим набором электродов и со своим электронным потоком, общими у них являются лишь стеклянный баллон и вводы подогревателя. Широко применялись двойные лампы: диоды, триоды, лучевые тетроды, в них на два анода и два комплекта сеток (в триодах и тетродах) приходились один общий или два отдельных катода. 1.8. Классификация и система обозначения электронных ламп Все электронные лампы в зависимости от назначения подразделяются на два класса: 1) приемно-усилительные и 2) мощные (генераторные и модуляторные). Первые, как указывает наименование класса, предназначены для построения на них разнообразных радиоприемных, усилительных и иных приборов и устройств, общим у которых является невысокий уровень мощности сигналов. Поэтому приемно-усилительные лампы имеют небольшие массу и габариты, конструкции их рассчитаны на воздушное охлаждение в условиях естественной конвекции. Система обозначения типов приемно-усилительных ламп имеет следующий вид: <число 1> < буква 1> < число 2> < буква 2>, где <число 1> - напряжение накала в единицах вольт (округленно); < буква 1> : А \ Б \ В \ Г \ Д \ Е \ Ж \ И \ К \ Н \ П \ Р \ С \ Ф \ Х \ Ц, причем, 25 А – частотопреобразовательные (гексоды и гептоды); Б – диод-пентоды; В – лампы со вторичной эмиссией; Г – диод-триоды; Д –диоды; Е – электронно-световые индикаторы; Ж – пентоды с короткой характеристикой; И – триод-гексоды, триод-гептоды; К – пентоды с удлиненной характеристикой; Н – двойные триоды; П – выходные пентоды и лучевые тетроды; Р – двойные тетроды и пентоды; С – триоды; Ф – триод-пентоды; Х – двойные диоды; Ц – кенотроны. <число 2> - порядковый номер стандартизации лампы; <буква 2> - характеристика конструктивного оформления лампы: А – в стеклянном баллоне с гибкими выводами под пайку (сверхминиатюрная), диаметр баллона до 7 мм; Б – то же, диаметр баллона до 10,5 мм; Г - то же, диаметр баллона более 10,5 мм; Д – в металлостеклянном корпусе с дисковыми выводами; К – в металлокерамическом корпусе; Н – то же миниатюрные и сверхминиатюрные; П – миниатюрные с жесткими выводами в стеклянном баллоне диаметром 19 мм (на 7 выводов) и 22,5 мм (на 9 выводов); С – с пластмассовым цоколем и жесткими выводами в стеклянном баллоне диаметром более 24 мм на 8 выводов (октальные); без второй буквы – то же в стальном кожухе. Примеры обозначения приемно-усилительных ламп: 3Ц16С – напряжение накала около 3 В, кенотрон, номер стандартизации 16, в стеклянном баллоне с октальным цоколем ( на 8 штырьков). 6П9 – напряжение накала 6,3 В, пентод, в металлическом корпусе с октальным цоколем, номер стандартизации 9. 6Ж32П – напряжение накала 6,3 В, пентод с короткой характеристикой, номер стандартизации 32, в пальчиковом оформлении. 6Н16Б – напряжение накала 6,3 В, двойной триод, номер стандартизации 16, в сверхминиатюрном оформлении (диаметр баллона около 10 мм) с гибкими выводами под пайку. Мощные электронные лампы, как указывает название, предназначены для усиления или генерации сигналов большой мощности. Применяются эти приборы в радиопередатчиках, в мощных усилительных установках, в технологических и медицинских генераторах высокочастотных колебаний. 26 Увеличение единичной мощности прибора приводит к росту мощности, рассеиваемой этим прибором, и, как следствие, к росту тепловой нагрузки на элементы конструкции прибора, что отражается в конструкции. Большинство мощных ламп – триоды, так как эффективное охлаждение в тетроде второй сетки, расположенной между горячими катодом и анодом, невозможно. Есть в этом классе пентоды и лучевые тетроды, но это сравнительно маломощные приборы с охлаждением преимущественно за счет излучения. У более мощных ламп охлаждение анода принудительное воздушное, у еще более мощных – водяное. Для улучшения отвода тепла анод изготавливают из меди как часть конструкции корпуса, причем, у ламп с воздушным охлаждением наружная поверхность анода образована множеством ребер, обдуваемых в процессе работы холодным воздухом. У ламп с водяным охлаждением наружная поверхность анода обычно гладкая, при работе она омывается проточной холодной водой. Лампы сверхбольшой мощности по конструкции разборные и ремонтопригодные, в них иногда используют испарительное охлаждение. Серийно выпускаемые генераторные и модуляторные электронные лампы имеют следующую систему обозначений: Г <буква 2> < буква 3> – <число> <буква 4>, где первая буква Г обозначает класс прибора (электронные лампы генераторные и модуляторные); <буква 2> : К – генераторная лампа диапазона коротких волн, У – то же ультракоротких волн, И – генераторная лампа для работы в импульсных режимах, М – модуляторная лампа; <буква 3> - обычно отсутствует, но если она есть, и это буква И, то данный прибор относится к разновидности импульсных; <число> - порядковый номер стандартизации прибора; <буква 4> - разновидность прибора, имеющего основное обозначение без данной буквы. Примеры обозначений генераторных и модуляторных ламп: ГУ-50 – сравнительно маломощный генераторный пентод ультракоротких волн; ГК-5А – мощный триод коротковолнового диапазона; ГИ-30 – импульсный двойной лучевой тетрод малой мощности; ГМ-51А – мощный модуляторный триод. Следует отметить, что из обозначения можно получить информацию о функциональном назначении и частотном диапазоне применения прибора, но не о его внутреннем устройстве и уровне мощности. 1.9. Электровакуумные приборы сверхвысоких частот Все рассмотренные выше электровакуумные приборы основаны на управлении электрическим током в вакууме посредством электростатических полей. С ростом частоты усиливаемых или генерируемых сигналов все более ярко проявляются эффекты, обусловленные конечностью скорости движения 27 электронов в вакууме, а также паразитными реактивностями электровакуумного прибора. Так, скорость электрона в конце его пути к аноду при нулевой начальной скорости va 6 *105 U a , м/с , где U a - напряжение на аноде относительно катода, В. При U a =100 В и расстоянии между анодом и катодом 3 мм средняя скорость электрона составит примерно 3*105 м/с, а время пролета электрона e - 10-9 с. Для низких частот это время несущественно, однако на частоте 1000 МГц оно равно периоду колебаний. Для оценки влияния времени пролета электронов на функционирование электровакуумного прибора обычно используют угол пролета электрона 2f e . Если этот угол не превышает 0,1 , конечностью скорости электронов можно пренебречь. В противном случае эффективность работы прибора быстро падает с ростом частоты. Для усиления и генерации сигналов сверхвысоких частот были разработаны электровакуумные приборы, в которых учитывается и используется конечность скорости электронов. Один из таких приборов носит название клистрон и применяется в двух разновидностях: пролетный клистрон и отражательный клистрон. В этих приборах используется модуляция потока электронов по скорости. Основные элементы клистрона – это электронная пушка и резонатор (резонаторы). Электронная пушка содержит термоэлектронный катод и фокусирующий электрод и служит источником потока электронов. Резонатор представляет собой полость, ограниченную проводящими стенками, и с электрической точки зрения является аналогом колебательного контура, то есть, обладает резонансными свойствами на некоторой частоте, определяемой размерами резонатора. Поток электронов имеет возможность проходить сквозь резонатор, при этом скорость электронов, пролетающих через резонатор, изменяется в зависимости от того, в какой фазе находятся колебания в резонаторе, и происходит группирование электронов в потоке. Пролетный клистрон имеет несколько резонаторов и может работать как усилитель или как автогенератор в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в непрерывном и импульсном режимах с высоким (до 40%) к.п.д. Такие клистроны изготавливаются для работы на определенной частоте или в узкой полосе частот, выходная мощность – от единиц ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме. В настоящее время они применяются и в наземной, и в аэрокосмической аппаратуре, например, в передатчиках систем спутникового телевещания. Отражательные клистроны - это маломощные автогенераторы СВЧ колебаний. Другой тип электровакуумного прибора СВЧ – 28 это магнетрон. Магнетроном называют двухэлектродную электронную лампу (диод), предназначенную для генерирования электромагнитных колебаний. Главная особенность магнетрона – движение электронов от катода к аноду под действием не только электрического, но и магнитного поля. Как известно, если вектор скорости электрона составляет с вектором напряженности магнитного поля некоторый угол, то траектория движения электрона будет криволинейной. Если анод имеет вид полого круглого цилиндра, катод расположен на оси анода и вектор напряженности магнитного поля направлен вдоль оси анода, а радиус кривизны траектории электронов будет определяться величиной магнитной индукции. Чем больше индукция, тем меньше радиус траектории электрона. При некотором значении индукции магнитного поля, называемой критической Вкр, электроны не достигнут анода, а вернутся к катоду, и ток в цепи анод – катод прекратится (см. рис. 13). Величина критической индукции зависит, кроме прочего, от напряжения на аноде: чем больше это напряжение, тем больше и критическая индукция магнитного поля. Если на постоянную составляющую анодного напряжения наложить переменную составляющую, то ток анода будет изменяться в соответствии с переменной составляющей. Источником переменной составляющей анодного напряжения в современных магнетронах является резонатор (точнее, резонаторы, так как их обычно несколько), представляющий собой цилиндрическую полость в металлическом аноде (см. рис. 14). Для связи резонатора с источником электронов служит щель вдоль образующей цилиндра. Такой резонатор подобен вырожденному колебательному контуру, в котором щель представляет собой емкость, а стенка цилиндра – индуктивность. Резонансная частота определяется геометрическими размерами резонатора. В процессе работы магнетрона электроны, вылетающие из катода, под действием постоянного магнитного поля движутся в зазоре между катодом и анодом, при этом они возбуждают в резонаторе колебания на резонансной частоте. В щели резонатора образуется переменное электрическое поле, и электроны, подлетающие к щели со стороны катода, отдают этому полю часть своей энергии, если фаза поля этому благоприятствует, или продолжают движение вдоль катода в противном случае. Отбор мощности сверхвысокой частоты осуществляется 29 посредством связи между одним из резонаторов и волноводной или коаксиальной линией, ведущей к внешней нагрузке. Магнетрон не может усиливать сигнал, но является весьма эффективным автогенератором. Выпускаются магнетроны на разные уровни выходной мощности и для работы в непрерывном и импульсном режимах. Источником постоянного магнитного поля для магнетрона обычно служит постоянный магнит. Большинство типов магнетронов предназначены для работы в узком диапазоне частот и на согласованную нагрузку, однако широко применяются и магнетроны, выходная мощность которых используется для нагрева проводящих сред с переменными электромагнитными параметрами, например, магнетроны для бытовых микроволновых печей, магнетроны для технологических нагревательных установок (для сушки пластмасс, древесины и т.п.). Кроме клистронов и магнетронов, для генерации (и усиления) колебаний СВЧ используют лампы бегущей волны ЛБВ и лампы обратной волны ЛОВ. В этих электровакуумных приборах поток электронов в виде луча взаимодействует с полем бегущей электромагнитной волны на относительно протяженном участке. ЛБВ и ЛОВ характеризуются большими коэффициентами усиления и широкополосностью. По конструкции ЛБВ представляет собой длинный стеклянный или металлический баллон, внутри которого размещены электронная пушка, замедляющая система и коллектор (аналог анода обычной электронной лампы). Для фокусировки электронного потока в узкий луч используют электростатические и магнитные системы. В последних источником постоянного магнитного поля могут быть постоянный магнит, соленоид с постоянным током или группа соленоидов. Замедляющую систему обычно выполняют в виде проволочной спирали. В начале замедляющей системы (со стороны электронной пушки) выполняют волноводный вход, на конце – волноводный выход. У лампы обратной волны направление сигнала обратное. 1.10. Электронно-лучевые трубки Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – электровакуумные приборы, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световое изображение с помощью тонкого электронного луча, направляемого на специальный экран, покрытый люминофором - составом, способным светиться при бомбардировке его электронами. 30 На рис. 15 показано устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча. В трубке имеется оксидный подогревный катод с эмиттирующей поверхностью, обращенной к отверстию в модуляторе. На модуляторе относительно катода устанавливается небольшой отрицательный потенциал. Далее по оси трубки (и по ходу луча) располагается фокусирующий электрод, называемый также первым анодом, его положительный потенциал способствует вытягиванию электронов из прикатодного пространства через отверстие модулятора и формированию из них узкого луча. Дальнейшую фокусировку и ускорение электронов осуществляет поле второго анода (ускоряющего электрода). Его потенциал в трубке наиболее положительный и составляет единицы – десятки киловольт. Совокупность катода, модулятора и ускоряющего электрода образует электронную пушку (электронный прожектор). Неоднородное электрическое поле в пространстве между электродами действует на электронный пучок как собирательная электростатическая линза. Электроны под действием этой линзы сходятся в точку на внутренней стороне экрана. Экран изнутри покрыт слоем люминофора – вещества, преобразующего энергию потока электронов в свет. Снаружи место падения потока электронов на экран светится. Для управления положением светящегося пятна на экране и тем самым получения изображения электронный луч отклоняют по двум координатам с помощью двух пар плоских электродов – отклоняющих пластин X и Y. Угол отклонения луча зависит от напряжения, приложенного к пластинам. Под действием переменных отклоняющих напряжений на пластинах луч обегает разные точки на экране. Яркость свечения точки зависит от силы тока луча. 31 Для управления яркостью подают переменное напряжение на вход модулятора Z. Для получения устойчивого изображения периодического сигнала осуществляют его периодическую развертку на экране, синхронизируя линейно изменяющееся напряжение развертки по горизонтали X исследуемым сигналом, который одновременно поступает на пластины вертикального отклонения Y. Таким путем формируют изображения на экране ЭЛТ. Электронный луч обладает малой инерционностью. Кроме электростатической, применяется и магнитная фокусировка электронного луча. Для нее используют катушку с постоянным током, в которую вставляют ЭЛТ. Качество магнитной фокусировки выше (меньше размер пятна, меньше искажения), однако магнитная фокусировка громоздкая и непрерывно потребляет энергию. Широко применяется (в кинескопах) магнитное отклонение луча, осуществляемое двумя парами катушек с токами. В магнитном поле электрон отклоняется по радиусу окружности, и угол отклонения может быть существенно большим, чем в ЭЛТ с электростатическим отклонением. Однако быстродействие магнитной отклоняющей системы невысокое из-за инерционности катушек с током. Поэтому в осциллографических трубках применяют исключительно электростатическое отклонение луча как менее инерционное. Экран является важнейшей частью ЭЛТ. В качестве электролюминофоров применяют различные неорганические соединения и их смеси, например, сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка, вольфраматы кальция и кадмия и т.п. с примесями активаторов (меди, марганца, висмута и др.). Основные параметры люминофора: цвет свечения, яркость, сила света пятна, световая отдача, послесвечение. Цвет свечения определяется составом люминофора. Яркость свечения люминофора в Кд/м2 B ~ (dn/dt)(U-U0)m, где dn/dt – поток электронов в секунду, то есть, ток луча, А; U0 - потенциал свечения люминофора, В; U – ускоряющее напряжение второго анода, В; m = 1,5 …2. Сила света пятна пропорциональна яркости. Световая отдача – это отношение силы света пятна к мощности луча в Кд/Вт. Послесвечение – это время, в течение которого яркость пятна после выключения луча спадает до 1% первоначального значения. Различают люминофоры с очень коротким (менее 10 мкс) послесвечением, с коротким (от 10 мкс до 10 мс), средним (от 10 до 100 мс), длительным (от 0,1 до 16 с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Выбор величины послесвечения определяется областью применения ЭЛТ. Для кинескопов применяют люминофоры с малым послесвечением, так как изображение на экране кинескопа непрерывно меняется. Для осциллографических трубок используют люминофоры с послесвечением от среднего до очень 32 длительного, в зависимости от частотного диапазона подлежащих отображению сигналов. Важный вопрос, требующий более подробного рассмотрения, связан с потенциалом экрана ЭЛТ. Когда электрон попадает на экран, он заряжает экран отрицательным потенциалом. Каждый электрон подзаряжает экран, и его потенциал становится все более отрицательным, так что очень быстро возникает тормозящее поле, и движение электронов к экрану прекращается. В реальных ЭЛТ это не происходит, потому что каждый электрон, попавший на экран, выбивает из него вторичные электроны, то есть, имеет место вторично-электронная эмиссия. Вторичные электроны уносят с экрана отрицательный заряд, а для их удаления из пространства перед экраном внутренние стенки ЭЛТ покрыты проводящим слоем на основе углерода, электрически соединенным со вторым анодом. Для того, чтобы этот механизм работал, коэффициент вторичной эмиссии, то есть, отношение числа вторичных электронов к числу первичных, должно превышать единицу. Однако у люминофоров коэффициент вторичной эмиссии Квэ зависит от напряжения на втором аноде Ua. Пример такой зависимости изображен на рис. 16, откуда следует, что потенциал экрана не должен превышать величину Ua max, иначе яркость изображения будет не увеличиваться, а уменьшаться. В зависимости от материала люминофора напряжение Ua max = 5…35 кВ. Для повышения предельного потенциала экран изнутри покрывают тонкой проницаемой для электронов пленкой металла (обычно алюминия – алюминированый экран), электрически соединенной со вторым анодом. В этом случае потенциал экрана определяется не коэффициентом вторичной эмиссии люминофора, а напряжением на втором аноде. Это позволяет использовать более высокое напряжение второго анода и получать более высокую яркость свечения экрана. Яркость свечения возрастает также и из-за отражения света, излучаемого вовнутрь трубки, от алюминиевой пленки. Последняя прозрачна лишь для достаточно быстрых электронов, поэтому напряжение второго анода должно превышать 7…10 кВ. Срок службы электронно-лучевых трубок ограничивается не только потерей эмиссии катодом, как у других электровакуумных приборов, но также и разрушением люминофора на экране. Во-первых, мощность электронного луча используется крайне неэффективно. Не более двух процентов ее превращаются в свет, в то время как более 98% лишь нагревают 33 люминофор, при этом происходит его разрушение, выражающееся в том, что постепенно световая отдача экрана снижается. Выгорание происходит быстрее при увеличении мощности потока электронов, при снижении ускоряющего напряжения, а также более интенсивно в местах, на которые луч падает большее время. Другой фактор, снижающий срок службы электронно-лучевой трубки, - это бомбардировка экрана отрицательными ионами, образующимися из атомов оксидного покрытия катода. Разгоняясь ускоряющим полем, эти ионы движутся к экрану, проходя отклоняющую систему. В трубках с электростатическим отклонением ионы отклоняются так же эффективно, как и электроны, поэтому попадают на разные участки экрана более или менее равномерно. В трубках с магнитным отклонением ионы отклоняются слабее из-за своей многократно большей массы, чем у электронов, и попадают, в основном, в центральную часть экрана, с течением времени образуя на экране постепенно темнеющее так называемое «ионное пятно». Трубки с алюминированным экраном гораздо менее чувствительны к ионной бомбардировке, так как пленка алюминия преграждает путь ионам к люминофору. Наиболее широко применяются два типа электронно-лучевых трубок: осциллографические и кинескопы. Осциллографические трубки предназначены для отображения разнообразных процессов, представленных электрическими сигналами. Они имеют электростатическое отклонение луча, так как оно позволяет осциллографу отображать более высокочастотные сигналы. Фокусировка луча также электростатическая. Обычно осциллограф используется в режиме с периодической разверткой: на пластины горизонтального отклонения от внутреннего генератора развертки поступает пилообразное напряжение с постоянной частотой (напряжение развертки), к пластинам вертикального отклонения прикладывается усиленное напряжение исследуемого сигнала. Если сигнал периодический и его частота в целое число раз превышает частоту развертки, на экране возникает неподвижный график сигнала во времени (осциллограмма). Современные осциллографические трубки по конструкции сложнее, чем изображенная на рис. 15, они имеют большее количество электродов, применяются также двухлучевые осциллографические ЭЛТ, имеющие двойной комплект всех электродов при одном общем экране и позволяющие отображать синхронно два разных сигнала. Кинескопы представляют собой ЭЛТ с яркостной отметкой, то есть, с управлением яркостью луча путем изменения потенциала модулятора; они применяются в бытовых и промышленных телевизорах, а также мониторах компъютеров для преобразования электрического сигнала в двумерное изображение на экране. От осциллографических ЭЛТ кинескопы отличаются большими размерами экрана, характером изображения (полутоновое на всей поверхности экрана), применением магнитного отклонения луча по двум координатам, относительно малым размером светящегося пятна, жесткими требованиями к стабильности размеров пятна и линейности разверток. Наиболее совершенными являются цветные кинескопы для мониторов 34 компъютеров, они имеют высокое разрешение (до 2000 строк), минимальные геометрические искажения растра, правильную цветопередачу. В разное время выпускались кинескопы с размером экрана по диагонали от 6 до 90 см. Длина кинескопа по его оси обычно немного меньше размера диагонали, максимальный угол отклонения луча 110…1160. Экран цветного кинескопа изнутри покрыт множеством точек или узких полос из люминофоров разных составов, преобразующих электрический луч в один из трех основных цветов: красный, зеленый, голубой. В цветном кинескопе три электронные пушки, по одной на каждый основной цвет. При развертке по экрану лучи перемещаются параллельно и засвечивают соседние участки люминофора. Токи лучей разные и зависят от цвета получаемого элемента изображения. Кроме кинескопов для непосредственного наблюдения, существуют проекционные кинескопы, имеющие при небольших размерах высокую яркость изображения на экране. Это яркое изображение затем проецируют оптическими средствами на плоский белый экран, получая изображение большого размера. 2 ИОННЫЕ ПРИБОРЫ 2.1. Основы физики процессов в ионных приборах Ионными, а также газоразрядными называют разрядные приборы, наполненные газом или парами металлов. Такой прибор представляет собой стеклянный баллон или трубку с впаянными в нее электродами. В качестве наполнителя используют инертные газы (неон, аргон, гелий, ксенон, криптон), а также водород, пары ртути. Величина давления среды в приборах различна: от долей мм рт. ст. до величин, значительно превышающих атмосферное. При газовом заполнении давление в приборе практически постоянно. При заполнении ртутью разряд происходит в насыщенных парах ртути, а их давление зависит от температуры. В ионных приборах движение электронов в междуэлектродном пространстве происходит в условиях столкновений с атомами и молекулами газов и паров. В результате столкновений происходит возбуждение и ионизация атомов. Поэтому в электрических процессах наряду с электронами принимают участие ионы. Как следствие, процессы в ионных и в высоковакуумных приборах существенно отличаются. Вероятность столкновений электронов с атомами газа зависит от давления газа. Для оценки этой вероятности служит средняя длина свободного пробега электрона от одного столкновения до другого. Результат столкновения электрона с атомом зависит от скорости электрона. При малых скоростях имеют место исключительно упругие столкновения, при которых электрон передает атому малую часть своей энергии и лишь изменяет скорость атома, не вызывая в нем каких-либо изменений. 35 При большей скорости электрон при ударе передает атому большую энергию, и происходит возбуждение атома или его ионизация. Такие столкновения называются неупругими столкновениями первого рода. Атом становится возбужденным, когда один из электронов атома, получив энергию от внешнего, свободного электрона, переходит с низкого уровня энергии Wn на один из возможных более высоких уровней Wm. В возбужденном состоянии атом существует недолго (порядка 10-8с), затем спонтанно возвращается к невозбужденному состоянию, при этом испуская избыточную энергию в виде кванта света. При возбуждении атома внешний электрон сообщил ему энергию, равную разности энергий уровней Wm – Wn.. Ранее внешний электрон приобрел эту энергию, пройдя в междуэлектродном пространстве прибора разность потенциалов Uвозб = (Wm – Wn)/e, где е – заряд электрона. Величина Uвозб называется потенциалом возбуждения газа. При еще большей скорости электрон, сталкиваясь с атомом, может отделить от него еще один электрон, вследствие чего атом превращается в положительный ион. Это явление называется ударной ионизацией. Наименьшая энергия Wион, которой должен обладать внешний электрон для ионизации атома, различна для разных газов и называется потенциалом ионизации Uион = Wион/e. Значения потенциалов возбуждения и ионизации для некоторых газов приведены в табл. 3. Если электрон сталкивается с уже возбужденным атомом, для его ионизации требуется меньшая энергия, то есть, имеет место ступенчатая ионизация. Следовательно, ионизация газа возможна и тогда, когда ускоряющая электроны разность потенциалов меньше потенциала ионизации. Ступенчатая ионизация облегчается тем, что в газе есть метастабильные атомы, в которых прямой переход к невозбужденному состоянию невозможен, а нужно предварительно поднять его электрон с метастабильного на более высокий уровень, и лишь затем произойдет спонтанный переход к невозбужденному состоянию. Вероятность ступенчатой ионизации велика, поскольку в метастабильном состоянии атом может существовать довольно долго, тысячные и сотые доли секунды. Наличие метастабильных атомов увеличивает и вероятность неупругих столкновений второго рода, когда возбужденный атом, сталкиваясь с электроном или другим атомом, отдает ему свою энергию. При некоторой разности потенциалов, приложенной извне к электродам прибора, в нем возникает газовый разряд. Источником электронов для разряда может служить термоэлектронный катод, как в электровакуумных приборах. Существуют также газоразрядные приборы с ненакаливаемым (холодным) катодом. 36 2.2. Несамостоятельный разряд в газе Пусть в диод с накаленным катодом введено некоторое количество газа, а на анод подано положительное напряжение Uа>Uион. Двигаясь в газовой среде от катода к аноду, электроны сталкиваются с атомами газа и производят их возбуждение и ударную ионизацию. Положительные ионы, образовавшиеся при ионизации, направляются к катоду и частично нейтрализуют электронный пространственный заряд, имеющий наибольшую плотность вблизи катода. В результате при том же анодном напряжении анодный ток, ограничиваемый тормозящим полем пространственного заряда, возрастает, а сопротивление току участка «катод – анод» падает. Электроны, образовавшиеся в результате ионизации, движутся к аноду и вместе с электронами, идущими от катода, участвуют в образовании тока и, при достаточной скорости, в возбуждении и ионизации других атомов газа. Положительные ионы из-за большей массы ускоряются полем в меньшей степени, чем электроны, поэтому двигаются к катоду медленнее и находятся в межэлектродном пространстве большее время. Каждый положительный ион на своем пути к катоду может нейтрализовать отрицательный заряд большого числа пролетающих мимо него электронов. Увеличение анодного тока из-за частичной нейтрализации прикатодного электронного пространственного заряда приводит к росту интенсивности ионизации, то есть, к увеличению числа положительных ионов, а это, в свою очередь, вызывает рост анодного тока благодаря более полной нейтрализации пространственного заряда вблизи катода этими положительными ионами. Если давление газа невелико, то при анодных напряжениях, даже в десятки раз превышающих напряжение ионизации, количество ионов недостаточно для компенсации объемного заряда электронов, и распределение потенциала подобно таковому в вакуумном диоде, а вольтамперная характеристика подчиняется закону трех вторых. Если количество газа увеличить, например, до давления порядка 10 -1 …10-3 мм рт. ст., тогда процессы возбуждения и ионизации становятся более интенсивными и могут при приложении анодного напряжения лавинообразно нарастать. Тогда в приборе возникает, или, как говорят, «зажигается» газовый разряд. При этом электронный пространственный заряд около катода полностью компенсируется зарядом положительных ионов и в этой области даже образуется избыточный положительный объемный заряд. Ограничение анодного тока полем объемного заряда прекращается, прекращается и действие закона трех вторых. Ток через такой прибор уже не может ограничиваться самим прибором вплоть до уровня, равного току эмиссии катода, а зависит от сопротивления внешней цепи, включенного последовательно с источником анодного напряжения. После зажигания разряда изменяется газовая среда в ионном приборе: за исключением прикатодной области, все остальное междуэлектродное пространство заполнено сильно ионизированным газом, в котором 37 концентрации положительных ионов и электронов приблизительно одинаковы и велики (порядка 1012 …1013 1/см3). Такой сильно ионизированный газ называют электронно-ионной плазмой, или просто плазмой. Он представляет собой смесь нейтрального газа, газа положительных ионов и электронного «газа», причем, некоторое количество частиц нейтрального газа находятся в возбужденном состоянии. В электронно-ионной плазме наряду с процессами возбуждения и ионизации происходят и обратные процессы: переход возбужденных атомов в нормальное состояние и рекомбинация электронов и ионов с образованием нейтральных атомов, причем, рекомбинация происходит, в основном, на стенках прибора. В каждом данном стационарном режиме работы прибора в нем устанавливается динамическое равновесие между прямыми и обратными процессами и некоторая определенная концентрация ионов и электронов в каждом элементе объема внутри прибора. На ионизацию и возбуждение атома при столкновении электрон затрачивает определенное количество энергии, полученной от внешнего источника питания прибора. При рекомбинации и переходах электронов на более низкие (нормальные) энергетические уровни энергия выделяется в виде квантов света определенной частоты, при этом наблюдается свечение газа, если излучаются кванты видимого света. Цвет свечения зависит от вида газа. Падение напряжения в плазме невелико, оно составляет единицы и даже доли вольта на 1 см длины разрядного промежутка. Поэтому в плазме направленное движение электронов и ионов под действием электрического поля значительно слабее беспорядочного (хаотического) движения этих частиц, которое им присуще, как и нейтральным частицам газа. Основное падение напряжения при разряде в газе сосредоточено в области положительного объемного заряда около катода (см. рис. 17). Оно называется катодным падением. Незначительное падение напряжения есть около анода, его называют анодным падением. В образовании тока главная роль принадлежит электронам. Ионы в силу своей малой подвижности вносят в общий ток менее 1% . Процессы зажигания газового разряда и деионизации после прекращения разряда значительно более инерционны, чем электронные процессы в высоковакуумных приборах. Для возникновения разряда в ионных приборах требуется время порядка 0,1…1 мкс, а для деионизации значительно больше: от 100 до 1000 мкс. Поэтому ионные приборы – относительно низкочастотные. Кроме того, характеристики ионных приборов менее стабильны, чем у электронных приборов. В ионных приборах с накаленным катодом катод подвергается бомбардировке относительно тяжелыми положительными ионами, и это – основной фактор, определяющий срок службы прибора. 38 2.3. Самостоятельный разряд в газе Самостоятельный разряд в газе происходит при холодном катоде. При отсутствии ионизации распределение потенциала между электродами аналогично распределению потенциала в конденсаторе, образованном этими электродами. Однако в реальной газовой среде всегда существует некоторое количество ионов и свободных электронов, образовавшихся под действием ионизирующих излучений космического пространства и реакций распада радиоактивных элементов. Поэтому при приложении напряжений, достаточных для лавинообразно нарастающей ионизации (обычно от 200 до 600 В) в приборе зажигается разряд. Образующиеся при разряде положительные ионы формируют распределение потенциала, подобное изображенному на рис. 17, они также бомбардируют холодный катод и вызывают эмиссию электронов. Тем самым обеспечиваются условия для поддержания стационарного разряда. Такой разряд, в отличие от разряда при накаленном катоде, который поддерживался за счет термоэлектронной эмиссии, называется самостоятельным. Разряд в приборе с накаленным катодом – несамостоятельный, так как энергия, необходимая для разогрева катода, поступает от внешнего источника. Для существования самостоятельного разряда необходимо, чтобы каждый электрон, вылетающий с катода и попадающий на анод, в результате всех процессов, происходящих в разрядном пространстве, обеспечил бы выход из катода не менее одного нового электрона. Согласно теории, разность потенциалов, необходимая для возникновения самостоятельного разряда, иначе говоря, потенциала зажигания Uз = Uион pr/(const + ln (pr)), где p – давление газа, r – расстояние между электродами. 39 Зависимость потенциала зажигания от произведения pr, называемая кривой Пашена, изображена на рис. 18. Кривая имеет минимум при оптимальном произведении pr. При больших, чем оптимальное, значениях произведения pr зажигание разряда затруднено вследствие того. что на пути к аноду электроны испытывают слишком большое число столкновений и поэтому на каждой длине свободного пробега приобретают меньшую энергию для ионизации атомов. Наличие восходящей левой ветви кривой объясняется тем, что при малых междуэлектродных расстояниях (или давлениях газа) электроны на пути к аноду испытывают слишком малое число столкновений, вследствие чего образование электронной лавины для зажигания разряда также затрудняется. Примеси к данному газу других газов, даже в небольших количествах, существенно изменяют величину потенциала зажигания. Этим пользуются в ионных приборах для снижения этого потенциала. Когда величина разрядного тока мала (порядка единиц или десятков миллиампер) вследствие ограничения ее включенным последовательно с прибором большим добавочным сопротивлением, возникающий самостоятельный разряд получается в виде тлеющего разряда. Выход электронов из катода при тлеющем разряде происходит под действием ударов положительных ионов о катод, то есть, имеет место вторичная электронно-ионная эмиссия. Распределение потенциала и объемного заряда вдоль оси прибора при тлеющем разряде показано на рис. 17 б и в. Вблизи катода имеется избыточный положительный объемный заряд, а плазма, называемая часто положительным столбом, содержит небольшой избыток электронов. Основное падение напряжения, как и в приборе с накаленным катодом, сосредоточивается вблизи катода. На рисунке 19 изображена вольт-амперная характеристика самостоятельного разряда в газе. Область I соответствует зажиганию разряда. Области II и III описывают поведение прибора при тлеющем разряде. После зажигания разряда напряжение между анодом и катодом снижается до уровня напряжения горения, так как из-за интенсификации процессов ионизации поддержание самостоятельного разряда становится возможным и 40 при меньшем, чем Uз, напряжении. Напряжение питания Ea перераспределяется между ионным прибором и добавочным сопротивлением R (см. рис.20). Это добавочное сопротивление часто называют балластом. В цепях переменного тока с целью экономии энергии предпочитают использовать реактивные (индуктивные, реже емкостные) балласты. При большой величине R в цепи устанавливается незначительный ток, и катодное свечение покрывает не всю поверхность катода, а только часть ее. При повышении напряжения источника или уменьшении сопротивления светящаяся поверхность расширяется. В этом режиме, называемом режимом нормального катодного падения (участок II на рис. 19), пока не вся поверхность катода покрыта свечением, величина тока пропорциональна площади светящейся поверхности, а плотность тока и величина катодного падения остаются неизменными. Вольт-амперная характеристика в этом режиме близка к горизонтали: ток через прибор растет при почти постоянном падении напряжения. Величина нормального катодного падения определяется парой газ – металл катода, наименьшая она для металлов с малой работой выхода электрона. Когда вся поверхность катода покроется свечением, дальнейшее увеличение тока потребует роста плотности тока на катоде, то есть, увеличения количества электронов, выбиваемых ионами с единицы площади катода. Для этого ионы должны иметь большие скорости, следовательно, должно быть и большее катодное падение. Этот режим называется режимом аномального катодного падения (область III на рис. 19) и характеризуется тем. что для увеличения тока нужно повышать разность потенциалов на электродах. Аномальное катодное падение может многократно превышать нормальное катодное падение. При дальнейшем росте тока и напряжения на электродах ионного прибора разряд при некотором критическом напряжении переходит в дуговой, характеризующийся значительным снижением падения напряжения на приборе и резким ростом тока (область V на рис. 19). Образование дугового разряда происходит вследствие того, что при большой плотности 41 тока и интенсивных процессах ионизации положительные ионы настолько близко подходят к катоду (на расстояние до 0,1…0,01 мкм), что уже при катодном падении порядка 10 В напряженность электрического поля около катода достигает величины порядка 108 …109 В/м. Этого достаточно для того, чтобы вызвать значительную автоэлектронную эмиссию катода, то есть, вырывать электроны из холодного катода электрическим полем. При дуговом разряде интенсивная автоэлектронная эмиссия происходит не равномерно со всей поверхности катода, а лишь с небольшого его участка – так называемого катодного пятна. Это пятно при разряде беспорядочно перемещается по поверхности катода. Плотность тока автоэлектронной эмиссии с катодного пятна достигает 1010 А/м2 и более. Дуговой разряд с холодным катодом называется автоэлектронной дугой. Он является самостоятельным. Полная разность потенциалов на электродах дуги невелика (10…30 В). Токи, проходящие через прибор при дуговом разряде, могут достигать десятков, сотен и даже тысяч ампер. При больших токах электроды интенсивно разогреваются, и, как следствие, имеет место значительная термоэлектронная эмиссия. Такой разряд называют термоэлектронной дугой. 2.4. Виды ионных приборов Все ионные (газоразрядные) приборы можно подразделить на два класса: 1) приборы для преобразования электрического тока и управления им; 2) приборы для преобразования электрической энергии в свет (осветительные и индикаторные). К приборам первого класса относятся газотроны и игнитроны, использовавшиеся ранее для выпрямления переменного тока промышленной частоты в системах электропитания. В настоящее время их заменили полупроводниковые выпрямители. К этому же классу относятся тиратроны – ионные приборы с управляющим электродом, называемым, по аналогии с электронными лампами, сеткой. По функционированию в электрической цепи тиратроны подобны тиристорам, то есть, являются не полностью управляемыми приборами; если в исходном состоянии прибор не проводит ток между анодом и катодом, то подача напряжения на управляющую сетку вызывает ионизацию газа в баллоне прибора и переход его в состояние высокой проводимости. Для возврата в непроводящее состояние нужно, как и у тиристора, понизить падение напряжения на приборе до напряжения выключения. Разновидности тиратронов: тиратроны с накаливаемым катодом, тиратроны с холодным катодом, тиратроны водородные. Для полноты следует упомянуть и газоразрядные стабилизаторы напряжения, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок с малым дифференциальным сопротивлением. Их полупроводниковый аналог – кремниевые стабилитроны (диоды Зенера). 42 Все перечисленные приборы имеют функциональные аналоги среди полупроводниковых приборов, причем, с несравненно лучшими характеристиками. Поэтому газоразрядные приборы первого класса в настоящее время не применяются. Второй класс газоразрядных приборов – источники света многочислен и продолжает пополняться в настоящее время. В этих приборах используется преобразование электрической энергии внешнего источника тока в энергию возбужденных атомов газа, а затем в энергию квантов света, излучаемого атомами при их переходе в невозбужденное состояние. Все приборы этого класса можно подразделить по применению на осветительные и индикаторные. К осветительным относятся: 1) трубчатые люминесцентные лампы низкого давления; 2) ртутно-кварцевые лампы высокого давления; 3) натриевые лампы; 4) ксеноновые лампы. К индикаторным газоразрядным приборам относятся: 1) неоновые лампы и знаковые индикаторы; 2) плазменные панели. 2.5. Трубчатые люминесцентные лампы Трубчатая люминесцентная лампа (ЛЛ) - широко распространенный источник света. Представляет собой стеклянную трубку, заполненную смесью инертных газов и паров ртути. С торцов в трубку впаяны накаливаемые оксидные катоды. Рабочее давление смеси газов и паров 1…4 мм рт. ст. Спектр излучения смеси, заполняющей лампу, содержит мало видимого света и много ультрафиолетового, поэтому у осветительной лампы стенки трубки изнутри покрыты люминофором, преобразующим падающий на него ультрафиолетовый свет в видимый. Основные параметры трубчатой люминесцентной лампы: номинальная мощность (от 4 до 80 Вт); световая отдача в лм/Вт (растет с ростом мощности); характер спектра свечения; номинальные постоянные напряжение на лампе и ток через нее; геометрические параметры: форма трубки и ее размеры; продолжительность горения в стандартном режиме (от 6 до 15 тысяч часов). В обозначении трубчатой люминесцентной лампы отечественного производства указывают номинальную мощность, характер спектра свечения и особенности конструкции. Например, ЛБ20 – трубчатая прямая люминесцентная лампа белого цвета свечения мощностью 20 Вт, ЛБУ32 – то же U-образная, ЛБК40 - то же кольцевая, ЛД40 – дневного света, ЛБЦ40 –с исправленной цветностью, и т. п. 43 Номинальное постоянное напряжение на лампе меньшее у ламп малой мощности и растет до 100…110 В у более мощных (40 – 80 Вт) ламп. То же относится к току. Световая отдача ЛЛ в 3…5 раз выше световой отдачи ламп накаливания и зависит от подводимой мощности почти линейно. Спектр свечения ЛЛ не зависит от электрического режима. Этим, а также длительным сроком службы ЛЛ выгодно отличаются от ламп накаливания. Статическая вольт-амперная характеристика дугового разряда в ЛЛ имеет падающий рабочий участок, поэтому в цепь с источником напряжения лампа включается последовательно с балластом. В цепи постоянного тока требуется резистивный балласт, что неэкономично. Обычно трубчатые ЛЛ применяют в цепях, питаемых от источника переменного напряжения. В этом случае в качестве балласта используют дроссель. Традиционная схема включения ЛЛ в цепь переменного тока показана на рис.21. Дроссель L включен последовательно с лампой HL, свободные выводы подогревных катодов могут замыкаться стартером ST. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение от источника не подано, катоды лампы холодные и не эмиттируют электроны, контакты стартера замкнуты. С подачей напряжения ток начинает протекать через дроссель, стартер и катоды; последние нагреваются и начинают испускать электроны. Биметаллический контакт стартера также нагревается проходящим током, изгибается и по прошествии некоторого времени размыкается; попытка разорвать цепь тока через дроссель вызывает генерацию им напряжения самоиндукции, величина которого UL = - Ldi/dt ограничена только скоростью размыкания цепи. К этому моменту времени вблизи каждого катода достаточно электронов, и импульс напряжения самоиндукции вызывает пробой газоразрядного промежутка и развитие газового разряда. В дальнейшем контакт стартера поддерживается в разомкнутом состоянии и не препятствует разряду в ЛЛ, так как в стеклянном баллоне стартера имеется газ, в котором протекает тлеющий 44 разряд, и ток этого разряда подогревает биметаллический контакт стартера. Ток разряда в лампе протекает через дроссель и ограничивается им. При питании от источника переменного напряжения ток одного направления протекает через лампу в течение половины периода, затем направление тока и полярность напряжения на лампе изменяются на противоположные. Происходит это с запаздыванием по фазе относительно питающего напряжения вследствие наличия в цепи индуктивного сопротивления дросселя. В момент изменения направления тока разряд в лампе погасает, затем вновь быстро зажигается благодаря самоиндукции дросселя, а также тому факту, что деионизация за такое короткое время произойти не успевает. Совокупность приборов и элементов, служащих для обеспечения нормальной работы люминесцентной лампы от определенного источника питания, называется пускорегулирующим аппаратом (ПРА). Недостатки дроссельного ПРА следующие: пульсации светового потока с удвоенной частотой питающего напряжения, на частоте сети 50 Гц воспринимаемые человеческим глазом; большие масса и габариты дросселя; невысокий коэффициент полезного действия; низкий коэффициент мощности из-за индуктивной реакции балласта; чувствительность к колебаниям напряжения питания и понижению температуры окружающей среды; снижение срока службы лампы из-за неоптимального режима пуска, при котором происходят неоднократные попытки пуска на недостаточно прогретых катодах. Последнее нужно пояснить. Если размыкание контакта стартера произошло раньше, чем достигнута необходимая эмиссия катодов, облако электронов недостаточно и не способно защитить катод от бомбардировки положительными ионами, поэтому в такие моменты оксидное покрытие катода интенсивно распыляется в прикатодном пространстве. Вследствие этого эмиссионная способность катодов снижается, а напряжение зажигания возрастает. Размыкание контакта стартера происходит в моменты, не синхронизированные с питающим напряжением и током в дросселе, поэтому энергии дросселя может оказаться недостаточно для формирования зажигающего импульса, особенно для лампы с повышенным напряжением зажигания. Включившись на короткое время, лампа вновь выключается, затем включается, и такое продолжается от нескольких секунд до неограниченного времени. Люминесцентную лампу снимают с эксплуатации, если она перестает устойчиво включаться, или у нее заметно падает световая отдача. Современные ПРА вместо индуктивного балласта используют полупроводниковый инвертор, повышающий частоту тока через лампу до десятков килогерц, лампа в таком ПРА включена в колебательный контур и не нуждается в стартере. 45 Упрощенная схема ПРА с инвертором изображена на рис. 22. Напряжение питающей сети 220 В 50 Гц выпрямляется диодным мостом D1, фильтруется конденсатором С1 и поступает в инвертор. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное прямоугольной формы со скважностью, равной 2 (меандр). Это напряжение прикладывается к последовательному колебательному контуру LC1, параллельно конденсатору контура подключен разрядный промежуток люминесцентной лампы HL, катоды (нити накала) включены в контур последовательно. При включении питания запускается инвертор, в контуре возникают колебания с частотой, формируемой инвертором. Если эта частота близка или равна резонансной частоте контура, в нем возникает резонанс напряжений, сопровождающийся ростом амплитуд напряжений на индуктивности и конденсаторе контура и тока в нем. Происходит быстрый разогрев катодов и возникновение электронной эмиссии, а по достижении между катодами напряжения, достаточного для зажигания разряда, этот разряд зажигается. Пока разряда в лампе нет, добротность контура Q велика, и напряжения на его элементах нарастают. По мере прогрева катодов их сопротивления возрастают, внося увеличивающиеся потери в колебательный контур, снижая его добротность и замедляя рост напряжений. Зажигающийся в лампе разряд шунтирует конденсатор контура, еще более снижая добротность контура, тогда ток и напряжения на элементах достигают установившихся значений. Вследствие инерционности процессов в газовом разряде при частоте, превышающей 2 кГц, вольт-амперная характеристика ЛЛ утрачивает участок отрицательного сопротивления и становится линейной, что облегчает функционирование инвертора. На практике частота инверторов ПРА выбирается выше порога слышимости человеческим ухом (20 кГц) для того, чтобы исключить акустические шумы ПРА и лампы. Полупроводниковые ПРА имеют ряд преимуществ перед традиционными с индуктивным балластом: меньшие массу и габариты, большие к.п.д. и коэффициент мощности, быстрое включение, увеличение срока службы лампы, возможность регулирования яркости. 46 Сравнительно недавно появились миниатюрные ЛЛ, смонтированные совместно с полупроводниковым ПРА и стандартным цоколем Е27. Эти лампы можно ввинчивать в патроны, предназначенные для ламп накаливания. В настоящее время ЛЛ – основной источник света в промышленных и общественных зданиях, постепенно они вытесняют лампы накаливания из жилых помещений. 2.6. Газоразрядные лампы высокого давления В зависимости от давления газов и паров ртути в разрядной трубке изменяются характер газового разряда, его электрические и световые параметры. Различают ртутно-кварцевые лампы высокого (от 0,02 до 1,5 МПа) и сверхвысокого давления (свыше 1,5 МПа). В спектре излучения паров ртути преобладает ультрафиолетовая составляющая, поэтому для применения в качестве источника света спектр исправляют: разрядную трубку из кварцевого стекла помещают в колбу, изнутри покрытую люминофором, превращающим ультрафиолетовый свет в видимый. Такие лампы называют дуговыми ртутными люминесцентными – ДРЛ. Пусковые и эксплуатационные характеристики ртутных ламп высокого давления зависят от типа лампы (от рабочего давления паров ртути, вида и количества инертного газа, устройства электродов и т. д.). В холодной лампе ртуть находится преимущественно в жидком состоянии. После зажигания разряда требуется время от 3 до 10 минут для разогрева трубки и испарения ртути. По мере испарения ртути и повышения давления растет мощность разряда и температура стенок трубки. Рост мощности происходит за счет роста тока, так как в ходе разгорания напряжение на трубке падает. При правильной дозировке ртути и номинальном электрическом и тепловом режиме вся жидкая ртуть испаряется и разряд происходит в ее ненасыщенных парах. Если при работе лампы произойдет резкое снижение напряжения на лампе или по другим причинам она погаснет, то ее повторное зажигание не может произойти сразу же после отключения, но лишь после того, как лампа остынет. Это обусловлено зависимостью напряжения зажигания от температуры стенки трубки. Чем выше эта температура, тем выше давление паров в трубке и тем выше напряжение пробоя газового промежутка, необходимого для зажигания разряда (см. рис. 18). Лампы ДРЛ выпускаются в двух разновидностях: двухэлектродная и четырехэлектродная (трехэлектродная). В двухэлектродных лампах кварцевая трубка имеет два рабочих электрода, разряд в ней не может быть зажжен напряжением промышленной сети переменного тока, так как напряжение зажигания между рабочими электродами измеряется киловольтами. Для зажигания разряда нужен высоковольтный импульс от специального поджигающего генератора, который вызовет разряд в аргоне, а затем уже произойдет разгорание разряда в парах ртути. 47 Основной является четырехэлектродная конструкция разрядной трубки. Трубка имеет два рабочих и два поджигающих электрода, причем, поджигающий электрод находится на малом расстоянии от рабочего и через резистор соединен с другим рабочим электродом. При подаче напряжения между рабочим и поджигающим электродами зажигается тлеющий разряд в аргоне. Затем возникает тлеющий разряд между рабочими электродами, разогревающий ртуть, и лишь потом – дуговой в парах ртути. Вольт-амперная характеристика разряда падающая, то есть, разряд имеет отрицательное сопротивление. Для стабилизации разряда в цепи с источником напряжения нужен балласт, включаемый последовательно с разрядной трубкой. При питании переменным током обычно применяют в качестве балласта дроссель. На рис. 23 изображена электрическая схема включения четырехэлектродной лампы ДРЛ. Резисторы R1 и R2 размещаются внутри внешней колбы лампы. Такие лампы выпускают на мощности от 80 до 2000 Вт и используют в наружном освещении. Спектр излучения этих ламп неравномерный. Ртутные лампы высокой интенсивности выпускают в виде шаровых ДРШ и трубчатых ДРТ, они с электрической точки зрения подобны двухэлектродным лампам ДРЛ: применяются совместно с индуктивным балластом и генератором пускового импульса. Ртутные лампы высокого давления с излучающими добавками ДРИ (металлогалоидгые) имеют в разрядной трубке, кроме аргона и паров ртути, йодиды щелочных и щелочноземельных металлов (натрия, таллия, индия). Эти добавки существенно изменяют световые характеристики ламп, в частности, исправляется цвет свечения. Электрические характеристики, в основном, подобны таковым у ламп ДРЛ. Натриевые лампы высокого и низкого давления отличаются от ртутных излучаемым спектром и составом, заполняющим разрядную трубку: вместо ртути применен металлический натрий, а в качестве газового компонента – 48 неон или неон с ксеноном. В процессе зажигания разряда металлический натрий плавится, затем испаряется, поэтому зажигание занимает несколько большее время. В остальном существенных отличий от ламп ДРЛ нет. Ксеноновые лампы имеют спектр излучения, близкий к солнечному свету. Они, в основном, рассчитаны на работу от источника постоянного тока. Лампы переменного тока относительно маломощные и имеют малый срок службы. Выпускаются шаровые лампы с короткой дугой ДКсШ и трубчатые ДКсТ. Лампы ДКсШ характеризуются высоким давлением ксенона (до 1 МПа в холодной лампе) и малым расстоянием между электродами. Напряжение зажигания высокое (15…30 кВ). Период разгорания разряда практически отсутствует. Лампы могут работать не только при номинальной, но и при значительно меньших мощностях, причем, спектральные характеристики их не изменяются. Рабочее напряжение на лампе от 18 до 35 В. Такими лампами оснащают кинопроекторы, их используют в автомобильных фарах. Лампы ДКсТ примечательны тем, что в них возможна стабилизация разряда без внешнего балласта. На это указывает тот факт, что вольтамперная характеристика разряда лишь вначале имеет падающий участок, а затем она идет прямолинейно с положительным углом наклона, как у линейного резистора. Мощности ламп измеряются киловаттами, поэтому их применяют для освещения больших помещений и открытых площадей, например, на спортивных сооружениях, на промышленных площадках. 2.7. Индикаторные газоразрядные приборы До настоящего времени широко применяются индикаторные неоновые лампы. Такая лампа представляет собой миниатюрный стеклянный баллон, часто без цоколя, в который вмонтированы два электрода. Внутри баллона находится инертный газ неон. При разряде пространство вокруг катода светится красно-оранжевым светом. Напряжение зажигания тлеющего разряда в лампах разных типов от 30 до 550 В, напряжение горения ниже и составляет около 60 % напряжения зажигания. Рабочий ток через лампу, в зависимости от типа, от 0,25 до 30 мА, для ограничения тока последовательно с лампой включают резистор (см. рис. 24). Примеры ламп: ТН-0,15 – бесцокольная с гибкими выводами, диаметр баллона 3 мм, длина 20 мм, напряжение зажигания 150 В, рабочий ток 0,15 мА; ТЛЗ-1-1 – неоновая люминесцентная (баллон изнутри покрыт люминофором) зеленого свечения, напряжение зажигания 185 В, рабочий ток 1 мА (есть такие же лампы оранжевого, голубого и желтого цветов). Еще сравнительно недавно широко применялись цифровые и знаковые газоразрядные индикаторы. Такой индикатор представляет собой 49 стеклянный баллон, заполненный неоном, в котором размещены сетчатый анод и до 10 - 11 плоских катодов в виде десятичных цифр или иных знаков, расположенных в пакете на небольших расстояниях друг от друга. Напряжение прикладывается между анодом и одним из катодов, при этом прикатодное пространство светится, отображая соответствующий знак. Из-за высокого рабочего напряжения и, как следствие, трудностей сопряжения с полупроводниковыми устройствами в настоящее время такие индикаторы не используются. Плазменные панели - это сравнительно новый тип индикаторных приборов. Панель представляет собой два параллельных слоя тонких проволочных электродов, размещенных в плоском стеклянном баллоне с газовым заполнением. В каждом слое проволоки расположены параллельно друг другу на небольших одинаковых расстояниях. В другом слое направления проволок ортогональны по отношению к первому слою. На проволоки от электронного устройства развертки поочередно поступают импульсы напряжения: на один слой положительной, на другой – отрицательной полярности. В месте скрещивания проволок, находящихся под напряжением, возникает газовый разряд, сопровождающийся свечением. Для построения полутонового изображения нужно управлять величиной и (или) временем действия напряжения в каждой точке скрещивания проволок. Первые конструкции плазменных панелей использовали разряд в неоне при сравнительно небольших напряжениях, цвет свечения у таких панелей оранжево-красный. Затем появились панели с ультрафиолетовым спектром разряда и люминофорной его трансформацией, благодаря чему стали возможными цветные панели. Экраны цветных панелей мозаичные, как у цветных кинескопов. В построении плазменных панелей в настоящее время достигнут значительный прогресс: разрешающая способность на уровне цветных кинескопов, широчайший диапазон контрастности, высокая надежность. Это позволило начать их широкое внедрение в бытовые телевизионные приемники и в разнообразные информационные табло, причем, в отличие от кинескопов, плазменные панели плоские и не имеют принципиальных ограничений габаритов сверху. 3 ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Электронно-ионная технология – это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками электронов, ионов, плазмы, нейтральных атомов. В результате воздействия таких потоков можно менять форму, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий, а также контролировать параметры исходных и модифицированных веществ. Простота и широкий диапазон управления энергоносителями – потоками частиц позволяют выполнять многооперационную обработку с одновременным контролем в ходе операций, воздействовать на объект локально и селективно при сохранении чистоты исходного материала, устранить механическое воздействие на 50 объект, широко использовать компъютерное управление технологическими процессами и операциями. В электронной технологии различают термические и нетермические процессы. Под термическими понимают процессы, связанные с нагревом, плавлением и испарением материала под действием потока быстрых электронов. В этом случае кинетическая энергия электронов превращается в тепловую. Примеры: сварка, размерная обработка, заключающаяся в селективном удалении материала, отжиг, получение пленок и т. д. Отличительные черты термических электронно-лучевых процессов: достижение высоких температур в малых по размеру областях, отсутствие загрязнения, возможность точного дозирования воздействия и быстрого перемещения луча. 3.1. Взаимодействие ускоренных электронов с веществом Движение ускоренных электронов веществе сопровождается их рассеянием, в результате чего изменяются траектории движения, и происходит торможение электронов. В результате упругих столкновений электрона с атомами вещества в основном изменяется его импульс, то есть. происходит отклонение от первоначального направления движения. Рассеяние быстрых электронов (таких, скорость которых больше орбитальной скорости электронов атома) сопровождается отклонением их на малые углы и изменяет их энергию незначительно. Передача электронами энергии веществу происходит при неупругих их столкновениях с атомами, молекулами, а также со свободными электронами вещества. В результате происходит возбуждение и ионизация атомов, диссоциация молекул или образование новых связей, возбуждение коллективных колебаний в электронной плазме (плазмонов), образованной свободными электронами. Средняя глубина проникновения электрона в вещество R = E02/b , где E0 - начальная энергия электрона, b – постоянная, - плотность вещества. На рисунке 24 изображено пространственное распределение траекторий электронов в веществе. На поверхность твердого тела падает поток электронов поперечным размером d0. Большая часть траекторий электронов заключена в «диффузной сфере» радиусом rd , немногие выходят за ее пределы. Центр сферы находится в веществе на глубине xD 12 R/(z + 8), где z – порядковый номер элемента, составляющего вещество, R – расстояние 51 от поверхности тела до наиболее глубокой точки сферы. Радиус сферы rD = R(z – 4)/(z + 8) . На рисунке 25 представлено распределение плотности поглощенной энергии электронов в веществе по глубине. Максимум выделения энергии приходится на глубину , которую можно оценить неравенством 1< 8 exp 3 / x D < 2, z 8 или xD x ln 1 z / 8 < < D ln 1 z / 8 ln 2 . 3 3 С увеличением энергии электрона максимум выделения энергии смещается в толщу вещества, причем, глубина максимума выделения энергии пропорциональна квадрату энергии падающего на поверхность электрона: ~E2. 3.2. Тепловые эффекты при электронно-лучевом нагреве На первой стадии передачи энергии веществу происходит ионизация или возбуждение атомов вещества, появляются высокоэнергетичные неравновесные электроны в зоне проводимости. В результате электронэлектронных столкновений энергии свободных электронов выравниваются, и электронный газ нагревается за время порядка 10-13 с. Затем в ходе ряда неупругих столкновений электронов с ионами за время порядка 10-11 с электроны передают избыточную энергию кристаллической решетке, в результате температуры решетки и электронного газа выровняются, при этом вещество нагреется, так как температура электронного газа выше температуры решетки. На следующей стадии произойдет развозбуждение атомов вещества, при котором избыточная энергия частично перейдет в тепловую, другая ее часть будет израсходована на генерацию электромагнитного излучения. Так как время жизни атомов в возбужденном состоянии порядка 10-9 с, то по истечении этого времени после попадания электронов в вещество можно говорить о единой физической температуре системы «электроны – решетка». Распределение температуры в толще материала при облучении зависит от его теплопроводности. Так, для материалов с высокой теплопроводностью, например, для меди, температура поверхности слабо зависит от энергии электронов; у материалов с примерно такой же плотностью, но с меньшей теплопроводностью (нержавеющая сталь) температура поверхности существенно ниже максимальной температуры на глубине , где температура может превышать температуру кипения. Вольфрам имеет более высокую 52 плотность, поэтому тепловой источник локализуется ближе к поверхности, а сравнительно высокая теплопроводность позволяет выравнять температуру по глубине. При достаточно большой плотности мощности луча происходит испарение вещества без его расплавления (сублимация). Если пренебречь потерями на теплопроводность и излучение, то подводимая энергия Pt = Lисп Sh , где P - мощность луча, - плотность материала, Lисп - теплота испарения, S - площадь сечения луча, h - глубина испаряемого материала за время t . Глубина образовавшейся за время t лунки h(t) = qt/ Lисп , где q = P/S – плотность мощности. Выражение получено в предположении, что температура поверхности всегда равна температуре испарения и нет других потерь энергии, что далеко от реальных условий. Более детальное исследование зависимости глубины проплавления от времени показывает, что при малых временах нагрева реальная скорость испарения велика и приближается к таковой без теплообмена со средой; по мере роста времени нагрева она уменьшается, стремясь к некоторой постоянной для данного материала. Глубина проплавления при малых временах воздействия луча зависит от времени линейно; при больших временах скорость снижается и, начиная с некоторого значения времени, глубина проплавления перестает расти. Особый случай – так называемое «кинжальное» проплавление имеет место при скорости выделения тепловой энергии, превышающей ее отвод за счет за счет теплопроводности, излучения и испарения. При кинжальном проплавлении глубина проплавления значительно превышает глубину проникновения электронов в твердую фазу, ее значение зависит от множества факторов, а отношение глубины проплавления к диаметру электронного луча достигает 40 … 50. На поверхности расплавленного металла действуют силы, стремящиеся прогнуть поверхность расплава и вытеснить расплавленный металл из зоны действия луча, образуя кратер. Эти силы обусловлены давлением электронного луча и реактивным давлением испаряющихся частиц, они уравновешиваются гидростатическим давлением столба жидкости и силами поверхностного натяжения жидкого металла. При глубоком проплавлении в месте воздействия луча образуется пароплазменный канал, длина пробега электронов возрастает, и дно канала дополнительно разогревается от электронной бомбардировки, из-за вскипания жидкой фазы происходит ее выброс из канала наружу. Процесс образования канала неустойчив и носит пульсирующий характер. 53 3.3. Технологические процессы с электронным нагревом В технологических процессах электронного нагрева обеспечиваются плотности мощности от105 до1012 Вт/м2 (от 0,1 до 107 Вт/мм2). Для нагрева без плавления достаточно плотности мощности менее 100 Вт/мм2, для плавления - до 10 кВт/мм2, и для испарения – до 1000 кВт/мм2. Выбор конкретного значения плотности мощности определяется физическими характеристиками материала и видом обработки. Например, при плавлении металла электронным потоком с плотностью мощности 100 Вт/мм2 следует учесть, что на плавление расходуется примерно 35% мощности луча, 60 % отводится в объем металла и 5 % уносится с испаряемыми частицами. Обработку можно производить как сфокусированным, так и несфокусированным потоком электронов. Обработка несфокусированным потоком электронов Нагрев несфокусированным потоком используется для обезгаживания материала деталей, рекристаллизации пленочных композиций перед механической обработкой в вакууме или диффузионной сваркой. Проводят вакуумной камере с металлическими термоэмиссионными катодами, ускоряющие напряжения до 10кВ, возможен предварительный нагрев без ускоряющего напряжения тепловым излучением катодов. Переплав в вакуумной электронно-лучевой установке применяется в производстве особо чистых либо агрессивных и нестойких материалов. При этом концентрация примесей может быть снижена, например, в полупроводниковых материалах до 10-8 -10-10. Возможно одновременное получение сплавов разных металлов. Применяется для выращивания монокристаллов по методам Чохральского и Вернейля. Электронно-лучевая обработка Реализуется при воздействии сфокусированного электронного луча на материал. Сварку электронным лучом можно вести при низком (до 30 кВ) ускоряющем напряжении, среднем (до 60 – 80 кВ) и высоком (до 200 кВ). Электронный пучок на поверхности металла фокусируют в пятно диаметром от 0,1 мм до нескольких миллиметров, что при мощности луча от1 до 100 кВт позволяет достигать плотностей мощности 1…100 кВт/мм2. Изменяя параметры процесса, можно получать различные соотношения глубины проплавления h к ширине шва d. Различают следующие режимы сварки: мягкий (h<<d), переходный (h d), жесткий (h>d), с «кинжальным» проплавлением (h>>d). Глубокое проплавление достигается при относительно малом вводе энергии в материал. Простота управления параметрами пучка во времени и в пространстве позволяет реализовать как непрерывную, так и импульсную обработку, выполнять швы сложной конфигурации. Выбор режима сварки зависит от теплофизических свойств материалов, конструкции сварного соединения и требуемой геометрии зоны проплавления. 54 Для формирования шва сфокусированный электронный пучок должен перемещаться вдоль линии соединения с определенной скоростью. При непрерывном соединении чаще всего соблюдают соотношение h d. Глубина проплавления при низких и средних ускоряющих напряжениях зависит от мощности пучка. Если пренебречь рассеянием электронов в парах материала, то сила тока луча и ускоряющее напряжение примерно одинаково влияют на глубину проплавления. При высоких ускоряющих напряжениях значительная часть мощности расходуется на ионизацию паров области кратера проплавления. При транспортировке пучка к свариваемым материалам электроны соударяются с молекулами остаточных газов и паров материала и рассеиваются. Значительное расширение луча наблюдается уже при давлении 1…10 Па. При числах соударений более 20 происходит уменьшение отношения h/d, если же это число достигает уровня примерно 104, электроны в луче расходятся под углом более 100 к первоначальному направлению и сварку выполнять невозможно. Поэтому в сварочных камерах поддерживаю вакуум не хуже 10-2 Па. Однако при ускоряющих напряжениях более 125 кВ и расстоянии от выходного отверстия электронной пушки до детали в несколько миллиметров можно выполнять сварку с соотношением h/d = 1…5 даже при атмосферном давлении. Установлено, что при силе тока пучка, выходящего в атмосферу, порядка 30 мА плотность атмосферного газа в области потока электронов снижается в 8 раз, следовательно, возможно подведение к поверхности материала потока электронов с достаточной для сварки плотностью. Одной из проблем сварки является требование ограничения степени закалки и предотвращения появления закалочных трещин. Для этого нужно снизить скорость нагрева, например, предварительно подогревая области, прилегающие к будущему шву. Это можно сделать расфокусированным электронным потоком, сканируя им вдоль и поперек шва и создавая тепловые поля с необходимыми характеристиками. Для полного или частичного восстановления свойств материала в зоне шва в качестве заключительной операции проводят отжиг, осуществляемый так же, как и предварительный подогрев. Особый интерес представляет сварка с «кинжальным»проплавлением при h/d = 40…50. Она реализуется при больших ускоряющих напряжениях и плотностях мощности 105…106 Вт/мм2 и более. Так как глубина проникновения электронов в материал пропорциональна квадрату ускоряющего напряжения, то основное выделение энергии происходит под поверхностным слоем. Перегрев в глубине материала не компенсируется отводом тепла за счет теплопроводности, поэтому возникает плазменный канал с высоким давлением пара, определяемым температурой и достигающим сотен – тысяч паскалей. Канал периодически перекрывается жидкой пленкой, сквозь которую электроны пучка проходят с малыми потерями, отдавая свою энергию, в основном, на испарение материала со дна 55 канала. Давление паров повышается и разрывает пленку, но перед этим из-за высокой концентрации частиц происходит интенсивное рассеяние энергии на стенках с образованием жидкой фазы материала. Жидкая фаза выталкивается парами вверх и вновь перекрывает канал в его верхней части. В режиме «кинжального» проплавления ширина швов уменьшается пропорционально величине U уск . Для регулирования тепловой нагрузки на прилегающие области применяют импульсный режим работы электронной пушки. Размерная обработка проводится с помощью остросфокусированных потоков электронов с плотностями мощности не менее 5*106 Вт/мм2 . Заключается в интенсивном испарении материала из зоны воздействия луча с минимальным образованием жидкой фазы. Используется для формирования планарных изображений, подгонки электрических номиналов элементов тонкопленочных микросхем, обработки изделий из труднообрабатываемых механически материалов, таких, как керамика, металлокерамика, ферриты, полупроводниковые материалы и т. п. Мощность установок в непрерывном режиме обычно не превышает 1 кВт, в импульсном – 15 кВт. Результат зависит от теплофизических свойств материала (температуры плавления, теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности). Профиль образуемого канала и его поперечный размер зависят от параметров процесса: плотности мощности, длительности импульса при импульсном режиме, силы тока, положения фокуса пучка относительно обрабатываемой поверхности. При больших плотностях мощности и ускоряющих напряжениях порядка 100…175 кВ в зоне обработки возникают очень высокие температуры и температурные градиенты (порядка 105 К/мм). Все известные материалы при таких условиях плавятся и затем испаряются либо непосредственно сублимируют. Для размерной обработки целесообразно использовать импульсные режимы, одно- и многоимпульсные, при которых в паузе между импульсами зона обработки охлаждается. Импульсные режимы эффективны, например, при обработке многослойных пленочных структур. Толщина обрабатываемых пленок обычно не превышает 10…100 нм. Особенности установок для такой обработки: применение электронных пушек с большими фокусными расстояниями и значительным полем отклонения луча (до 3000 поперечных размеров луча), обработка металлических и полупроводниковых пленок на диэлектрических подложках. Напыление пленок в вакууме электронно-лучевым испарением материала. Электронный луч используется для испарения наносимого материала, а также для подогрева поверхности, на которую наносится пленка, до заданной температуры. Применяется в микроэлектронике, в двигателестроении. Осуществляется в установках с поворотом электронного потока на 180…270о и мощностью до 15 кВт. 56 3.4. Установки для термических процессов электронной технологии Разработки устройств электронно-лучевого нагрева начались в 30-е годы ХХ века, в конце 50-х – начат их серийный выпуск. В настоящее время в мире выпускаются установки с мощностью пучка до 1200 кВт для плавки металлов и с мощностью до 1 кВт и поперечным размером луча от 1 мкм для размерной прецизионной обработки. Плотность мощности на обрабатываемой поверхности может находиться в большом диапазоне: от 1 Вт/мм2 (для нагрева поверхности) до 105 Вт/мм2 (при испарении) и даже до 5*106 Вт/мм2 (при размерной обработке с взрывообразным испарением). Плотность мощности легко регулируется путем изменения силы тока луча и времени его протекания, ускоряющего напряжения и поперечных размеров потока на поверхности объекта обработки. Источником потока электронов служит электронная пушка. Формирование потока электронов и его транспортировка к объекту обработки происходит в вакууме, поэтому основу конструкции установки образует вакуумная камера, обычно имеющая шлюзовую камеру (камеры). Для создания и поддержания вакуума в состав установки входит система откачки вакуумной камеры. Для управления пространственным положением потока электронов служат электростатические и магнитные системы фокусировки и отклонения этого потока. В состав установки входят также система электропитания и система управления. Электронная пушка является одним из основных узлов электроннолучевой установки. В зависимости от ее типа и конструкции поток электронов может быть сформирован в виде луча круглого сечения, ленты, клина, кольца, иметь различную мощность в выбранном диапазоне, быть непрерывным или импульсным. Эмиттерами электронов в пушках с небольшими токами луча служат металлические (вольфрамовые или танталовые) термокатоды прямого действия. Срок их службы небольшой (20…50 ч). Широко применяются катоды косвенного накала на основе гексаборида лантана LaB6 благодаря своей большой удельной эмиссии при невысоких температурах (до 2 А/мм2 при 1400оС) и устойчивой работе в неглубоком вакууме и при периодическом напуске в камеру атмосферного воздуха. Для их разогрева используют вольфрамовые подогреватели или электронный подогрев от дополнительного термокатода. У металлических термокатодов в виде острия радиусом порядка 1 мкм на разогреваемом основании термоэмиссионный ток дополняется автоэлектронным током из-за высокой напряженности электрического поля вблизи острия. 57 Для сильных электронных потоков целесообразно использовать плазменные эмиттеры на основе тлеющих или дуговых разрядов в разреженном газе. Максимальная плотность тока с границы плазмы J = 0,25ne e 8kTe m 0,5 , где ne – концентрация электронов в плазме, м-3; е – заряд электрона, Кл; Те – температура электронного газа, К; m – масса электрона, г, k – постоянная Больцмана. Например, при Те = 104 К, ne = 1018 м-3 плотность тока J = 10 А/мм2, что в 1000 раз больше, чем у вольфрамового катода. Для плазменного эмиттера используют чаще всего разряд в аргоне при давлении 10-2…10-3 Па, напряжении между электродами 1,5…2 кВ и потребляемой мощности до 1 кВт. Вместо аргона иногда применяют водород или даже воздух. Для устойчивости разряда на него накладывают постоянное магнитное поле индукцией до 0,05 Тл. Разряд происходит в отдельной камере с малым отверстием, через которое можно электрическим полем вытягивать электроны. В разрядную камеру подают рабочий газ. Рабочая камера. В универсальных установках объем вакуумной рабочей камеры от 0,001 до 4 м3. Корпус должен быть достаточно прочным механически и защищать персонал от рентгеновского излучения. Пушка может быть закреплена либо иметь возможность перемещаться. Отвод избыточного тепла осуществляется системой охлаждения с проточной водой. Для повышения производительности камера снабжается шлюзами для загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий без потери вакуума, при этом в шлюзах непрерывно создается промежуточный уровень вакуума. Перемещения изделий, а также пушек и другого технологического оснащения камер осуществляется сервоприводами под управлением компъютера, как и управление собственно процессом обработки. Для обработки крупногабаритных изделий выпускают большие камеры с объемом, например, 180 м3 ,в таких камерах устанавливают и одновременно включают несколько пушек, причем, пушки имеют собственные системы откачки с отсечным вакуумным клапаном, тогда в камере вакуум может быть невысоким (1…10 Па). Высоковольтные пушки с выводом луча в атмосферу применяют для обработки (преимущественно, сварки) крупногабаритных изделий совместно со складной гофрированной камерой, которую прикладывают к поверхности изделия в зоне обработки и вакуумируют до 100…1000 Па. Вакуумные системы. Их основными узлами являются форвакуумные, бустерные и высоковакуумные диффузионные насосы. Система электропитания. Электронно-лучевая установка нуждается в разнообразных по мощности и требованиям к качеству источниках питающих напряжений. Среди них - постоянные высокие напряжения для питания катодов электронно-лучевых пушек, фокусирующих и отклоняющих систем. Эти напряжения должны быть стабильными и иметь малые пульсации, в ряде случаев – плавно регулируемые в пределах от 0 до максимального значения. Например, для размерной обработки требуется 58 ускоряющее напряжение регулируемое от 0 до 100 кВ при токе до 10 мА, нестабильность его не более 0,01 %. 3.5. Технология и оборудование нетермической электроннолучевой обработки В нетермических процессах электронно-лучевой технологии используются явления радиационно-химических превращений в твердых телах. В результате изменяются состав или структура, механические и электрофизические свойства материалов. При нетермическом воздействии возможны химические превращения, образование радиационных дефектов, электростатические воздействия, связанные с возникновением электрически заряженных областей и приводящие к появлению сил растяжения и сжатия. Наиболее распространены в промышленности процессы, связанные с инициируемыми электронами химическими реакциями. В микроэлектронике это электронная литография, обработка электронно-чувствительных пленок для записи информации, обработка коллоидальных веществ для изготовления субмикронных масштабных элементов электронной микроскопии. Электронно-лучевая обработка используется также для разложения и синтеза металлоорганических соединений в производстве многослойных электропроводящих, полупроводниковых и диэлектрических структур и т. п. В других областях промышленности электронный луч применяют для полимеризации высокомолекулярных соединений (полиэтилен, полипропилен, полиамиды) в виде пленки и труб, для вулканизации каучука, отверждения лаковых пленок, разложения целлюлозы, стерилизации хирургических инструментов и пищевых продуктов. По своей структуре полимеры подразделяются на линейные и пространственные (сетчатые). Линейные полимеры образуются последовательным присоединением мономеров в одном направлении. Линейной структурой обладают термопластичные полимеры (термопласты), они растворимы и могут существовать в жидком виде. При нагревании термопласты размягчаются, переходят в высокоэластичное, затем в вязкотекучее состояние, в этом состоянии термопластам придают определенную форму, далее охлаждают и таким образом получают изделия. К пространственным полимерам относятся реактопласты. Их молекулы соединены между собой поперечными химическими связями. При нагревании реактопласты не размягчаются, но термически разлагаются, поэтому формообразование изделий из реактопластов обычно совмещают с получением материала в ходе химической реакции между мономерами. 59 При воздействии потока быстрых электронов на полимеры возможны два основных процесса: полимеризация – реакция поперечного сшивания молекул мономера и деструкция полимерных цепей на более короткие. Оба процесса могут идти параллельно с преобладанием одного из них. «Сшитый» полимер, который не растворяется в растворителях, называется гелем. Гель формируется не сразу, но лишь при получении полимером достаточной дозы облучения. Энергия облучения, при которой начинает образовываться нерастворимая сетка, называется дозой гелеобразования или гель-точкой. Оставшаяся растворимая фракция полимера называется золем. В электронно-лучевой литографии полимерные материалы используются для изготовления электронорезистов, которые делят на позитивные и негативные. У позитивных резистов при проявлении удаляются за счет растворения экспонированные электронным лучом участки; у негативных удаляются не облученные электронами области резиста. Электронно-лучевая литография – это процесс формирования рисунка требуемой структуры на подложке из материала резиста. Используются два метода экспонирования резиста электронным лучом: 1) одновременное экспонирования всего изображения, и 2) последовательное экспонирование отдельных точек сканированием луча. Оба метода обеспечивают высокую разрешающую способность, позволяющую формировать элементы с субмикронными размерами. Столь высокая разрешающая способность электронной литографии объясняется тем, что диаметр электронного луча можно сделать много меньше дифракционного предела, ограничивающего размеры фотолитографического изображения (порядка 2 мкм). Электронно-лучевые системы литографии подразделяются на три класса: лучевые сканирующие, проекционные и гибридные. В лучевых сканирующих установках литография выполняется одним лучом или одновременно несколькими, при этом развертка осуществляется по всему растру либо векторно; в растровой литографии луч при движении по строке включается и выключается в зависимости от того, есть ли в этом месте строки рисунок. При векторном сканировании луч перемещается лишь по вырисовываемым элементам, поэтому такой метод производительнее. Еще большую производительность имеют проекционные системы, в которых получают копии заранее изготовленных шаблонов с одновременным перенесением всего рисунка шаблона на обрабатываемый объект, как в натуральную величину, так и с уменьшением. Шаблон (маску) можно изготовить только на растровой установке. В гибридных системах для повышения производительности применяют профилированные электронные потоки или проецирование символов, а также векторную развертку. В растровых системах для формирования луча с поперечным размером порядка 0,1 мкм применяют точечные катоды: вольфрамовые V-образные с радиусом закругления 100 мкм, гексаборидлантановые с радиусом эмиссионной поверхности 10 мкм и автоэлектронные из нитевидных 60 монокристаллов вольфрама с радиусом до 20 нм, однако последние нуждаются в более глубоком вакууме: до 10-8 Па. На пути к объекту поперечный размер луча уменьшается расположенными последовательно двумя – тремя магнитными линзами. Угол расхождения потока уменьшают с помощью диафрагм, а также уменьшением силы тока луча. Например, при плотности тока катода 1 А/мм2 и ускоряющем напряжении 15…30 кВ ток в сфокусированном пятне всего 10-6 – 10-10 А. Высокие требования предъявляются к качеству и точности систем отклонения и бланкирования (запирания) луча, из-за стремления уменьшить искажения площадь обработки ограничена размерами не более 2х2 мм2. Типовые характеристики электронно-зондовых литографов: ускоряющее напряжение до 30 кВ, плотность тока луча 1…15 мА, минимальный размер элементов топологии 0,1…0.3 мкм, поле отклонения луча 1х1 мм2, площадь обрабатываемых пластин 100х100 мм2. 3.6. Электронно-зондовые методы анализа веществ Известны десятки методов анализа вещества, использующих энергетические потоки как аналитические инструменты. В основе диагностики лежит регистрация вторичных потоков, испускаемых веществом и несущих информацию о его природе и особенностях строения. Электронный поток легче других потоков частиц и излучений сформировать в зонд очень малого диаметра (единицы и даже доли нанометра) на поверхности анализируемого объекта. Для получения информации о поверхности достаточно регистрировать энергию и пространственное распределение упруго- и неупругоотраженных первичных электронов зонда, вторичных электронов, оже-электронов, рентгеновского излучения, люминесценции, наведенных в образце токов, в некоторых случаях – ток и пространственное распределение электронов, прошедших сквозь тонкие образцы. Растровая электронная микроскопия – это метод исследования поверхности образца, использующий энергетическое и пространственное распределение электронов, эмиттированных из поверхностного слоя образца под воздействием остросфокусированного электронного луча (зонда). Для создания изображения структуры поверхности в растровом электронном микроскопе (РЭМ) регистрируются либо вторичные электроны, либо упругорассеянные первичные. Для этого луч сканирует поверхность образца, а эмитируемые с поверхности электроны собираются 61 коллектором. Когда первичные электроны соударяются с поверхностью образца, в энергетическом спектре испускаемых с поверхности электронов можно выделить три основные зоны (см. рис. 26): истинно вторичные электроны 1; неупругоотраженные электроны 2; упругоотраженные электроны 3. По оси абсцисс на рис. 26 – энергия электронов, по оси ординат – интенсивность потока электронов. Электронные микроскопы делятся на три типа: эмиссионные, просвечивающие и зеркальные. В каждом могут быть реализованы проекционный и растровый режимы работы. В узле регистрации используются следующие способы детектирования электронов: 1) под углом к образцу расположен металлический коллектор под положительным потенциалом, выходным параметром служит ток этого коллектора; 2) непосредственно у образца смонтирован каналовый электронный умножитель; 3) коллектор выполнен в виде полупроводникового детектора – пластины с pn – переходом; вторичные электроны в таком детекторе генерируют электронно-дырочные пары, а под действием внешнего источника напряжения смещения в цепи детектора возникает ток; 4) вторичные электроны вызывают в сцинтилляторе кванты света, которые попадают в фотоэлектронный умножитель, где вновь появляются фотоэмиссионные электроны, усиливаемые этим умножителем. При выборе узла регистрации имеют значение его коэффициент передачи и уровень шумов. Перспективным методом анализа поверхности является ожеспектроскопия. С ее помощью изучают физические и химические свойства поверхности, оценивают степень чистоты полупроводниковых пластин, анализируют причины отказа изделий электронной техники. В ожеспектроскопии измеряют энергию и количество оже-электронов, эмиттируемых с поверхности мишени в результате электронной бомбардировки. Оже-эффект связан с ионизацией атома в результате соударения первичного электрона с электроном на одной из внутренних оболочек атома (K, L, M,…), на которой возникает вакансия. За очень короткое время (10-14 …10-16 с) происходит переход электрона с более высоких оболочек на образовавшуюся вакансию. Выделяющаяся в результате такого перехода энергия может либо перейти в энергию -кванта (радиационный переход), либо перейти к электрону одной из внешних оболочек, который покинет атом и регистрируется как оже-электрон. 3.7. Ионная обработка материалов Если из нейтрального атома или молекулы удалить, или, наоборот, присоединить к ним электрон, то образующаяся заряженная частица называется ионом. В зависимости от количества удаленных или присоединенных электронов ионы называются одно- или многозарядными. 62 Ионы могут быть атомарными, молекулярными и кластерными (конгломерат частиц, несущих электрический заряд). Заряженные ионы можно ускорить электрическим полем, изменить траекторию их движения электрическими или магнитными полями, сфокусировать в потоке, можно легко измерить силу создаваемого ими тока. В отличие от электронов ионы имеют значительно большие массы и сохраняют химическую индивидуальность атомов, из которых они получены. Направленный на твердые тела ускоренный поток ионов способен разрушать их, при этом возникает эмиссия атомов, электронов, ионов и фотонов, наблюдаются разогрев тел и модификация поверхностных слоев. Эмиссию частиц вещества в вакуум обычно называют ионным (катодным) распылением. Под действием ионной бомбардировки при столкновении иона с атомами решетки и атомов решетки между собой происходит обмен импульсами. Для того, чтобы атом оторвался от поверхности, ему должна быть сообщена энергия, превосходящая энергию связи атома с поверхностью твердого тела. Технология ионного распыления материалов имеет важное значение для напыления пленок на разнообразные подложки. При ионном напылении пленок нет недостатков, характерных для термических методов, при которых напыляемый материал просто термически испаряется в вакууме и затем конденсируется на холодной подложке. Недостатки термических методов следующие: трудность или невозможность испарения тугоплавких материалов, низкая воспроизводимость свойств пленок, малый срок службы и инерционность испарителей, плохая адгезия и дефектность пленок, сложность контроля процесса. Ионное распыление проводят в вакуумных установках разных систем. Простейшая - это диодная, где мишень – катод, подложка – анод. Затем появились триодные и тетродные, установки с автономным источником ионов, высокочастотные и магнетронные. В таких установках можно распылять и осаждать на подложку не только тугоплавкие металлы и многокомпонентные сплавы, но и диэлектрики, и полупроводники. Установка диодной системы содержит в вакуумной камере два электрода: катод и анод. Каждый электрод выполняет две функции: катод, бомбардируемый ионами из разряда, эмитирует электроны, поддерживающие горение разряда, он же является распыляемой мишенью. Анод, необходимый для горения разряда, одновременно служит держателем подложек, на которых конденсируются в виде пленки атомы материала мишени. Обычная среда – аргон. Применяются также, преимущественно в производстве полупроводниковых приборов и микросхем, такие технологические процессы, как ионное легирование материалов, молекулярно-лучевая эпитаксия, ионная литография. В целом методам электронно-ионной технологи присущи, наряду с уже отмеченными, такие достоинства, как высокая точность и воспроизводимость результатов и возможность сочетания в одной установке производственной 63 операции с непрерывным контролем. Они являются главным технологическим средством нового направления – нанотехнологии. ЛИТЕРАТУРА 1. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы.- М.: Связьиздат, 1960. 2. Клейнер Э.Ю. Основы теории электронных ламп.- М.: Высшая школа, 1974. 3. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии.- М.: Высшая школа, 1988. 4. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд.- М.: Энергоатомиздат, 1983. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чем обусловлена электропроводность металлов? 2. Каким образом взаимодействие между атомами в твердом теле сказывается на состоянии связанных электронов? 3. В чем заключается принцип Паули? 4. Что такое уровень Ферми? 5. Изобразите график распределения электронов в твердом теле по уровням энергии. 6. Что такое работа выхода электрона? 7. Приведите примеры металлов, имеющих малую работу выхода электрона. 8. Что такое термоэлектронная эмиссия? 9. Запишите и поясните формулу Дэшмана. 10.От каких факторов зависит плотность тока эмиссии конкретного металла? 11.Почему эмиссионная способность активированных металлов выше, чем у неактивированных? 12.Почему катод в электровакуумном приборе присоединяют к отрицательному полюсу источника питания? 13. В чем заключается эффект Шоттки? 14. С какой целью катод в электровакуумном приборе нагревают? 15. Опишите конструкцию катода прямого накала. 16. Что такое эмиссионная характеристика катода? 17. От каких факторов зависит температура катода? 64 18. Изобразите электрическую схему для снятия накальной характеристики электровакуумного прибора. 19. Изобразите электрическую схему для снятия эмиссионной характеристики электровакуумного прибора. 20. Почему накальная характеристика ЭВП нелинейная? 21. Что такое удельная эмиссия катода? 22. Что такое удельная мощность накала ЭВП? 23. Что такое эффективность катода? 24. Что такое долговечность катода? 25. В чем основная причина отказа катодов прямого накала? 26. В чем основная причина отказа активированных и оксидных катодов? 27. Приведите классификацию термоэлектронных катодов ЭВП. 28. Что представляет собой активный слой пленочных катодов? 29. Что представляет собой активный слой полупроводниковых катодов? 30. В чем достоинства и недостатки вольфрамовых катодов? 31. В чем достоинства и недостатки танталовых катодов? 32. В чем достоинства и недостатки торированых катодов? 33. В чем достоинства и недостатки карбидированных катодов? 34. Опишите конструкцию полупроводникового катода. 35. Почему ЭВП с оксидными катодами наиболее пригодны к работе в импульсных режимах? 36. Какой тип катода характеризуется наибольшей эффективностью и почему? 37. В чем достоинства и недостатки катода прямого накала? 38. В чем достоинства и недостатки катода косвенного накала? 39. В чем главные недостатки ЭВП по сравнению с полупроводниковыми? 40. Опишите явление электростатической индукции применительно к электрической цепи, включающей вакуумный участок между катодом и анодом ЭВП. 41. Изобразите вольт-амперную характеристику вакуумного диода. 42. Что такое ток насыщения и напряжение насыщения диода? 43. Что такое режим насыщения электровакуумного прибора? 44. Что такое режим пространственного заряда электровакуумного прибора? 45. Поясните, как изменяется режим работы ЭВП в зависимости от температуры катода. 46. Поясните, как изменяется режим работы ЭВП в зависимости от напряжения анод - катод. 47. Каковы локализация и порядок величины потенциального барьера, создаваемого пространственным зарядом в ЭВП? 48. Запишите и поясните закон трех вторых. 49. Воспроизведите изображения на электрических схемах электровакуумных диодов разных типов. 50. Перечислите основные параметры вакуумных диодов. 51. Каковы области применения вакуумных диодов? 52. Как определить крутизну характеристики вакуумного диода? 65 53. Как определить внутреннее сопротивление вакуумного диода? 54. Где в вакуумном диоде выделяется мощность, рассеиваемая анодной цепью? Какова ее величина? 55. Почему недопустим перегрев анода ЭВП? 56. Какой параметр материала для изготовления анода ЭВП имеет наибольшее значение? 57. Изобразите принципиальную схему двухполупериодного выпрямителя на кенотроне. 58. В чем состоят основные недостатки выпрямителя напряжения на кенотроне? 59. Перечислите основные параметры электровакуумных диодов. 60. С какой целью в состав электровакуумного прибора введен третий электрод (сетка)? 61. Изобразите электрическую схему включения вакуумного триода, поясните функции отдельных элементов. 62. Изобразите сеточно-анодную характеристику триода, покажите, как по этой характеристике определить напряжение отсечки и крутизну характеристики. 63. Изобразите семейство сеточно-анодных характеристик триода. 64. Изобразите семейство анодных характеристик триода, покажите, как по характеристикам определить внутреннее сопротивление триода. 65. Что такое коэффициент усиления триода, как его можно определить по характеристикам? 66. Изобразите эквивалентную схему выходной цепи усилительного каскада на электровакуумном триоде, запишите выражение для коэффициента усиления каскада. 67. В каком диапазоне находятся значения коэффициентов усиления и крутизны реальных вакуумных триодов? 68. Почему с ростом частоты усиливаемого сигнала коэффициент усиления триода и каскада на нем снижаются? 69. Изобразите эквивалентную схему усилительного каскада на вакуумном триоде, учитывающую междуэлектродные емкости. 70. С какой целью в состав электровакуумного прибора вводят вторую сетку? 71. Как изменяются параметры тетрода по отношению к триоду? 72. Что такое динатронный эффект, в чем он заключается? 73. Какими путями устраняют динатронный эффект? 74. Что за прибор называют лучевым тетродом? 75. Каковы области применения пентодов и лучевых тетродов? 76. Что такое многосеточные и комбинированные лампы, каковы области их применения? 77. Приведите примеры обозначения приемно-усилительных ЭВП. 78. В чем отличия мощных ЭВП от приемно-усилительных? 79. Почему большинство мощных ЭВП являются триодами? 80. Перечислите способы охлаждения мощных ЭВП. 66 81. Приведите примеры обозначения мощных ЭВП. 82. В чем отличия ЭВП для сверхвысоких частот от ЭВП более низкочастотных? 83. Приведите примеры ЭВП СВЧ, охарактеризуйте их. 84. В чем особенности магнетрона, где эти приборы применяются? 85. В чем состоит назначение электронно-лучевых трубок, где они применяются? 86. Изобразите схематично устройство ЭЛТ, поясните назначение элементов конструкции. 87. Каковы функции системы фокусировки луча в ЭЛТ, какими средствами обеспечивается фокусировка? 88. Каковы функции системы отклонения луча в ЭЛТ, какими средствами оно обеспечивается? 89. Перечислите состав и укажите назначение электронной пушки. 90. В чем отличия электростатической и магнитной фокусировки? 91. В чем отличия электростатического и магнитного отклонения луча? 92. От чего зависит яркость свечения точки на экране ЭЛТ? 93. Какие вещества применяют в ЭЛТ в качестве люминофоров? 94. Перечислите основные параметры люминофоров. 95. Поясните, почему при попадании на экран ЭЛТ электронов на нем не происходит накопления отрицательного заряда. 96. Что такое алюминированый экран ЭЛТ, в чем его достоинства? 97. Какие факторы ограничивают срок службы ЭЛТ? 98. В чем отличия между осциллографическими ЭЛТ и кинескопами? 99. Чем кинескопы цветного изображения отличаются от кинескопов монохроматических (черно-белых)? 100. Что такое ионные (газоразрядные) приборы? 101. В чем заключается возбуждение атома при соударении с электроном? 102. Что такое потенциал возбуждения газа? 103. В чем заключается явление ударной ионизации атома? 104. В чем отличия между неупругими столкновениями первого рода и второго рода? 105. Что такое ступенчатая ионизация? 106. Что такое метастабильный атом? 107. Что является источником электронов для разряда в газе? 108. Чем несамостоятельный разряд в газе отличается от самостоятельного? 109. Опишите процессы при несамостоятельном разряде. 110. Опишите процессы при самостоятельном разряде. 111. Изобразите график распределении потенциала в разрядном промежутке при самостоятельном разряде. 112. Каково условие существования самостоятельного разряда? 113. Изобразите кривую Пашена, объясните ее ход. 114. При каких условиях имеет место тлеющий разряд? 115. Изобразите вольт-амперную характеристику самостоятельного разряда, поясните области. 67 116. Что такое напряжение зажигания разряда и напряжение горения? 117. Какова роль балласта в цепи газового разряда? 118. При каком виде разряда велика роль автоэлектронной эмиссии электронов? 119. В чем отличия между автоэлектронной и термоэлектронной дугой? 120. Приведите примеры газоразрядных приборов, служащих для преобразования электрического тока и управления им. 121. В чем недостатки газоразрядных приборов, применявшихся для преобразования электрического тока и управления им в сравнении с полупроводниковыми приборами аналогичного функционального назначения? 122. Приведите примеры газоразрядных приборов – источников света. 123. В чем преимущества газоразрядных приборов – источников света по сравнению с лампами накаливания? 124. Какие явления используются в газоразрядных источниках света? 125. Перечислите основные параметры трубчатой люминесцентной лампы. 126. Приведите примеры обозначений трубчатых люминесцентных ламп. 127. Изобразите схему включения трубчатой люминесцентной лампы в сеть переменного тока, опишите процесс включения лампы. 128. В чем недостатки дроссельного ПРА? 129. Изобразите схему включения трубчатой люминесцентной лампы совместно с инверторным балластом, укажите достоинства такого включения. 130. Перечислите типы газоразрядных ламп высокого давления, укажите их области применения. 131. Опишите устройство и работу лампы типа ДРЛ. 132. Какие газоразрядные лампы применяют в осветительном оборудовании автомобилей? 133. Поясните устройство и принцип действия плазменных панелей, укажите области применения. 134. Что собой представляет электронно-ионная технология? 135. Перечислите термические процессы электронно-лучевой технологии, укажите их достоинства. 136. Опишите процесс взаимодействия ускоренных электронов с веществом . 137. Как распределена по объему твердого тела выделяющаяся в месте падения электронного луча энергия? 138. Опишите процесс передачи энергии от ускоренных электронов веществу. 139. Какие операции выполняют несфокусированным потоком электронов? 140. Какие операции выполняют сфокусированным потоком электронов? 141. Перечислите режимы сварки электронным лучом, укажите соотношения между глубиной проплавления и шириной шва. 142. Опишите процесс размерной обработки электронным лучом. 143. Опишите состав и особенности составных частей установок электроннолучевой обработки. 68 144. Какие процессы электронно-лучевой обработки относятся к нетермическим? 145. Опишите электронно-лучевую литографию. 146. Приведите классификацию электронно-зондовых методов анализа веществ. 147. В чем состоит оже-эффект, используемый в оже-спектроскопии? 148. Каковы особенности ионной обработки материалов?
