Глава 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ 3.1. ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМЫЕ ЛАМПЫ
Электровакуумными приборами (ЭВП) называют устройства, в которых электрический ток создается потоком электронов или ионов, движущихся в высоком вакууме или инертной газовой среде. ЭВП подразделяются на электронно-управляемые лампы (ЭУЛ), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), газоразрядные приборы (ГРП) и фотоэлектрические (фотоэлектронные) приборы.
В ЭУЛ электрический ток создается за счет движения в высоком вакууме (давление газа составляет всего 1,33 ( 
) Па ( 
мм рт. ст.)) электронов от одного электрода к другим. Простейшей ЭУЛ является диод.
Диод.В диоде содержится всего два электрода: катод и анод. Катод является источником свободных электронов. Для выхода электронов из катода им необходимо сообщить дополнительную энергию, называемую работой выхода. Эту энергию электроны получают при нагревании катода электрическим током. Испускание нагретым катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией.
Отрицательный пространственный заряд, образованный вылетевшими из катода электронами, создает у его поверхности электрическое поле, которое препятствует выходу электронов из катода, образуя на их пути потенциальный барьер.
На анод подается положительное относительно катода напряжение, которое уменьшает потенциальный барьер у поверхности катода. Электроны, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера, уходят из области пространственного заряда, попадают в ускоряющее электрическое поле анодного напряжения и движутся к аноду, создавая анодный ток. С увеличением анодного напряжения увеличивается и анодный ток диода.
При отрицательном анодном напряжении потенциальный барьер у поверхности катода увеличивается, энергия электронов оказывается недостаточной для его преодоления, и ток через диод не протекает. В этом заключается важная особенность диода — его односторонняя электрическая проводимость.
На рис. 3.1 показаны условные обозначения диодов и схемы их подключения к источнику анодного напряжения.
Триод.В отличие от диода триод имеет три электрода: катод, анод и сетку (рис. 3.2, а, б). Сетка располагается
между катодом и анодом в непосредственной близости от катода. Если на сетку подать отрицательное напряжение (рис. 3.2, в), то потенциальный барьер у катода увеличится, а анодный ток уменьшится. При некотором отрицательном напряжении сетки, называемом напряжением запирания UCK.зan, анодный ток уменьшится до нуля. Если же на сетку подать положительное напряжение (рис. 3.2, г), то образованное им электрическое поле между катодом и сеткой приведет к уменьшению потенциального барьера и увеличению анодного тока.
Ввиду того, что сетка расположена к катоду ближе, чем анод, поданное на нее напряжение влияет на потенциальный барьер и анодный ток триода значительно сильнее, чем такое же по значению анодное напряжение. Поэтому в триоде управление анодным током осуществляют изменением сеточного напряжения, а не анодного.
Основными характеристиками триода являются семейства статических анодно-сеточных (передаточных) характеристик 
, снятых при различных анодных напряжениях Uaк (рис. 3.3, а), и анодных (выходных) характеристик Iа = f(Uак), снятых при различных напряжениях сетки (рис. 3.3, б).
Недостатками триода являются большая проходная емкость (емкость между сеткой и анодом) и малый статический коэффициент усиления. Эти недостатки устраняются введением в ЭУЛ второй сетки.
Тетрод. Это четырехэлектродная электронно-управляемая лампа, содержащая катод, анод и две сетки (рис. 3.4, а). Первая сетка, расположенная вблизи катода, используется, как и в триоде, для управления анодным током и называется управляющей. Вторая сетка, располагаемая между первой сеткой и анодом, является своеобразным экраном между этими электродами. В результате экранирующего действия второй сетки значительно уменьшается проходная емкость лампы и влияние анодного напряжения на
Потенциальный барьер у поверхности катода. Поэтому для создания направленного движения электронов от катода к аноду на вторую сетку, называемую экранирующей, подают положительное напряжение Uc2k, которое равно или несколько меньше, чем анодное. При этом часть электронов попадает на экранирующую сетку и создает ток Iс2 этой сетки.
Электроны, попадающие на анод, выбивают из него вторичные электроны. При 
(а такие случаи имеют место при работе тетрода) вторичные электроны притягиваются экранирующей сеткой, что приводит к увеличению тока экранирующей сетки и уменьшению анодного тока. Это явление называют динатронным эффектом. Для устранения динатронного эфекта, ограничивающего рабочую область ЭУЛ, между анодом и экранирующей сеткой создают потенциальный барьер для вторичных электронов. Такой барьер образуется при увеличении плотности электронного потока за счет его фокусировки в лучевых тетродах (рис. 3.4, б) или при введении между экранирующей сеткой и анодом третьей сетки, имеющей, как правило, нулевой потенциал.
Пентод. Пятиэлектродную ЭУЛ называют пентодом (рис. 3.4, я). Нулевой потенциал третьей сетки, которая называется антидинатронной пли защитной, обеспечивается за счет электрического соединения ее с катодом.
Основными характеристиками тетродов и пентодов являются семейства статических анодных (выходных) 
при 
и сеточно-анодных 
при характеристик, которые снимаются при постоянном напряжении Uc2к и строятся на одном графике (рис. 3.5).
Лампы, содержащие более трех сеток, называют многосеточными. В одном баллоне может располагаться не одна электродная система, а две и более. Такие ЭУЛ называются комбинированными (двойные диоды, триоды, тетроды и пентоды; триод-пентоды и т. п.).
Параметрами, характеризующими усилительные свойства ЭУЛ, яляются:
крутизна анодно-сеточной характеристики
внутреннее (дифференциальное) сопротивление
статический коэффициент усиления
Параметры S, 
и 
, называемые дифференциальными, связаны между собой соотношением 
.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) называют электронные электровакуумные приборы, в которых используется сконцентрированный в виде луча поток электронов. Эти приборы имеют форму трубки, вытянутой в направлении движения луча. Основными элементами ЭЛТ являются стеклянный баллон, или колба, электронный прожектор, отклоняющая система и экран (рис. 3.6).
Баллон 7 служит для поддержания в ЭЛТ необходимого вакуума и защиты электродов от механических и
климатических воздействий. Часть внутренней поверхности баллона покрывают графитовой пленкой 8, называемой аквадагом. На аквадаг подают положительное относительно катода напряжение.
Электронный прожектор предназначен для создания сфокусированного электронного потока (луча) с требуемой плотностью тока. Он состоит из термоэлектронного катода 2, внутри которого находится подогреватель 1, управляющего электрода 3, называемого модулятором, первого 4 и второго 5 анодов. Модулятор и аноды выполнены в виде полых цилиндров, соосных с цилиндрическим катодом.
Модулятор подключается к источнику отрицательного напряжения, регулируемого в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. На аноды подаются положительные напряжения: несколько сотен вольт на первый и несколько киловольт — на второй.
Между модулятором и первым анодом образуется неоднородное электрическое поле, которое фокусирует все электроны, вылетевшие из катода и прошедшие через отверстие модулятора, в некоторой точке на оси ЭЛТ в полости первого анода. Такое электрическое поле называют электростатической линзой.
Между первым и вторым анодами образуется вторая электростатическая линза. В отличие от первой, короткофокусной, она является длиннофокусной: ее фокус располагается на оси ЭЛТ в плоскости экрана 9.
Изменение напряжения модулятора приводит к изменению числа электронов, способных преодолеть потенциальный барьер у катода и попадающих в ускоряющее электрическое поле первого анода. Следовательно, напряжение модулятора определяет плотность электронного луча и яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Фокусировка луча на экране ЭЛТ достигается изменением неоднородного электрического поля второй электростатической линзы путем изменения напряжения первого анода.
Отклоняющая система служит для направления сфокусированного электронного луча в любую точку экрана. Это достигается воздействием на электронный луч поперечного электрического или магнитного поля.
При отклонении электронного луча электрическим полем (электростатическое отклонение) отклоняющие напряжения подводятся к двум расположенным взаимно перпендикулярно парам параллельных пластин 6. Электронный луч, проходя между пластинами, отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Пластины, электрическое поле между которыми отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении, называют горизонтально-отклоняющими или X-пластинами, а в вертикальном — вертикально-отклоняющими или Y-пластинами.
Основным параметром электростатической отклоняющей системы является чувствительность к отклонению S,, определяемая как отношение отклонения светящегося пятна на экране ЭЛТ к отклоняющему напряжению. Для современных ЭЛТ SЭ = 0,1 ...3 мм/В.
Наряду с электростатическим применяется и магнитное отклонение электронного луча. Отклоняющее магнитное поле создается током, проходящим через две пары расположенных взаимно перпендикулярно на горловине ЭЛТ катушек.
Экраны 9 электронно-лучевых трубок, используемых для преобразования электрических сигналов в световые, покрыты специальным составом — люминофором, который светится при попадании на него сфокусированного потока электронов. В качестве люминофоров используются сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка (виллемит), вольфраматы кальция и кадмия. Такие экраны называются люминесцентными.
На свечение люминофора затрачивается лишь часть энергии электронного луча. Остальная энергия луча передается электронам экрана и вызывает вторичную электронную эмиссию с поверхности экрана. Вторичные электроны притягиваются аквадагом, который обычно электрически соединяется со вторым анодом.
Экраны ЭЛТ, применяемых для получения цветного изображения, содержат зерна люминофоров с синим, красным и зеленым свечениями — триады, расположенные в определенном порядке. В горловине трубки находятся три автономных электронных прожектора. Они расположены таким образом, что их электронные лучи пересекаются на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей устанавливается теневая маска, в которой имеется большое количество отверстий. После прохождения через отверстия в маске каждый из электронных лучей попадает на свой элемент триады (рис. 3.7).
Вследствие смешивания трех цветов различной яркости получается свечение требуемого цвета.
Кроме люминесцентных, бывают диэлектрические экраны. Электронный луч, перемещаясь по такому экрану, создает на его участках различные заряды, т. е. своеобразный потенциальный рельеф, который может сохраняться длительное время. Диэлектрические экраны применяются в запоминающих ЭЛТ, получивших название потенциалоскопы.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия газоразрядных приборов (ГРП) основан на электрических явлениях, происходящих в газовой среде.
Баллоны ГРП наполняются инертными газами (неоном, аргоном, гелием и др.), их смесями, водородом или парами ртути. В обычных условиях большинство атомов и молекул газа являются электрически нейтральными и газ является хорошим диэлектриком. Повышение температуры, воздействие сильных электрических полей или частиц с высокими энергиями вызывает ионизацию газа. Ионизация газа, возникающая при соударении быстролетящих электронов с нейтральными атомами газа, называется ударной. Она сопровождается появлением свободных электронов и положительных ионов, что приводит к значительному увеличению электропроводности газа. Сильно ионизированный газ называют электронно-ионной плазмой или просто плазмой.
Наряду с процессом ионизации газа существует и обратный процесс, называемый рекомбинацией. Так как энергия электрона и положительного иона в сумме больше, чем энергия нейтрального атома, то при рекомбинации происходит выделение части энергии, которое сопровождается свечением газа.
Процесс прохождения электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе. Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка приведена на рис. 3.8.
При напряжении U3, называемом напряжением зажигания, ионизация газа приобретает лавинообразный характер. Сопротивление газоразрядного промежутка анод — катод резко уменьшается, и в ГРП возникает тлеющий разряд (участок CD). Напряжение горения Ur, поддерживающее тлеющий разряд, несколько меньше, чем напряжение зажигания. При тлеющем разряде положительные ионы движутся к катоду и, ударяясь о его поверхность, увеличивают число вылетающих из него электронов за счет нагревания и вторич-
ной электронной эмиссии. Поскольку внешний ионизатор при этом не требуется, тлеющий разряд называется самостоятельным в отличие от разряда на участке АВ, который требует для своего появления внешнего ионизатора (космического злучения, термоэлектронной эмиссии и т. д.) и называется несамостоятельным. При значительном увеличении тока в ГРП возникает дуговой разряд (участок EF). Если дуговой разряд поддерживается термоэлектронной эмиссией катода за счет его нагрева ударяющимися о поверхность положительными ионами, разряд называют самостоятельным. Если же термоэлектронная эмиссия катода создается его нагревом от внешнего источника напряжения, то дуговой разряд называют несамостоятельным.
Тлеющий разряд, сопровождающийся свечением газа, используется в неоновых лампах, газоразрядных знаковых и линейных индикаторах, стабилитронах и некоторых других ГРП.
Газоразрядные индикаторы.Знаковые газоразрядные индикаторы состоят из газонаполненного баллона, десяти катодов н одного общего анода. Катоды имеют форму цифр, букв или других знаков. К аноду и одному из катодов через ограничительный резистор подается напряжение. Между этими электродами возникает тлеющий разряд, который имеет форму катода. Коммутируя различные катоды, можно высвечивать различные знаки. Более универсальными являются сегментные знаковые индикаторы. Так, сегментный индикатор тлеющего разряда ИН-23, состоящий из 13 сегментов, позволяет при соответствующей коммутации катодов-сегментов высветить любую цифру от 0 до 9, букву русского или латинского алфавита.
Линейные газоразрядные индикаторы (ЛГИ) отображают информацию о напряжении или токе в цепи в виде светящихся точек или линий. Положение точки и длина линии пропорциональны напряжению или току в цепи. Электродная система ЛГИ имеет удлиненную цилиндрическую форму.
Газоразрядный стабилитрон.Стабилитрон (рис. 3.9, а) имеет два электрода — катод 1, выполненный в виде полого цилиндра, и анод 3 в виде тонкого стержня, расположенного по осп катода. Для уменьшения напряжения зажигания с внутренней стороны катода приваривается небольшой штырек 2, называемый поджигающим электродом
Работа стабилитрона тлеющего разряда основана на поддержании на его электродах почти постоянного напряжения горения при изменении протекающего через стабилитрон тока в значительных пределах (участок CD на рис. 3.8).
Стабилитроны применяются для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.
Тиратрон.Более сложным ГРП является тиратрон. Он содержит катод, анод и один или несколько управляющих электродов, называемых сетками. Тиратрон может находиться в двух устойчивых состояниях: непроводящем и проводящем. На рис. 3.9, б показано устройство тиратрона с холодным катодом типа МТХ-90. Тиратрон состоит из цилиндрического катода 1, стержневого металлического анода 2 и металлической сетки 3, выполненной в виде шайбы. При подаче на сетку небольшого положительного относительно катода напряжения между сеткой и катодом возникает вспомогательный «тихий» разряд. При подаче на анод положительного напряжения разряд переносится на анод. Чем больше ток вспомогательного разряда в цепи сетки, тем меньше напряжение зажигания тиратрона. После возникновения разряда между катодом и анодом изменение напряжения сетки не влияет на силу тока тиратрона, и прекратить ток через тиратрон можно уменьшением анодного напряжения до значения, меньшего напряжения горения.
Тиратроны тлеющего разряда потребляют очень малую энергию, работают в большом интервале температур, не чувствительны к кратковременным перегрузкам, готовы к мгновенному действию. Благодаря этим качествам они применяются в импульсных устройствах, генераторах, некоторых узлах счетно-решающих устройств, в релейной аппаратуре, устройствах индикации и др.
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
К электровакуумным и газоразрядным фотоэлектрическим приборам относятся фотоэлементы и фотоумножители, принцип работы которых основан на использовании внешнего фотоэффекта.
Фотоэлемент (рис. 3.10) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (электровакуумный фотоэле
мент) или которая заполнена инертным газом (газоразрядный фотоэлемент) Он состоит из анода и фотокатода Фотокатодом является внутренняя поверхность колбы 3 (за исключением небольшого участка — окна 1), покрытая слоем серебра, поверх которого нанесен слой оксида цезия. Анод 4 выполнен в виде кольца, чтобы не создавать препятствия световому потоку. Анод и катод снабжены выводами 6, проходящими через пластмассовый держатель 5 колбы.
При освещении фотокатода световым потоком из него выбиваются электроны. Если на анод подано положительное относительно катода напряжение, выбитые из фотокатода электроны будут притягиваться к аноду, создавая в его цепи фототок Iф. Зависимость фототока от светового потока Ф называется световой ха-
рактеристикой фотоэлемента. Фототок зависит также от напряжения U, приложенного между фотокатодом и анодом. Эту зависимость называют анодной ВАХ. В ней имеется ярко выраженный участок насыщения, на котором фототок мало зависит от анодного напряжения (рис. 3.11, а)
У газоразрядных фотоэлементов увеличение напряжения U вызывает ионизацию газа и рост фототока (рис. 3.11, б).
Вследствие малого значения фототока (до нескольких десятков микроампер у вакуумных фотоэлементов и нескольких единиц микроампер у газоразрядных фотоэлементов) фотоэлементы обычно используются с ламповыми или транзисторными усилителями.
Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют ЭВП, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается за счет вторичной электронной эмиссии. В стеклянном баллоне ФЭУ (рис 3.12), в котором поддерживается высокий вакуум, кроме фотокатода К и анода А имеются дополнительные электроды, являющиеся эмиттерами вторичных электронов и называемые динодами. Число динодов в ФЭУ может достигать 14. На диноды подаются положительные напряжения, причем по мере удаления от фотокатода значения напряжений динодов возрастают. Напряжение между соседними динодами составляет около 100 В. При освещении фотокатода с его поверхности вылетают электроны, которые ускоряются электрическим удаления полем первого
динода и попадают на первый динод, выбивая из него вторичные электроны. Число последних в несколько раз превышает число электронов, вылетевших из фотокатода. Под действием электрического поля между первым и вторым динодами электроны, вылетевшие из первого динода, попадают на второй динод D2, выбивая из него вторичные электроны. Число вторичных электронов, выбитых из динода D2, в несколько раз больше числа попавших на него электронов. Таким образом, увеличение числа вторичных электронов происходит на каждом диноде. Следовательно, в ФЭУ происходит многократное усиление фототока катода, что позволяет применять их для измерения очень малых световых потоков. Выходной ток ФЭУ достигает нескольких десятков миллиампер.
Контрольные вопросы и задания
1. Поясните принцип управления анодным током в ЭУЛ с помощью напряжения управляющей сетки.
2. Назовите основные части ЭЛТ с электростатическим управлением лучом и поясните их назначение.
3. Назовите основные тины газоразрядных приборов и области
их применения.
4. Дайте краткую характеристику внешнего фотоэффекта. Каким
образом это явление используется в фотоэлементах и фотоумножителях?