Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Электровакуумные приборы

Электровакуумные приборы – приборы для преобразования, усиления и генерации электромагнитной энергии, в которых рабочее пространство изолированно от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жесткой газонепроницаемой оболочкой.

К электровакуумным приборам относятся газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе, вакуумные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в вакууме, лампы накаливания.

Лампы накаливания – наиболее массовый вид электровакуумных приборов. Извлечение воздуха из баллона лампы позволяет предотвратить окисление нити накала кислородом. После удаления воздуха для уменьшения испарения раскаленной нити лампы накаливания некоторых типов заполняют инертным газом. Это дает возможность повысить рабочую температуру нити накала, чем повысить световую отдачу ламп без снижения срока их службы. Наличие инертного газа не влияет на преобразования подводимой к лампе электрической энергии в световую. Вакуумные электронные приборы изготавливают с таким расчетом, чтобы в рабочем режиме давление остаточных газов внутри баллона равнялось 10-6—10-10 мм рт. ст.

Ионы остаточных газов при данной степени разрежения не влияют на траектории электронов и шумы, которые создаются потоком таких ионов при их приближении к катоду, сравнительно малы. Подобные электровакуумные приборы охватывают несколько классов приборов.

  1. Электронные лампы – пентоды, тетроды, триоды и т. д.; необходимы для преобразования энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний с частотой до 3 × 109 Гц. Главные области использования электронных ламп – радиовещание, радиотехника, радиосвязь, телевидение.

  2. Электровакуумные приборы СВЧ – магнетроны и приборы магнетронного типа, отражательные и пролетные клистроны, лампы обратной волны и лампы бегущей волны и т. д.; предназначены для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний с частотами в пределах от 3 × 108 до 3 × 1012 Гц. Электровакуумные приборы СВЧ применяются главным образом в приборах радиолокации, телевидения для передачи телевизионных сигналов по линиям радиорелейной связи, СВЧ-радиосвязи, спутниковым линиям.

  3. Электронно-лучевые приборы – осциллографические электронно-лучевые трубки, запоминающие электронно-лучевые трубки, кинескопы и т. д.; предназначены для различных преобразований информации, представленной в форме световых или электрических сигналов (например, визуального отображения электрических сигналов, преобразования двумерного оптического изображения в последовательность телевизионных сигналов и наоборот).

  4. Фотоэлектронные приборы – передающие телевизионные трубки, вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители; служат для преобразования оптического излучения в электрический ток и используются в устройствах автоматики, ядерной физики, телевидения, астрономии, звукового кино, факсимильной связи и т. д.

  5. Вакуумные индикаторы – цифровые индикаторные лампы, электронносветовые индикаторы и др. Работа индикаторных ламп базируется на преобразовании энергии постоянного тока в световую энергию. Используются в радиоприемниках, устройствах отображения информации, измерительных приборах и т. д.

  6. Рентгеновские трубки; преобразуют энергию постоянного тока в рентгеновские лучи. Используются: в медицине – для диагностики ряда заболеваний; в промышленности – для нахождения невидимых внутренних дефектов в разных изделиях; в химии и физике – для определения структуры органических веществ, химического состава вещества, параметров и структуры кристаллических решеток твердых тел; в биологии – для определения структуры сложных молекул.

В газоразрядных электронных приборах давление газа, как правило, гораздо ниже атмосферного, поэтому их и относят к электровакуумным приборам. Класс газоразрядных электровакуумных приборов охватывает несколько видов приборов.

  1. Ионные приборы большой мощности до нескольких мегаватт при токах до тысячи ампер, действие которых базируется на нейтрализации объемного заряда ионами газа. К подобным электровакуумным приборам относятся ртутные вентили, применяемые для преобразования переменного тока в постоянный в промышленности, на железнодорожном транспорте и в других отраслях; импульсные водородные таситроны и тиратроны, предназначенные для преобразования постоянного тока в импульсный в устройствах электроискровой обработки металлов, радиолокации и др.; клипперные приборы и искровые разрядники, используемые для защиты аппаратуры от перенапряжений.

  2. Газоразрядные источники света непрерывного излучения, применяемые для освещения помещений, улиц, в киноаппаратуре, светящихся рекламах и т. д., и импульсные источники света, используемые в устройствах телемеханики и автоматики, передачи информации, оптической локации и т. д.

  3. Индикаторы газоразрядные (матричные, знаковые, линейные, сигнальные), предназначенные для визуального воспроизведения информации в ЭВМ и других устройствах.

  4. Квантовые газоразрядные приборы, которые преобразуют энергию постоянного тока в когерентное излучение – газовые лазеры, квантовые стандарты частоты.

Электронная и ионная оптика

Электронная и ионная оптика – наука о поведении пучков ионов и электронов в вакууме под действием магнитных и электрических полей. Так как изучение электронных пучков началось несколько раньше, нежели ионных, и первые применяют значительно шире, чем вторые, весьма распространен термин «электронная оптика». Электронная и ионная оптика занимается главным образом вопросами отклонения, фокусировки и формирования пучков заряженных частиц, а также образования с их помощью изображений, которые можно визуально отобразить на фотографических пленках или люминесцирующих экранах. Такие изображения чаще всего называют ионно-оптическими и электронно-оптическими изображениями. Развитие электронной и ионной оптики в значительной степени определено потребностями электронной техники.

Зарождение электронной и ионной оптики связано с изобретением в конце XIX в. электронно-лучевой трубки. В первой осциллографической электронно-лучевой трубке, произведенной в 1897 г. К. Ф. Брауном, электронный пучок отклонялся с помощью магнитного поля. Отклонение с помощью электростатического поля реализовал Дж. Дж. Томсон в своих опытах по определению отношения заряда электрона к его массе, пропуская пучок через плоский конденсатор, размещенный внутри электронно-лучевой трубки. В 1899 г. немецкий физик И. Э. Вихерт использовал для фокусировки электронного пучка в электронно-лучевой трубке катушку из изолированной проволоки, по которой тек электрический ток.

Однако только в 1926 г. немецкий ученый Х. Буш теоретически рассмотрел движение заряженных частиц в магнитном поле подобной катушки и доказал, что она может использоваться для получения правильных электронно-оптических изображений, вследствие чего является электронной линзой. Последующая разработка электронных линз (электростатических и магнитных) открыла путь к изобретению электронного микроскопа, электронно-оптического преобразователя и ряда других приборов, в которых образуются правильные электронно-оптические изображения объектов, либо излучающих электроны, либо тем или другим способом воздействующих на электронные пучки. Конструирование специализированных электронно-лучевых трубок для радиолокационной и телевизионной аппаратуры, для воспроизведения, хранения и записи информации и т. п. привело к последующему развитию разделов электронной и ионной оптики, связанных с управлением пучками заряженных частиц.

Сильное влияние на развитие электронной и ионной оптики оказала разработка аппаратуры для анализа потоков ионов и электронов (масс-спектрометров, бета-спектрометров и других аналитических приборов). В электронной и ионной оптике, как правило, не рассматриваются вопросы, которые возникают в технике сверхвысоких частот, только иногда рассматриваются процессы в электронных лампах, ускорителях заряженных частиц и других устройствах и приборах, специфика которых отделяет их от главных направлений электронной и ионной оптики.

Для решения большинства задач электронной и ионной оптики достаточно рассматривать движение заряженных частиц, не выходя за рамки классической механики, так как волновая природа частиц в данных задачах почти не проявляется. В таком приближении электронная и ионная оптика носит название геометрической электронной и ионной оптики, что объясняется наличием глубокой аналогии между геометрической электронной и ионной оптикой и геометрической оптикой световых лучей, которая заключается в том, что поведение пучков заряженных частиц в магнитных и электрических полях во многом сходно с поведением пучков лучей света в неоднородных оптических средах. В основе приведенной аналогии лежит более общая аналогия между световой геометрической оптикой и классической механикой, установленная У. Р. Гамильтоном, который в 1834 г. доказал, что общее уравнение механики подобно по форме оптическому уравнению эйконала. Как и в световой геометрической оптике, в геометрической электронной и ионной оптике вводится понятие преломления показателя, при установлении погрешностей изображения – аберраций, значительная часть которых подобна аберрациям оптических систем, – зачастую применяется метод эйконала. Когда приближение геометрической электронной и ионной оптики недостаточно, используются методы квантовой механики.