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 = qvE_v ,

где E_v – составляющая напряженности электрического поля в направлении скорости, которое существовало бы в точке нахождения заряда, если бы

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,

U_н1> U_н2> U_н3. 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 I_нас; напряжение анода, при котором достигается ток насыщения, называется напряжением насыщения U_нас. 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 U_нас 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

м ежду 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 –U_мин. В пространстве от катода до сечения, где потенциал равен –U_мин, 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 –U_мин. 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 v_мин = , пройдут тормозящее 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 –U_мин и положение его максимума сдвинется в сторону анода), поэтому большее число электронов будут этим полем задержаны и возвращены на катод.

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 U_a = 0 и U_а1 > 0, U_а1<U_а2<U_а3. Если анод не подключен ни к какой электрической цепи, на нем сформируется отрицательный потенциал, по абсолютной величине несколько превышающий уровень –U_мин для случая U_a = 0.

С ростом анодного напряжения абсолютная величина –U_мин 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 –U_мин 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»:

I_a = CU_a^3/2,

где С – постоянная, учитывающая как физические константы, так и форму и размеры электродов конкретного диода; размерность ее, очевидно, А/B^3/2.. 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 д опустимая 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).

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/dU_a , А/В ,

и обратное крутизне внутреннее сопротивление

R_i = 1/S = dU_a / dI_a , Ом,

а также сопротивление лампы постоянному току

R₀ = U_a / I_a , 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 = eU_a . При попадании на анод эта энергия превращается в тепловую. Если за одну секунду на анод попадает n электронов, то их энергия равна neU_a . Так как ne = I_a , то энергия, выделяющаяся на аноде в виде тепла за одну секунду, то есть, тепловая мощность

P_a = I_a U_a .

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

P_aq = 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 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 С_ф и на сопротивление нагрузки R_н. Напряжение для подогрева катода кенотрона подводится к его подогревателю от низковольтной накальной о бмотки 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.

В таблице 4 приведены параметры некоторых вакуумных диодов малой мощности.

Таблица 4

Тип диода	Число анодов	Uн,В	Iн, А	Iа макс, мА	Uобр макс, кВ	Iвыпр макс, мА
1Ц11П	1	1,2	0.2	2	20	0,3
5Ц3С	2	5	3	750	1,7	230
5Ц4С	2	5	2	375	1,35	125
6Ц4П	2	6,3	0,6	300	1.0	72