Електричний струм у вакуумі

Зміст
1. Електричний струм у вакуумі
1.1 Електровакуумні прилади
1.2 Вакуумний тріод
1.3 Тетрод — чотириелектродна лампа
2. Електронно-променева трубка
3. Рентгенівська трубка
3.1 Електроннооптічеській перетворювач (ЕОП)
4. Електронний проектор
5. Електронограф
1. Електричний струм у вакуумі1.1 Електровакуумні прилади
Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ в. булиелектронні лампи, в яких використовувався електричний струм у вакуумі. Проте їмна зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але і сьогодні струм у вакуумівикористовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні ізварці, у тому числі в космосі, і в багатьох інших установках. Це і визначаєважливість вивчення електричного струму у вакуумі.
Вакуум (від лат. vacuum — пустка) — стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовуєтьсядо газу в замкнутій судині або в судині, з якої відкачують газ, а часто і догазу у вільному просторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикоювакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміромсудини, між електродами приладу і т.д.
/>
Рис. 1. Відкачування повітря з судини
Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що цей зовсім порожнійпростір. На самій же справі це не так. Якщо з якої-небудь судини відкачуватиповітря (рис.1), то кількість молекул в ньому з часом зменшуватиметься, хочавсі молекули з судини видалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судиністворений вакуум?
Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто стикаються між собою і ізстінками судини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, якіназиваються завдовжки вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванніповітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, адовжина вільного пробігу — збільшується. І ось наступає момент, коли довжинавільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки достінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді-то івважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул.Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється при великомутиску газу в них, ніж у великих судинах.
Якщо продовжувати відкачування повітря з судини, то говорять, що вньому створюється більш глибокий вакуум. При глибокому вакуумі молекула можебагато раз пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншоюмолекулою.
Відкачати всі молекули з судини практично неможливо.
Де беруться вільні носії зарядів у вакуумі?
Якщо в судині створений вакуум, то в ньому все ж таки є немало молекул,деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок в такій судинідля виявлення помітного струму мало.
/>
Мал. 2. Випромінювання електронів розжареним провідником
Як же отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщонагрівати провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом,то частина вільних електронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти зметалу (виконати роботу виходу). Явище випромінювання електронів розжаренимитілами називається термоелектронній емісії.
Електроніка і радіо майже ровесники. Правда, спочатку радіо обходилосябез своєї однолітки, але пізніше електронні прилади сталі матеріальною основоюрадіо, або, як то кажуть, його елементарною базою.
Початок електроніки можна віднести до 1883 року, коли знаменитий ТомасАльфа Едісон, намагаючись продовжити термін служби освітлювальної лампи звугільною ниткою розжарення, ввів в балон лампи, з якої відкачано повітря,металевий електрод.
Саме цей досвід привів Едісона до його єдиного фундаментально-науковоговідкриття, яке лягло в основу всіх електронних ламп і всієї електроніки дотранзисторного періоду. Відкрите ним явище згодом отримало назвутермоелектронної емісії.
Зовні досвід Едісона виглядав досить просто. До висновку електроду іодному з висновків розжареної електричним струмом нитки він під'єднав батарею ігальванометр.
Стрілка гальванометра відхилялася всякий раз, коли до електродупід'єднувався плюс батареї, а до нитки — мінус. Якщо полярність мінялася, тострум в ланцюзі припинявся.
Едісон обнародував цей ефект і отримав патент на відкриття. Правда,роботу свою він, як мовиться, до пуття не довів і фізичну картину явища непояснив. В цей час електрон ще не був відкритий, а поняття «термоелектроннаемісія», природно, могло з'явитися лише після відкриття електрона.
Ось в чому її суть. В розжареній металевій нитці швидкість руху іенергія електронів підвищуються настільки, що вони відриваються від поверхнінитки і вільним потоком спрямовуються в оточуюче її простір. Що вириваються знитки електрони можна уподібнити ракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщодо електроду буде приєднаний плюс батареї, то електричне поле усередині балонаміж ниткою розжарення і електродом спрямує до нього електрони. Тобто усерединілампи потече електричний струм.
/>Потікелектронів у вакуумі є різновидом електричного струму. Такий електричний струму вакуумі можна отримати, якщо в судину, звідки ретельно відкачується повітря,помістити нагрівається катод, що є джерелом електронів, що «випаровуються»,і анод. Між катодом і анодом створюється електричне поле, що повідомляєелектрони швидкості в певному напрямі.
В трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлення металівелектронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Якимчином одержують потоки електронів у вакуумі? Як управляють цими потоками?
/>
Рис.3
/>

Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість рухуцих електронів залежить від температури металу: вона тим більше, чим вищетемпература. Розташуємо у вакуумі на деякій відстані один від одного дваметалеві електроди (рис.3) і створимо між ними певну різницю потенціалів. Струмув ланцюзі не буде, що свідчить про відсутність в просторі між електродамивільних носіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільні електрони, алевони утримуються усередині металу і при звичайних температурах практично неможуть виходити з нього. Для того, щоб електрони змогли вийти за межі металу (аналогічновильоту молекул за межі рідини при її випаровуванні), вони повинні подолатисили електричного тяжіння з боку надлишку позитивного заряду, що виник в металіунаслідок вильоту електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, яківилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну «хмарку».Інакше кажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконати певнуроботу А проти цих сил, природно, різну для різних металів. Цю роботу називаютьроботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами зарахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, що повільні електрони вирватися зметалу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетична енергія яких Теньк перевищуєроботу виходу, тобто Теньк? А. Вихід вільних електронів з металу називаютьемісією електронів.
Для того, щоб існувала емісія електронів, необхідно повідомитиелектронам провідності металів кінетичну енергію, достатню для виконання роботивиходу. Залежно від способу повідомлення електронам необхідної кінетичноїенергії бувають різні типи електронної емісії. Якщо енергія повідомляютьсяелектрони провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншимичастинками (електронами, іонами), має місце вторинна електронна емісія. Емісіяелектронів може відбуватися під впливом опромінювання металу світлом. В цьомувипадку спостерігається фотоемісія, або фотоелектричний ефект. Можливо такожвиривання електронів з металу під дією сильного електричного поля — автоелектронна емісія. Нарешті, електрони можуть придбавати кінетичну енергію зарахунок нагрівання тіла. В цьому випадку говорять про термоелектронну емісію.
Розглянемо докладніше явище термоелектронної емісії і його застосування.
При звичайних температурах мізерне число електронів може володітикінетичною енергією, порівнянною з роботою виходу електронів з металу. Зпідвищенням температури число таких електронів росте і при нагріванні металу дотемператур близько 1000 — 1500 градусів вже значне число електронів матимеенергію, перевищуючу роботу виходу з металу. Саме ці електрони можуть вилетітиз металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьомузаряджає позитивно і притягає електрони. Тому біля нагрітого металу створюється«хмарка» електронів. Частина електронів з цієї «хмарки» повертаєтьсяназад в метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому міжелектронним «газом» і електронною «хмаркою» встановлюєтьсядинамічна рівновага, коли число електронів, що вилітають за певний час зметалу, порівнюється з числом електронів, які за той же час повертаються з«хмарки» в метал.
Вакуумний діод (двохелектродна лампа)
З попереднього параграфа стає зрозумілим, як зробити так, щоб врозглянутій вище ланцюзі (рис.3) протікав постійний електричний струм. Очевидно,достатньо нагрівати один з металевих електродів, а саме електрод, сполучений знегативним полюсом джерела струму. В цьому випадку електрони, вилітавши знагрітого металу, притягуватимуться до позитивно зарядженого електроду, і вланцюзі протікатиме струм. Так ми, нарешті, підійшли до принципу пристроюдвохелектродної лампи (діода), широко вживаній в електро- ірадіотехніці.
/>
Рис. 4
Сучасний діод складається з скляного або металевого балона (рис.4), зякого ретельно відкачується повітря. В балон упаяно два електроди, один з яких(катод) виготовляють у вигляді нитки з тугоплавкого металу, звичайно вольфраму,яка може розігріватися від джерела струму для створення електронної «хмарки»в балоні. Анод діода частіше за все має форму циліндра, усередині якого по осірозташований розжарюваний катод.
Розглянутий нами катод — катод прямого напруження — застосуються рідко.Найбільш поширені катоди непрямого підігріву. Вони є напівпровідниковим шаром,нанесеним на керамічну трубочку. Нагріваються ці катоди за допомогоюмініатюрної електричної печі (рис.5) — підігрівача. На
(Рис.6) показано схематичне зображення діода з катодом прямого (а) інепрямого (б) напруження.
/> />
а)                б)
Рис. 5
/>
Рис. 6
Познайомимося з основними властивостями діода. Для цього складемоелектричний ланцюг з діода, джерел напруги Ua і Uk і гальванометра (рис.7).Комутатор К2 дозволяє створювати між анодом і катодом напругу (анодне) різноїполярності. При замиканні перемикача К2 в положення 1 на анод подаєтьсяпозитивний щодо катода потенціал, а при замиканні перемикача К2 в положення 2 — негативний.
/>
Рис. 7

Якщо замкнемо перемикач К2 в положення 1, тобто повідомимо аноду позитивнийщодо катода потенціал, але не замкнемо перемикач К1 (не розігріватимемо катод),то струму в ланцюзі не буде навіть при великих анодних напругах Uа. І цезрозуміло. Температура обох електродів рівна кімнатній, термоелектронна емісіякатода анода дуже мала, і в просторі між анодом і катодом практично відсутнізаряджені частинки, рух яких в електричному полі міг би створити електричнийструм.
Якщо перемикач К1 замкнути і розігріти катод, то навіть при аноднійнапрузі Ua=0 в ланцюзі анодапротікатиме незначної сили струм I0. Виникненняцього струму можна пояснити так.
При високій температурі катода великої буде і емісія електронів з нього.Найшвидші електрони, що вилетіли з катода, долітають до анода, створюючи вланцюзі анодний струм. Якщо аноду повідомити невеликий негативний потенціалщодо катода (перемикач К2 в положенні 2), то сила анодного струму зменшується,оскільки в цьому випадку електрони повинні долати гальмуюче поле між анодом ікатодом. При певній анодній напрузі U1 навіть найшвидші електрони не можуть подолати гальмуюче поле і силаанодного струму рівна нулю.
Повідомимо тепер аноду позитивний щодо катода потенціал (перемикач К2 вположенні 1). В цьому випадку електричне поле між анодом і катодом сприяє рухуелектронів до анода, але при цьому порушується динамічна рівновага між вильотомз катода і поверненням в нього електронів і емісія посилюється. Залежність міжсилою струму в діоді і анодною напругою можна зобразити графічно (рис. 8)

Ia
/>Iн
U1 а       U2 U3          Uн       Uа
Рис. 8
Крива, що показує залежність сили струму в діоді від анодної напруги,називається вольтамперной характеристикою діода. У мірузбільшення анодної напруги все більше число що вилітають з катода електронівзахоплюється електричним полем і сила анодного струму різко зростає до тих пір,поки напруга не досягне такого значення Uн, при якому що всі вилітають з катода за одиницю часу електронипереміщатимуться полем до анода. Сила анодного струму досягає максимальногозначення Iн, яке називають силоюструму насичення діода, і подальше збільшення анодної напруги не веде дозбільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн отримала назву напруги насичення.
При напрузі Uа = 0 силаструму Iо дуже мала, значно меншесили струму насичення, тому вважають, що вольтампернахарактеристика проходить через початок координат, тобто нехтують силою струму Iо: тоді при Ua = 0 і I0 = 0.
Зверніть увагу, що вольтамперна характеристикадіода нелінійна, як це має місце у разі металевих провідників. Опір діода,знайдений як приватне від розподілу анодної напруги на силу струму, при різниханодних напругах буде різним і не може служити параметром діода. Таким чином,електронна лампа є прикладом провідника, для якого не виконується закон Ома.
Оскільки розжарюваний діод лампи випускає електрони, а не позитивнііони, діод проводить струм тільки у разі повідомлення аноду лампи позитивногощодо катода потенціалу. Якщо ж аноду повідомити негативний потенціал, тотермоелектрони відштовхуватимуться від негативно зарядженого анода іпритягуватимуться до позитивно зарядженого катода і струм через лампу не йде — лампа закривається. Це означає, що лампа володіє односторонньою провідністю. Односторонняпровідність діода широко використовується в техніці для випрямляння змінногоструму.1.2 Вакуумний тріод
Для поліпшення дії електронної лампи в неї вводять додаткові сітки. Лампуз двома сітками називають тетродом (тобточотириелектродної), з трьома — пентодом (п'ятиелектродної). Поява електроннихламп різноманітних пристроїв, заснованих на їх застосуванні, зіграли величезнуроль в розвитку радіо. Тріод також застосовують, як генератор електричнихколивань.
Потоком електронів, що рухаються в електронній лампі від катода доанода можна управляти за допомогою електричних і магнітних полів. Найпростішимелектровакуумним приладом, в якому здійснюється управління потоком електронівза допомогою електричного поля, є тріод. Балон, анод і катод вакуумного тріодамають таку ж конструкцію, як і у діода, проте на шляху електронів від катода доанода в тріоді розташовується третій електрод, званий сіткою. Звичайно сітка — це спіраль з декількох витків тонкого дроту навкруги катода.
/>                          />
Рис. 9                            Рис. 10

Якщо на сітку подається позитивний потенціал щодо катода (рис.9), тозначна частина електронів пролітає від катода до анода, і в ланцюзі анода існуєелектричний струм. При подачі на сітку негативного потенціалу щодо катода електричнеполе між сіткою і катодом перешкоджає руху електронів від катода до анода(рис.10), анодний струм убуває. Таким чином, змінюючи напругу між сіткою ікатодом, можна регулювати силу струму в ланцюзі анода, що і послужило причиноюназви сітки управляючої.
/>
Мал. 11. Схема включення тріода
Умовне графічне позначення тріода показано на рис.11. Промисловістьвипускає широкий асортимент самих різних тріодів, а також подвійних тріодів іззагальним і роздільними катодами, які застосовувалися в різній радіоапаратурі,ще знаходячись в експлуатації.
До параметрів тріода відносяться: внутрішній опір — відношення приростуанодної напруги до приросту анодного струму, коефіцієнт посилення — відношенняприросту анодної напруги до приросту напруги на сітці, крутизна характеристикианодного струму — відношення приросту анодного струму до приросту напруги насітці:
/>
Внутрішній опір Ri вимірюєтьсяв кОм, крутизна характеристики S — в А/В, коефіцієнт посилення м — величина безрозмірна.
До граничних експлуатаційних параметрів тріодів відноситься ті жпараметри, що і до діодів: мінімальна і максимальна напруги напруження,найбільша допустимо зворотна напруга анода, найбільша напруга між катодом іпідігрівачем, найбільший середній анодний струм, гранична потужність,розсіювана анодна, а також додаткові параметри (найбільша негативна напруга насітці і найбільший опір в ланцюзі сітки). Необхідність обмеження опору вланцюзі сітки зв'язана з тим, що сітка звичайно розташовується дуже близько докатода і може їм нагріватися. При цьому можливо поява термоелектронної емісії зсітки, яка приводить до зворотного сіткового струму. Хоча ця емісія і зворотнийструм дуже мала, але при більшому опорі в ланцюзі сітки струм створює на ньомувідчутне падіння напруги, яка може порушити нормальний режим лампи.
При використовуванні тріодів в схемах, що працюють на високій частоті,доводиться враховувати і власні міжелектродні місткості лампи: вхідну місткістьміж анодом і катодом, а також прохідну місткість між анодом і сіткою. Якщовхідна і вихідна місткості виявляються підключеними паралельно навантаженнямпопереднього і даного каскадів, що не дуже жахливо, то прохідна місткість можеприводити до дуже неприємних наслідків. В підсилювальних схемах слабий сигналзвичайно подається на сітку лампи, а на аноді утворює посилений сигнал. Прохіднамісткість створює шлях цьому сигналу з анода назад на сітку, що може привестидо самозбудження каскаду. Це особливо небезпечно на високій частоті, колипорівняно невелика місткість володіє невеликим опором місткості.1.3 Тетрод — чотириелектродна лампа
Для зменшення прохідної місткості були створені чотириелектродні лампи — тетроди (рис.12). У такої лампи між управляючою сіткою і анодом розташовуєтьсяекранна сітка, яка заземляється по змінному струму конденсатором великоїмісткості. Завдяки цьому прохідна місткість зменшується в сотні і тисячі раз. Попостійному струму на екранну сітку подається позитивна напруга, приблизно такеж що і на анод. Так ця сітка збільшує притягуюче поле, яким електрони зелектронної хмари винуждаются летітидо анода, і частина що летять до анода електронів потрапляє на неї. Утворюєтьсяструм екранної сітки, що становить приблизно 10… 20% від анодного струму, зчим доводиться миритися.
/>
Мал.12. Чотириелектродна лампа — тетрод.
Основний недолік тетрода — динатронний ефект — полягає в наступному. Електрони на шляху від катода до анода розгоняться довеликої швидкості. При напрузі на аноді 100 Вати ця швидкість досягає 6 000км/с — в 10 000 разів більше швидкості кулі при вильоті з дула гвинтівки. Ударяючисьоб поверхню анода, електрони вибивають з нього інші, вторинні електрони. Такеявище називається вторинною електронною емісією. Якщо напруга на екранній сітцібільше сітки на аноді, вторинні електрони з анода прямують на екранну сітку. Врезультаті анодний струм зменшується, а на анодній характеристиці тетрода з'являється провал.
Для боротьби з динатронним ефектом в конструкцію тетродов вводять спеціальні промінеутворюючі пластини, які концентруютьелектронний потік на невеликій частині поверхні анода, де створюєтьсяпросторовий заряд, перешкоджаючий зворотному потоку вторинних електронів наекранну сітку. Такі тетроди називаються променевими. Інший спосіб боротьби здинатронним ефектом полягає в установці ще однієї сітки між екранною сіткою іанодом. Вона носить назву захисної або антидинотродноїсітки і з'єднується з катодом всередині або зовні лампи, для чого є готельнийвисновок. Такі п'ятиелектродні лампи називаються пентодами. Антидинатроннасітка виконується рідкісній, на потік швидких первинних електронів впливу ненадає, повільні ж вторинні електрони відштовхуються нею назад на анод.
До багатоелектродних ламп відносяться лампи, що мають більше трьохсіток, наприклад, гептоди, у які п'ять сіток. Гептодипризначені для перетворення частоти сигналу і містять дві роздільні управляючісітки. Черговість розташування сіток при рахунку від катода наступна: першасітка є першою управляючою, друга сітка — екранна, далі слідує друга управляючасітка, за нею ще одна екранна і, нарешті, антидинатронна сітка.
Екранні сітки звичайно сполучені усередині ламп між собою і маютьзагальний висновок. Вольт — амперні характеристики гептодів такі ж, як упентодів, а наявність екранної сітки між керівниками знижує паразитну місткістьміж ними. Іноді використовується застаріла назва гептода — пентагрид, що в перекладі позначає — п'ять сіток.
2. Електронно-променева трубка
Електрони, що випускаються нагрітим катодом, можна за допомогоюелектричних полів розгонити до високих швидкостей. Пучки електронів, щорухаються з великими швидкостями, можна використовувати для отриманнярентгенівського проміння, плавки і різання металів. Здатність електроннихпучків випробовувати відхилення під дією електричних і магнітних полів івикликати свічення кристалів використовуватися в електронно-променевих трубках.
Електронно-променева трубка — прилад з одним або декількома керованимиелектронними пучками. Якщо електронний пучок потрапляє на тіла, то вонинагріваються, що використовується для електронного плавлення і зваркиматеріалів у вакуумі і забезпечує їх надвисоку чистоту.
Деякі речовини під дією електронних пучків світяться, щовикористовується в телебаченні, радіолокації, осцилографах і т.п.
/>
Рис. 13.
Дуже важливим елементом телевізора, осцилографа, радіолокатора і іншихприладів є електронно-променева трубка (рис.13). У вузькій частині вакуумногобалона розташований циліндровий катод, що підігрівається металевою спіраллю 1,по якій по якій пропускають електричний струм. За допомогою діафрагми 2 зелектронів, випромінюваних катодом, виділяється вузький електронний пучок 5 (електроннийпромінь). В електричному полі, створеному між катодом і циліндровим анодом, електронишвидшають до швидкості близько 104 км/с. Катод з підігрівом, діафрагма і анодутворюють електронну гармату.
Електронний промінь проходить через два конденсатори 3 і 4, пластинияких розташовані у взаємно перпендикулярних площинах, і потрапляє на екран 6,покритий речовиною, яка світиться при ударі потрапляючих на нього електронів. Наекрані можна бачити крапку, що світиться, в тому місці, куди потрапляєелектронний пучок.
Якщо до пластин конденсатора 3 прикласти постійну напругу, напрямелектронного пучка змінюється і крапка, що світиться, зміщується увертикальному напрямі. У разі додатку змінної напруги електронний промінь почнеколиватися у вертикальній площині, а на екрані з'явиться вертикальна лінія,довжина якої залежить від значення прикладеної напруги, що світиться. Подовжині цієї лінії можна визначати значення дуже слабих напруг і сил струмів.
/>
Рис.14.
За допомогою спеціальної схеми на пластини конденсатора 4 подаєтьсязмінна напруга U пилкоподібної форми(рис.14). Під дією такої напруги крапка, що світиться, рівномірно переміщаєтьсяуздовж горизонталі, наприклад управо, а потім стрибком повертається в крайнєліве положення. Цей періодично повторюваний процес, який називають горизонтальноюрозгорткою, дає на екрані горизонтальну лінію, що світиться.

/>
Рис. 15.
Якщо на вертикальні коливання променя, обумовлені досліджуваноюнапругою, накласти горизонтальну розгортку, то промінь описуватиме на екранікриву залежності досліджуваної напруги від часу (рис.15). Якщо ж напругазмінюється періодично, можна підбором відповідної частоти горизонтальноїрозгортки отримати на екрані нерухомий графік досліджуваної напруги ісфотографувати його.
Електронно-променева трубка є основною частиною електронногоосцилографа, широко що використовується в науці і техніці при вивченнірізноманітних швидкопротікаючих процесів (як електричних, так і неелектричнихпісля перетворення їх в електричні). Якнайменша тривалість процесів, щофіксуються осцилографами, досягає 10-10 з. Окрім трубки в осцилографі єгенератор пилкоподібної напруги (генератор розгортки), джерело живленняелектронної гармати, блоки з регуляторами фокусування і яскравості, а такождеякі інші допоміжні пристосування і деталі, поліпшуючі роботу і розширюючійого можливості. Зокрема, для спостереження слабих електричних сигналів восцилографі передбачений підсилювач, причому відповідним регулятором можназмінювати амплітуду спостережуваних на екрані коливань до необхідних розмірів.
До приймальних електронно-променевих трубок відноситься чорно-білі ікольорові кінескопи. Пристрій чорно-білого кінескопа нічим практично невідрізняється від пристрою трубки з магнітним відхиленням променя. В прожекторлише доданий прискорюючий електрод між модулятором і першим анодом. Промисловістьвипускає самі різні кінескопи з розміром екрану по діагоналі від 8 до 67 см. Всісучасні кінескопи мають прямокутний екран із співвідношенням сторін вприбудовах 3: 4 до 4: 5, що приблизно відповідає формату телевізійногозображення
Кольорові кінескопи містять три електронні прожектори і екран, покритийлюмінофорами трьох кольорів — червоного, синього і зеленого свічення. В данийчас промисловість випускає кольорові кінескопи двох різних конструкцій. Укінескопів з дельтовидним розташуванням прожекторів вони розташовані у вершинахтрикутника, центр якого знаходиться на осі кінескопа. У кінескопів з планарним розташуванням прожекторів вони розташовані водній площині, один знаходиться на осі кінескопа, а два інших — по обидвісторони від першого.
Розвиток способів передачі зображень і вимірювальної технікисупроводився подальшою розробкою і удосконаленням різних електровакуумних приладів,радіоламп і електронографічних приладів для осцилографів, радіолокації ітелебачення.
3. Рентгенівська трубка
Електричний струм у вакуумі застосовують для отримання рентгенівськогопроміння. Рентгенівське проміння випускається будь-якою речовиною, якабомбардується швидкими електронами. Для отримання інтенсивного пучка цьогопроміння Рентген (в 1895 р. відкрив це проміння) побудував спеціальну трубку,що складається з добре відкачаної скляної кулі, в яку упаяно три металевіелектроди: катод у вигляді сферичної чашки, анод і антикатод. Електрони, щовилітають нормально до поверхні катода, потрапляють в його центр кривизни, щолежить на антикатоді, виготовленому з тугоплавкого металу. Антикатодвстановлений під кутом 45° до катода для найзручнішого використовування щовиходять з нього рентгенівського проміння. Накопичення на антикатодінегативного електричного заряду могло б привести до припинення роботи трубки,тому він сполучений з анодом.
Електромагнітні випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 10-14 до10-7 м називаються рентгенівським промінням.
В сучасних рентгенівських трубках роль катода виконує електроннагармата — вольфрамова спіраль, що нагрівається струмом і що служить джереломвільних електронів. Фокусування електронного пушку проводиться циліндром. Антикатодтрубки є одночасно анодом. Такі трубки працюють стійкіше, ніж перша модель.
На рентгенівську трубку будь-якої конструкції подається напруга вдекілька десятків кіловольтів.
Якщо у вакуумній трубці між нагрітим катодом, що випускає електрони, іанодом прикласти постійну напругу в декілька десятків тисяч вольт, то електрониспочатку розгонитимуться електричним полем, а потім різко гальмуватимуться вречовині анода при взаємодії з його атомами. При гальмуванні швидких електронівв речовині або при переходах електронів на внутрішніх оболонках атомів (рис.16)виникають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше ніж у ультрафіолетовоговипромінювання.
/>
Рис. 16.
Рентгенівське проміння невидиме оком. Вони проходять без істотногопоглинання через значні шари речовини, непрозорої для видимого світла. Знаходятьрентгенівське проміння по їх здатності викликати певне свічення деякихкристалів і діяти на фотоплівку.
Здатність рентгенівського проміння проникати через товсті шари речовинивикористовуються для діагностики захворювань внутрішніх органів людини. Втехніці рентгенівське проміння застосовується для контролю внутрішньоїструктури різних виробів, зварних швів. Рентгенівське випромінювання володієсильною біологічною дією і застосовується для лікування деяких захворювань.3.1 Електроннооптічеськійперетворювач (ЕОП)
ЕОП — це вакуумний фотоелектронний прилад для перетворення невидимогооком зображення об'єкту (в ГИК, УФ і рентгенівському промінні) у видиме або дляпосилення яскравості видимого зображення. В основі дії ЕОП лежить перетворенняоптичного або рентгенівського зображення в електронне за допомогою фотокатода,а потім електронного зображення в світлове (видиме), одержуване на катодолюмінесцентному екрані. В ЕОП зображенняоб'єкту проектується за допомогою об'єктиву на фотокатод (при використовуваннірентгенівського проміння тіньове зображення об'єкту проектується на фотокатодбезпосередньо). Випромінювання від об'єкту викликає фотоелектронну емісію зповерхні фотокатода, причому величина емісії з різних ділянок останньогозмінюється відповідно до розподілу яскравості спроектованого на ньогозображення. Фотоелектрони швидшають електричним полем на ділянці міжфотокатодом і екраном, фокусуються електронною лінзою (ФЕ — фокусуючий електрод)і бомбардують екран Е., викликаючи його люмінесценцію. Інтенсивність свіченняокремих точок екрану залежить від густини потоку фотоелектронів, унаслідок чогона екрані виникає видиме зображення об'єкту. Розрізняють ЕОП одно — ібагатокамерні (каскадні); останні є послідовним з'єднанням двох або більшоднокамерних ЕОП.
В деяких типах ЕОП зображення реєструється матрицею з електронночуттєвихелементів (в кількості 10 — 100), встановленої замість люмінесцентного екрану.
ЕОП застосовуються в ГИК техніці, спектроскопії, медицині, ядернійфізиці, астрономії, телебаченню, для перетворення УЗ зображення у видиме. Сучаснібагатокамерні ЕОП дозволяють реєструвати на фотоемульсії світлові спалахи (сцинтиляції)від одного електрона, що випускається вхідним фотокатодом.
4. Електронний проектор
Електронний проектор — це автоелектронний мікроскоп, безлинзовий електроннооптичний приладдля отримання збільшеного в 105-106 разів зображення поверхні твердого тіла. Електроннийпроектор був винайдений в 1936 йому. фізиком Е. Мюллером.
Основні частини Електронного проектора: катод у вигляді зволікання зточковим емітером па кінці, радіус кривизни якого r~10-7-10-8 м; склянасферична або конусоподібна колба, дно якої покрито шаром люмінофора; анод увигляді провідного шару на стінках колби або дротяного кільця, що оточує катод.З колби відкачується повітря (залишковий тиск ~10-9-10-11 мм рт. ст). Коли на анод подають позитивну напругу в декілька тис. Вольтщодо розташованого в центрі колби катода, напруженість електричного поля вбезпосередній близькості від точкового емітера (вістря) досягає 107-108 В/см. Цезабезпечує інтенсивну автоелектронну емісію. При звичайній формі катодаелектрони емітувалися переважно з місць локального збільшення напруженості полянад невеликими нерівностями і виступами поверхні емітера. Застосування точковихемітерів, згладжених поверхневою міграцією атомів металу при підвищенихтемпературах в доброму вакуумі, дозволило отримати стійкі струми.
Емітовані електрони, швидшаючи в радіальних (щодо вістря) напрямах,бомбардують екран, викликаючи свічення люмінофора, і створюють на екранізбільшене контрастне зображення поверхні катода, що відображає
її кристалічну структуру. Контраст автоелектронного зображеннявизначається густиною емісійного струму, яка залежить від локальної роботивиходу, що змінюється залежно від кристалографічного будови поверхні емітера івід величини поля у поверхні емітера. Збільшення в Електронному проекторі рівновідношенню R/br, де R — відстань катод — екран, b — константа, залежна відгеометрії трубки.
Електронні проектори застосовуються для вивчення автоелектронної емісії металів і напівпровідників, длявизначення роботи виходу з різних граней монокристала і ін. Для спостереженняфазових перетворень, вивчення адсорбції атомів різних речовин на металевій абонапівпровідниковій поверхні і т.д. Електронний проектор використовують вельмиобмежено, оскільки набагато більші можливості в цих відносинах дає застосуванняіонного проектора.
5. Електронограф
Електронограф — прилад для дослідження атомної будови твердих тіл ігазових молекул методами електронографії. (Електронографія — це метод вивченняструктури речовини, заснований на дослідженні розсіяння зразком прискоренихелектронів. Застосовується для вивчення атомної структури кристалів, аморфнихтіл і рідин, молекул газів і пари). Електронограф — вакуумний прилад. В колоні,основному вузлі електронографа, електрони, що випускаютьсярозжареною вольфрамовою ниткою, розгоняться високою напругою (від 30 кВ і вище — швидкі електрони і до 1 кВ — повільніелектрони). За допомогою діафрагм і магнітних лінз формується вузькийелектронний пучок, що направляється на досліджуваний зразок, що знаходиться вспеціальній камері об'єктів і встановлений на спеціальному столику. Розсіяніелектрони потрапляють у фотокамеру, і на фотопластині (або екрані) створюєтьсядифракційне зображення (електронограмма). Залежністьінтенсивності розсіяних електронів від кута розсіяння може вимірюватися задопомогою електронних приладів. Електронографи забезпечують різними пристроямидля нагрівання, охолоджування, випаровування зразка, його деформації і т.д.
Електронограф включає також систему вакуумування і блокелектроживлення, що містить джерела напруження катода, високої напруги,живлення електромагнітних лінз і різних пристроїв камери об'єктів. Живлячийпристрій забезпечує зміну прискорюючого потенціалу по ступенях (напр., в О. «ЕР-100» 4 ступені: 25, 50, 75 і 100 кВ). Роздільна здатність складає тисячні частки і залежить від енергіїелектронів, перетину електронного пучка і відстані від зразка до екрану, яке всучасному електронографі може зраджуватися в межах 200 — 600 мм Управліннясучасними електронографами, як правило, автоматизовано.