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
Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ в. були електронні лампи, в яких використовувався електричний струм у вакуумі. Проте їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але і сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні і зварці, у тому числі в космосі, і в багатьох інших установках. Це і визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.
Вакуум (від лат. vacuum - пустка) - стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутій судині або в судині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільному просторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини, між електродами приладу і т.д.
Рис. 1. Відкачування повітря з судини
Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що цей зовсім порожній простір. На самій же справі це не так. Якщо з якої-небудь судини відкачувати повітря (рис.1), то кількість молекул в ньому з часом зменшуватиметься, хоча всі молекули з судини видалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судині створений вакуум?
Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто стикаються між собою і із стінками судини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, які називаються завдовжки вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванні повітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжина вільного пробігу - збільшується. І ось наступає момент, коли довжина вільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді-то і вважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул. Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється при великому тиску газу в них, ніж у великих судинах.
Якщо продовжувати відкачування повітря з судини, то говорять, що в ньому створюється більш глибокий вакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато раз пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою.
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 судині для виявлення помітного струму мало.
Мал. 2. Випромінювання електронів розжареним провідником
Як же отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщо нагрівати провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом, то частина вільних електронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу (виконати роботу виходу). Явище випромінювання електронів розжареними тілами називається термоелектронній емісії.
Електроніка і радіо майже ровесники. Правда, спочатку радіо обходилося без своєї однолітки, але пізніше електронні прилади сталі матеріальною основою радіо, або, як то кажуть, його елементарною базою.
Початок електроніки можна віднести до 1883 року, коли знаменитий Томас Альфа Едісон, намагаючись продовжити термін служби освітлювальної лампи з вугільною ниткою розжарення, ввів в балон лампи, з якої відкачано повітря, металевий електрод.
Саме цей досвід привів Едісона до його єдиного фундаментально-наукового відкриття, яке лягло в основу всіх електронних ламп і всієї електроніки до транзисторного періоду. Відкрите ним явище згодом отримало назву термоелектронної емісії.
Зовні досвід Едісона виглядав досить просто. До висновку електроду і одному з висновків розжареної електричним струмом нитки він під'єднав батарею і гальванометр.
Стрілка гальванометра відхилялася всякий раз, коли до електроду під'єднувався плюс батареї, а до нитки - мінус. Якщо полярність мінялася, то струм 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 не пояснив. В цей час електрон ще не був відкритий, а поняття "термоелектронна емісія", природно, могло з'явитися лише після відкриття електрона.
Ось в чому її суть. В розжареній металевій нитці швидкість руху і енергія електронів підвищуються настільки, що вони відриваються від поверхні нитки і вільним потоком спрямовуються в оточуюче її простір. Що вириваються з нитки електрони можна уподібнити ракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщо до електроду буде приєднаний плюс батареї, то електричне поле усередині балона між ниткою розжарення і електродом спрямує до нього електрони. Тобто усередині лампи потече електричний струм.
 Потік електронів у вакуумі є різновидом електричного струму. Такий електричний струм у 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 повідомляє електрони швидкості в певному напрямі.
В трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлення металів електронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Яким чином одержують потоки електронів у вакуумі? Як управляють цими потоками?
Рис.3
 |
Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить від температури металу: вона тим більше, чим вище температура. Розташуємо у вакуумі на деякій відстані один від одного два металеві електроди (рис.3) і створимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в ланцюзі не буде, що свідчить про відсутність в просторі між електродами вільних носіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільні електрони, але вони утримуються усередині металу і при звичайних температурах практично не можуть виходити з нього. Для того, щоб електрони змогли вийти за межі металу (аналогічно вильоту молекул за межі рідини при її випаровуванні), вони повинні подолати сили електричного тяжіння з боку надлишку позитивного заряду, що виник в металі унаслідок вильоту електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну "хмарку". Інакше кажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконати певну роботу А проти цих сил, природно, різну для різних металів. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами за рахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, що повільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетична енергія яких Теньк перевищує роботу виходу, тобто Теньк? А. Вихід вільних електронів з металу називають емісією електронів.
Для того, щоб існувала емісія електронів, необхідно повідомити електронам провідності металів кінетичну енергію, достатню для виконання роботи виходу. Залежно від способу повідомлення електронам необхідної кінетичної енергії бувають різні типи електронної емісії. Якщо енергія повідомляються електрони провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами), має місце вторинна електронна емісія. Емісія електронів може відбуватися під впливом опромінювання металу світлом. В цьому випадку спостерігається фотоемісія, або фотоелектричний ефект. Можливо також виривання електронів з металу під дією сильного електричного поля - автоелектронна емісія. Нарешті, електрони можуть придбавати кінетичну енергію за рахунок нагрівання тіла. В цьому випадку говорять про термоелектронну емісію.
Розглянемо докладніше явище термоелектронної емісії і його застосування.
При звичайних температурах мізерне число електронів може володіти кінетичною енергією, порівнянною з роботою виходу електронів з металу. З підвищенням температури число таких електронів росте і при нагріванні металу до температур близько 1000 - 1500 градусів вже значне число електронів матиме енергію, перевищуючу роботу виходу з металу. Саме ці електрони можуть вилетіти з металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьому заряджає позитивно і притягає електрони. Тому біля нагрітого металу створюється "хмарка" електронів. Частина електронів з цієї "хмарки" повертається назад в метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому між електронним "газом" і електронною "хмаркою" встановлюється динамічна рівновага, коли число електронів, що вилітають за певний час з металу, 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 в розглянутій вище ланцюзі (рис.3) протікав постійний електричний струм. Очевидно, достатньо нагрівати один з металевих електродів, а саме електрод, сполучений з негативним полюсом джерела струму. В цьому випадку електрони, вилітавши з нагрітого металу, притягуватимуться до позитивно зарядженого електроду, і в ланцюзі протікатиме струм. Так ми, нарешті, підійшли до принципу пристрою двохелектродної лампи (діода), широко вживаній в електро- і радіотехніці.
Рис. 4
Сучасний діод складається з скляного або металевого балона (рис.4), з якого 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 осі розташований 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 допомогою мініатюрної електричної печі (рис.5) - підігрівача. На
(Рис.6) показано схематичне зображення діода з катодом прямого (а) і непрямого (б) напруження.
 
а) б)
Рис. 5
Рис. 6
Познайомимося з основними властивостями діода. Для цього складемо електричний ланцюг з діода, джерел напруги Ua і Uk і гальванометра (рис.7). Комутатор К2 дозволяє створювати між анодом і катодом напругу (анодне) різної полярності. При замиканні перемикача К2 в положення 1 на анод подається позитивний щодо катода потенціал, а при замиканні перемикача К2 в положення 2 - негативний.
Рис. 7
Якщо замкнемо перемикач К2 в положення 1, тобто повідомимо аноду позитивний щодо катода потенціал, але не замкнемо перемикач К1 (не розігріватимемо катод), то струму в ланцюзі не буде навіть при великих анодних напругах Uа. І це зрозуміло. Температура обох електродів рівна кімнатній, термоелектронна емісія катода анода дуже мала, і в просторі між анодом і катодом практично відсутні заряджені частинки, рух яких в електричному полі міг би створити електричний струм.
Якщо перемикач К1 замкнути і розігріти катод, то навіть при анодній напрузі Ua=0 в ланцюзі анода протікатиме незначної сили струм I0. Виникнення цього 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 в ланцюзі анодний струм. Якщо аноду повідомити невеликий негативний потенціал щодо катода (перемикач К2 в положенні 2), то сила анодного струму зменшується, оскільки в цьому випадку електрони повинні долати гальмуюче поле між анодом і катодом. При певній анодній напрузі U1 навіть найшвидші електрони не можуть подолати гальмуюче поле і сила анодного струму рівна нулю.
Повідомимо тепер аноду позитивний щодо катода потенціал (перемикач К2 в положенні 1). В цьому випадку електричне поле між анодом і катодом сприяє руху електронів до анода, але при цьому порушується динамічна рівновага між вильотом з катода і поверненням в нього електронів і емісія посилюється. Залежність між силою струму в діоді і анодною напругою можна зобразити графічно (рис. 8)
Ia
 Iн
U1 а U2U3UнUа
Рис. 8
Крива, що показує залежність сили струму в діоді від анодної напруги, називається вольтамперной характеристикою діода. У міру збільшення анодної напруги все більше число що вилітають з катода електронів захоплюється 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 електрони переміщатимуться полем до анода. Сила анодного струму досягає максимального значення Iн, яке називають силою струму насичення діода, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн отримала назву напруги насичення.
При напрузі Uа = 0 сила струму Iо дуже мала, значно менше сили струму насичення, тому вважають, що вольтамперна характеристика проходить через початок координат, тобто нехтують силою струму Iо: тоді при Ua = 0 і I0 = 0.
Зверніть увагу, що вольтамперна характеристика діода нелінійна, як це має місце у разі металевих провідників. Опір діода, знайдений як приватне від розподілу анодної напруги на силу струму, при різних анодних 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 позитивні іони, діод проводить струм тільки у разі повідомлення аноду лампи позитивного щодо катода потенціалу. Якщо ж аноду повідомити негативний потенціал, то термоелектрони відштовхуватимуться від негативно зарядженого анода і притягуватимуться до позитивно зарядженого катода і струм через лампу не йде - лампа закривається. Це означає, що лампа володіє односторонньою провідністю. Одностороння провідність діода широко використовується в техніці для випрямляння змінного струму.
Для поліпшення дії електронної лампи в неї вводять додаткові сітки. Лампу з двома сітками називають тетродом (тобто чотириелектродної), з трьома - пентодом (п'ятиелектродної). Поява електронних ламп різноманітних пристроїв, заснованих на їх застосуванні, зіграли величезну роль в розвитку радіо. Тріод також застосовують, як генератор електричних коливань.
Потоком електронів, що рухаються в електронній лампі від катода до анода можна управляти за допомогою електричних і магнітних полів. Найпростішим електровакуумним приладом, в якому здійснюється управління потоком електронів за допомогою електричного поля, є тріод. Балон, анод і катод вакуумного тріода мають таку ж конструкцію, як і у діода, проте на шляху електронів від катода до анода 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), то значна частина електронів пролітає від катода до анода, і в ланцюзі анода існує електричний струм. При подачі на сітку негативного потенціалу щодо катода електричне поле між сіткою і катодом перешкоджає руху електронів від катода до анода (рис.10), анодний струм убуває. Таким чином, змінюючи напругу між сіткою і катодом, можна регулювати силу струму в ланцюзі анода, що і послужило причиною назви сітки управляючої.
Мал. 11. Схема включення тріода
Умовне графічне позначення тріода показано на рис.11. Промисловість випускає широкий асортимент самих різних тріодів, а також подвійних тріодів із загальним і роздільними катодами, які застосовувалися в різній радіоапаратурі, ще знаходячись в експлуатації.
До параметрів тріода відносяться: внутрішній опір - відношення приросту анодної напруги до приросту анодного струму, коефіцієнт посилення - відношення приросту анодної напруги до приросту напруги на сітці, крутизна характеристики анодного струму - відношення приросту анодного струму до приросту напруги на сітці:
Внутрішній опір Ri вимірюється в кОм, крутизна характеристики S - в А/В, коефіцієнт посилення м - величина безрозмірна.
До граничних експлуатаційних параметрів тріодів відноситься ті ж параметри, що і до діодів: мінімальна і максимальна напруги напруження, найбільша допустимо зворотна напруга анода, найбільша напруга між катодом і підігрівачем, найбільший середній анодний струм, гранична потужність, розсіювана анодна, а також додаткові параметри (найбільша негативна напруга на сітці і найбільший опір в ланцюзі сітки). Необхідність обмеження опору в ланцюзі сітки зв'язана з тим, що сітка звичайно розташовується дуже близько до катода і може їм нагріватися. При цьому можливо поява термоелектронної емісії з сітки, яка приводить до зворотного сіткового струму. Хоча ця емісія і зворотний струм дуже мала, але при більшому опорі в ланцюзі сітки струм створює на ньому відчутне 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 місткість між анодом і катодом, а також прохідну місткість між анодом і сіткою. Якщо вхідна і вихідна місткості виявляються підключеними паралельно навантаженням попереднього і даного каскадів, що не дуже жахливо, то прохідна місткість може приводити до дуже неприємних наслідків. В підсилювальних схемах слабий сигнал звичайно подається на сітку лампи, а на аноді утворює посилений сигнал. Прохідна місткість створює шлях цьому сигналу з анода назад на сітку, що може привести до самозбудження каскаду. Це особливо небезпечно на високій частоті, коли порівняно невелика місткість володіє невеликим опором місткості.
Для зменшення прохідної місткості були створені чотириелектродні лампи - тетроди (рис.12). У такої лампи між управляючою сіткою і анодом розташовується екранна сітка, яка заземляється по змінному струму конденсатором великої місткості. Завдяки цьому прохідна місткість зменшується в сотні і тисячі раз. По постійному струму на екранну сітку подається позитивна напруга, приблизно таке ж що і на анод. Так ця сітка збільшує притягуюче поле, яким електрони з електронної хмари винуждаются летіти до анода, і частина що летять до анода електронів потрапляє на неї. Утворюється струм екранної сітки, що становить приблизно 10... 20% від анодного струму, з чим доводиться миритися.
Мал.12. Чотириелектродна лампа - тетрод.
Основний недолік тетрода - динатронний ефект - полягає в наступному. Електрони на шляху від катода до анода розгоняться до великої швидкості. При напрузі на аноді 100 Вати ця швидкість досягає 6 000 км/с - в 10 000 разів більше швидкості кулі при вильоті з дула гвинтівки. Ударяючись об поверхню анода, електрони вибивають з нього інші, вторинні електрони. Таке явище називається вторинною електронною емісією. Якщо напруга на екранній сітці більше сітки на аноді, вторинні електрони з анода прямують на екранну сітку. В результаті анодний струм зменшується, а на анодній характеристиці тетрода з'являється провал.
Для боротьби з динатронним ефектом в конструкцію тетродов вводять спеціальні промінеутворюючі пластини, які концентрують електронний потік на невеликій частині поверхні анода, де створюється просторовий заряд, перешкоджаючий зворотному потоку вторинних електронів на екранну сітку. Такі тетроди називаються променевими. Інший спосіб боротьби з динатронним ефектом полягає в установці ще однієї сітки між екранною сіткою і анодом. Вона носить назву захисної або антидинотродної сітки і з'єднується з катодом всередині або зовні лампи, для чого є готельний висновок. Такі п'ятиелектродні лампи називаються пентодами. Антидинатронна сітка виконується рідкісній, на потік швидких первинних електронів впливу не надає, повільні ж вторинні електрони відштовхуються нею назад на анод.
До багатоелектродних ламп відносяться лампи, що мають більше трьох сіток, наприклад, гептоди, у які п'ять сіток. Гептоди призначені для перетворення частоти сигналу і містять дві роздільні управляючі сітки. Черговість розташування сіток при рахунку від катода наступна: перша сітка є першою управляючою, друга сітка - екранна, далі слідує друга управляюча сітка, за нею ще одна екранна і, нарешті, антидинатронна сітка.
Екранні сітки звичайно сполучені усередині ламп між собою і мають загальний висновок. Вольт - амперні характеристики гептодів такі ж, як у пентодів, а наявність екранної сітки між керівниками знижує паразитну місткість між ними. Іноді використовується застаріла назва гептода - пентагрид, що в перекладі позначає - п'ять сіток.
Електрони, що випускаються нагрітим катодом, можна за допомогою електричних полів розгонити до високих швидкостей. Пучки електронів, що рухаються з великими швидкостями, можна використовувати для отримання рентгенівського проміння, плавки і різання металів. Здатність електронних пучків випробовувати відхилення під дією електричних і магнітних полів і викликати свічення кристалів використовуватися в електронно-променевих трубках.
Електронно-променева трубка - прилад з одним або декількома керованими електронними пучками. Якщо електронний пучок потрапляє на тіла, то вони нагріваються, що використовується для електронного плавлення і зварки матеріалів у вакуумі і забезпечує їх надвисоку чистоту.
Деякі речовини під дією електронних пучків світяться, що використовується в телебаченні, радіолокації, осцилографах і т.п.
Рис. 13.
Дуже важливим елементом телевізора, осцилографа, радіолокатора і інших приладів є електронно-променева трубка (рис.13). У вузькій частині вакуумного балона розташований циліндровий катод, що підігрівається металевою спіраллю 1, по якій по якій пропускають електричний струм. За допомогою діафрагми 2 з електронів, випромінюваних катодом, виділяється вузький електронний пучок 5 (електронний промінь). В електричному полі, створеному між катодом і циліндровим анодом, електрони швидшають до швидкості близько 104 км/с. Катод з підігрівом, діафрагма і анод утворюють електронну гармату.
Електронний промінь проходить через два конденсатори 3 і 4, пластини яких розташовані у взаємно перпендикулярних площинах, і потрапляє на екран 6, покритий речовиною, яка світиться при ударі потрапляючих на нього електронів. На екрані можна бачити крапку, що світиться, в тому місці, куди потрапляє електронний пучок.
Якщо до пластин конденсатора 3 прикласти постійну напругу, напрям електронного пучка змінюється і крапка, що світиться, зміщується у вертикальному напрямі. У разі додатку змінної напруги електронний промінь почне коливатися у вертикальній площині, а на екрані з'явиться вертикальна лінія, довжина якої залежить від значення прикладеної напруги, що світиться. По довжині цієї лінії можна визначати значення дуже слабих напруг і сил струмів.
Рис.14.
За допомогою спеціальної схеми на пластини конденсатора 4 подається змінна напруга U пилкоподібної форми (рис.14). Під дією такої напруги крапка, що світиться, рівномірно переміщається уздовж горизонталі, наприклад управо, а потім стрибком повертається в крайнє ліве положення. Цей періодично повторюваний процес, який називають горизонтальною розгорткою, дає на екрані горизонтальну лінію, що світиться.
Рис. 15.
Якщо на вертикальні коливання променя, обумовлені досліджуваною напругою, накласти горизонтальну розгортку, то промінь описуватиме на екрані криву залежності досліджуваної напруги від часу (рис.15). Якщо ж напруга змінюється періодично, можна підбором відповідної частоти горизонтальної розгортки отримати на екрані нерухомий графік досліджуваної напруги і сфотографувати його.
Електронно-променева трубка є основною частиною електронного осцилографа, широко що використовується в науці і техніці при вивченні різноманітних швидкопротікаючих процесів (як електричних, так і неелектричних після перетворення їх в електричні). Якнайменша тривалість процесів, що фіксуються осцилографами, досягає 10-10 з. Окрім трубки в осцилографі є генератор пилкоподібної напруги (генератор розгортки), джерело живлення електронної гармати, блоки з регуляторами фокусування і яскравості, а також деякі інші допоміжні пристосування і деталі, поліпшуючі роботу і розширюючі його можливості. Зокрема, для спостереження слабих електричних сигналів в осцилографі передбачений підсилювач, причому відповідним регулятором можна змінювати амплітуду спостережуваних на екрані коливань до необхідних розмірів.
До приймальних електронно-променевих трубок відноситься чорно-білі і кольорові кінескопи. Пристрій чорно-білого кінескопа нічим практично не відрізняється від пристрою трубки з магнітним відхиленням променя. В прожектор лише доданий прискорюючий електрод між модулятором і першим анодом. Промисловість випускає самі різні кінескопи з розміром екрану по діагоналі від 8 до 67 см. Всі сучасні кінескопи мають прямокутний екран із співвідношенням сторін в прибудовах 3: 4 до 4: 5, що приблизно відповідає формату телевізійного зображення
Кольорові кінескопи містять три електронні прожектори і екран, покритий люмінофорами трьох кольорів - червоного, синього і зеленого свічення. В даний час промисловість випускає кольорові кінескопи двох різних конструкцій. У кінескопів з дельтовидним розташуванням прожекторів вони розташовані у вершинах трикутника, центр якого знаходиться на осі кінескопа. У кінескопів з планарним розташуванням прожекторів вони розташовані в одній площині, один знаходиться на осі кінескопа, а два інших - по обидві сторони від першого.
Розвиток способів передачі зображень і вимірювальної техніки супроводився подальшою розробкою і удосконаленням різних електровакуумних приладів, радіоламп і електронографічних приладів для осцилографів, радіолокації і телебачення.
Електричний струм у вакуумі застосовують для отримання рентгенівського проміння. Рентгенівське проміння випускається будь-якою речовиною, яка бомбардується швидкими електронами. Для отримання інтенсивного пучка цього проміння Рентген (в 1895 р. відкрив це проміння) побудував спеціальну трубку, що складається з добре відкачаної скляної кулі, в яку упаяно три металеві електроди: катод у вигляді сферичної чашки, анод і антикатод. Електрони, що вилітають нормально до поверхні катода, потрапляють в його центр кривизни, що лежить на антикатоді, виготовленому з тугоплавкого металу. Антикатод встановлений під кутом 45° до катода для найзручнішого використовування що виходять з нього рентгенівського проміння. Накопичення на антикатоді негативного електричного заряду могло б привести до припинення роботи трубки, тому він сполучений з анодом.
Електромагнітні випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 10-14 до 10-7 м називаються рентгенівським промінням.
В сучасних рентгенівських трубках роль катода виконує електронна гармата - вольфрамова спіраль, що нагрівається струмом і що служить джерелом вільних електронів. Фокусування електронного пушку проводиться циліндром. Антикатод трубки є одночасно анодом. Такі трубки працюють стійкіше, ніж перша модель.
На рентгенівську трубку будь-якої конструкції подається напруга в декілька десятків кіловольтів.
Якщо у вакуумній трубці між нагрітим катодом, що випускає електрони, і анодом прикласти постійну напругу в декілька десятків тисяч вольт, то електрони спочатку розгонитимуться електричним полем, а потім різко гальмуватимуться в речовині анода при взаємодії з його атомами. При гальмуванні швидких електронів в речовині або при переходах електронів на внутрішніх оболонках атомів (рис.16) виникають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше ніж у ультрафіолетового випромінювання.
Рис. 16.
Рентгенівське проміння невидиме оком. Вони проходять без істотного поглинання через значні шари речовини, непрозорої для видимого світла. Знаходять рентгенівське проміння по їх здатності викликати певне свічення деяких кристалів і діяти на фотоплівку.
Здатність рентгенівського проміння проникати через товсті шари речовини використовуються для діагностики захворювань внутрішніх органів людини. В техніці рентгенівське проміння застосовується для контролю внутрішньої структури різних виробів, зварних швів. Рентгенівське випромінювання володіє сильною біологічною дією і застосовується для лікування деяких захворювань.
ЕОП - це вакуумний фотоелектронний прилад для перетворення невидимого оком зображення об'єкту (в ГИК, УФ і рентгенівському промінні) у видиме або для посилення яскравості видимого зображення. В основі дії ЕОП лежить перетворення оптичного або рентгенівського зображення в електронне за допомогою фотокатода, а потім електронного зображення в світлове (видиме), одержуване накатодолюмінесцентному екрані. В ЕОП зображення об'єкту проектується за допомогою об'єктиву на фотокатод (при використовуванні рентгенівського проміння тіньове зображення об'єкту проектується на фотокатод безпосередньо). Випромінювання від об'єкту викликає фотоелектронну емісію з поверхні фотокатода, причому величина емісії з різних ділянок останнього змінюється відповідно до розподілу яскравості спроектованого на нього зображення. Фотоелектрони швидшають електричним полем на ділянці між фотокатодом і екраном, фокусуються електронною лінзою (ФЕ - фокусуючий електрод) і бомбардують екран Е., викликаючи його люмінесценцію. Інтенсивність свічення окремих точок екрану залежить від густини потоку фотоелектронів, унаслідок чого на екрані виникає видиме зображення об'єкту. Розрізняють ЕОП одно - і багатокамерні (каскадні); останні є послідовним з'єднанням двох або більш однокамерних ЕОП.
В деяких типах ЕОП зображення реєструється матрицею з електронночуттєвих елементів (в кількості 10 - 100), встановленої замість люмінесцентного екрану.
ЕОП застосовуються в ГИК техніці, спектроскопії, медицині, ядерній фізиці, астрономії, телебаченню, для перетворення УЗ зображення у видиме. Сучасні багатокамерні ЕОП дозволяють реєструвати на фотоемульсії світлові спалахи (сцинтиляції) від одного електрона, що випускається вхідним фотокатодом.
Електронний проектор - це автоелектронний мікроскоп, безлинзовий електроннооптичний прилад для отримання збільшеного в 105-106 разів зображення поверхні твердого тіла. Електронний проектор був винайдений в 1936 йому. фізиком Е. Мюллером.
Основні частини Електронного проектора: катод у вигляді зволікання з точковим емітером па кінці, радіус кривизни якого r~10-7-10-8 м; скляна сферична або конусоподібна колба, дно якої покрито шаром люмінофора; анод у вигляді 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. Вольт щодо розташованого в центрі колби катода, напруженість електричного поля в безпосередній близькості від точкового емітера (вістря) досягає 107-108 В/см. Це забезпечує інтенсивну автоелектронну емісію. При звичайній формі катода електрони емітувалися переважно з місць локального збільшення напруженості поля над невеликими нерівностями і виступами поверхні емітера. Застосування точкових емітерів, згладжених поверхневою міграцією атомів металу при підвищених температурах в доброму вакуумі, дозволило отримати стійкі струми.
Емітовані електрони, швидшаючи в радіальних (щодо вістря) напрямах, бомбардують екран, викликаючи свічення люмінофора, і створюють на екрані збільшене контрастне зображення поверхні катода, що відображає
її кристалічну структуру. Контраст автоелектронного зображення визначається густиною емісійного струму, яка залежить від локальної роботи виходу, що змінюється залежно від кристалографічного будови поверхні емітера і від величини поля у поверхні емітера. Збільшення в Електронному проекторі рівно відношенню R/br, де R - відстань катод - екран, b - константа, залежна від геометрії трубки.
Електронні проектори застосовуються для вивчення автоелектронної емісії металів і напівпровідників, для визначення роботи виходу з різних граней монокристала і ін. Для спостереження фазових перетворень, вивчення адсорбції атомів різних речовин на металевій або напівпровідниковій поверхні і т.д. Електронний проектор використовують вельми обмежено, оскільки набагато більші можливості в цих відносинах дає застосування іонного проектора.
Електронограф - прилад для дослідження атомної будови твердих тіл і газових молекул методами електронографії. (Електронографія - це метод вивчення структури речовини, заснований на дослідженні розсіяння зразком прискорених електронів. Застосовується для вивчення атомної структури кристалів, аморфних тіл і рідин, молекул газів і пари). Електронограф - вакуумний прилад. В колоні, основному вузлі електронографа, електрони, що випускаються розжареною вольфрамовою ниткою, розгоняться високою напругою (від 30 кВ і вище - швидкі електрони і до 1 кВ - повільні електрони). За допомогою діафрагм і магнітних лінз формується вузький електронний пучок, що направляється на досліджуваний зразок, що знаходиться в спеціальній камері об'єктів і встановлений на спеціальному столику. Розсіяні електрони потрапляють у фотокамеру, і на фотопластині (або екрані) створюється дифракційне зображення (електронограмма). Залежність інтенсивності розсіяних електронів від кута розсіяння може вимірюватися за допомогою електронних приладів. Електронографи забезпечують різними пристроями для нагрівання, охолоджування, випаровування зразка, його деформації і т.д.
Електронограф включає також систему вакуумування і блок електроживлення, що містить джерела напруження катода, високої напруги, живлення електромагнітних лінз і різних пристроїв камери об'єктів. Живлячий пристрій 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 енергії електронів, перетину електронного пучка і відстані від зразка до екрану, яке в сучасному електронографі може зраджуватися в межах 200 - 600 мм Управління сучасними електронографами, як правило, автоматизовано.
|
