Пустотные электрон­ные приборы

При практическом исполь­зовании накаленного катода для проведения электриче­ского тока через пустотные приборы в настоящее время применяются самые разно­образные конструкции катода и самые разнообразные ма­териалы, из которых он со­стоит. Наиболее прочным и устойчивым в работе является чистый вольфрамовый катод, который обычно работает при абсолютной температуре порядка 2 500°. Однако с целью понижения расхода энергии на накал катода весьма часто применяют другие материалы, обычно в виде тонкого слоя, облекающего поверхность катода и играющего основную роль в образовании электронной эмис­сии. Вместе с тем, применяя вещества с большей эмиссионной способностью, чем чистый вольфрам, достигают возможности рабо­тать при сравнительно более низкой температуре катода и тем обеспечивают достаточный срок службы пустотного электронного прибора. Наиболее известны в этом отношении торированные катоды и оксидированные (венельтовы) катоды. Торированные катоды изготовляются из вольфрамовой проволоки с примесью нескольких процентов окиси тория. Эта окись тория при „активировании" катода во время предварительной термической обработки в пустоте, благодаря кратковременному сильному перегреву, разлагается с выделением на поверхности катода тончайшего слоя чистого тория. Торированные катоды работают обычно при абсолютной температуре от 1500° до 1700°. При изготовлении оксидирован-

ных катодов наоснову из платины или более дешевых металлов и их сплавов наносится тем или иным способом тонкий слой из окисей щелочно-земельных металлов — кальция, стронция, бария, цезия и т. д. Чаще всего применяют смеси этих окислов. Окси­дированные катоды работают при температурах еще более низких, чем торированные. В отдельных случаях удалось достигнуть удовле­творительной работы при температуре тёмнокрасного каления и даже несколько ниже.

Пустотные электронные приборы нашли себе наибольшее при­менение в области радиотехники. Первым прибором этого рода явился детектор Флеминга, который после тщательного изучения эффекта Эдисона построил в 1905 г. электронный клапан, состоящий из некоторой пустотной камеры (стек­лянного баллона) с двумя электродами: на­каленным катодом и холодным анодом. Ясно, конечно, что через такой прибор ток может протекать только в одном направлении. При включении этого прибора в соответствующую радиоприемную схему он может исполнять роль детектора. В настоящее время детекти­рование, как известно, более совершенно осуществляется при помощи обычной трехэлектродной лампы, называемой также триодом, или просто катодной лампой.

В1907 году Ли де Форест впервые опубли­ковал описание изобретенной им трехэлектродной лампы. В этом пустотном приборе между накаленным катодом и холодным анодом он расположил металлическую сетку с отдельным выводом наружу. В виде при­мера на рис. 150 представлена более современная конструкция катодной лампы-триода.

Здесь ВС представляет собою катод, который иногда в подобных случаях называют нитью накала. Анод А имеет в описываемой конструкции цилиндрическую форму, причем проволочка ВС располагается, по возможности, вдоль оси цилиндра. G есть надлежащим образом укрепленная „сетка", со­стоящая в этом случае из металлической спирали с большим или мень­шим количеством витков. Внутри стеклянного баллона, в который за­ключены все три электрода, создается возможно совершенное разре­жение. Роль сетки G заключается в следующем. Сообщая ей тот или иной потенциал относительно нити BС, мы можем при данном положительном потенциале анода в значительной степени влиять на количество электронов, доходящих от раскаленной нити до анода, т. е. сильно изменять силу тока, проходящего через катод­ную лампу между нитью и анодом. Сообщая сетке отрицательный потенциал, мы будем создавать между сеткой и нитью встречное пол® сетки, которое будет препятствовать электронам, выделяющимся с поверхности катода, двигаться по направлению к аноду (сквозь сетку). И это будет происходить в большей или меньшей степени,

в зависимости от абсолютной величины отрицательного потенциала сетки. Наоборот, сообщая сетке потенциал положительный отно­сительно нити накала, мы будем создавать поле сетки, благо­приятствующее движению электронов к аноду в степени, опять-таки зависящей от величины этого положительного потенциала. Таким образом получается возможность, пользуясь сеткой, в широких пределах изменять при прочих равных условиях силу тока в цепи нить-анод, и, следовательно, сообщая сетке переменный потенциал, мы получим соответствующие периодические изменения анодного тока, т. е. тока в цепи нить-анод. Пропуская этот ток по первичной обмотке некоторого трансформатора, мы можем получить во вто­ричной обмотке его чистый переменный ток. Сверх того, оказы­вается, что при надлежащей конструкции катодной лампы мощность, расходуемая на управление электронным потоком при помощи сетки, может быть значительно меньше мощности переменного тока в анодной цепи. Сравнительно незначительные изменения потенциала

сетки могут иметь результатом большие изменения анодного тока. Все это является причиной того, что описанный трехэлектродный прибор широко используется в радиотехнике для усиления элек­трических колебаний (усилительные лампы).

В последнее время начинают распространяться более сложные конструкции усилительных ламп: двухсеточные лампы (четырехэлектродные), лампы с экранированным анодом и т. д. Детальное рассмотрение всех свойств различных усилительных ламп и других аналогичных приборов выходит за пределы настоящего курса и относится к области радиовакуумной техники и радиотехники, которая специально занижается и вопросами, относящимися к соответствующим схемам включения пустотных приборов.

Описанные выше общие свойства трехэлектродных ламп исполь­зуются в радиотехнике еще и в целях генерирования электриче­ских колебаний. Оказывается, что, присоединив надлежащим образом анодную цепь трехэлектродной лампы к некоторому колебательному контуру, мы можем поддерживать в этом контуре электрические колебания, подчинив напряжение сетки режиму колебательного контура, для чего сетка соответственно связывается с этим конту­ром. Трехэлектродный пустотный прибор называется в этом случае генераторной лампой. Подобные лампы изготовляются в настоящее время на разнообразные мощности, от самых незначительных до мощностей порядка 100 киловатт. При меньших мощностях пользуются обычно стеклянными баллонами, при повышенных мощностях начинают применять кварцевые баллоны, и, наконец, в случае больших мощностей генераторная лампа имеет металличе­скую, охлаждаемую водой камеру с выводами через специально Присоединенные части из стекла или иного изолирующего мате­риала. Первые мощные генераторные лампы на 100 киловатт были построены М. А. Бонч-Бруевичем. Кроме трехэлектродных генера­торных ламп, появились еще пригодные для той же цели двухзлектродные пустотные приборы, так называемые магнетроны, основанные на применении магнитного контроля над потоком элек-

тронов, исходящих из накаленного катода и направляющихся к аноду. Переменное магнитное поле, необходимое для этого конт­роля, либо получается при помощи особой катушки, располагаемой вне пустотной камеры, либо создается переменным током, идущим по накаливаемому стержню, играющему роль катода. Магнетроны пока еще не получили широкого распространения.

В то время как в усилительных лампах напряжение на аноде (по отношению к катоду) обычно бывает не свыше 100 вольт, в генераторных лампах напряжение на аноде применяется значи­тельно более высокое, доходящее в случаях мощных ламп до 10 кило­вольт и выше.

Как было раньше указано, Флеминг применил накаленный катод и холодный анод для осуществления пустотного клапана, пригод­ного для детектирования в радиоприемных схемах. Очевидно, по этому же принципу могут быть построены и приборы, пригод­ные для выпрямления переменного тока достаточно большой мощ­ности. Подобные выпрямители, называемые обычно кенотронами, изготовляются теперь до напряжений порядка 150 действующих киловольт при соответствующей силе тока порядка 500 миллиамперов.

Из других пустотных приборов упомянем еще о катодном осциллографе, впервые осуществленном Брауном. Катодный осцил­лограф в основном вполне подобен прибору, изображенному на рис. 132, но только в нем более развита противолежащая катоду расширенная честь трубки, при чем днище этой части, несущее с внутренней стороны флюоресцирующий слой, делается, по воз­можности, плоским и возможно большего диаметра. Иногда флюорес­цирующий слой наносят на отдельный слюдяной или стеклянный диск, располагаемый у противолежащего катоду днища трубки. В первых трубках Брауна катодные лучи получались от холодного катода, благодаря бомбардировке его положительными ионами, возникавшими в объеме трубки вследствие наличия остатков газа. Венельт предложил применять нагретый катод, состоящий из очень тонкой платиновой пластинки, нагреваемой током от постороннего источника и покрытой с поверхности смесью окислов щелочно­земельных металлов (катод Венельта). В связи с этим, разрежение в трубке доводилось, конечно, до предела, достигаемого в технике пустотных приборов. Кроме того, экранчик на пути катодных лучей, расположенный недалеко от катода, снабжается в центре круглым отверстием небольшого диаметра (порядка 1 миллиметра). Сквозь это отверстие проходит лишь тонкий катодный пучок, который затем падает на флюоресцирующий экран, оставляя на нём след в виде довольно ярко светящегося пятна. Всякое отклонение катод­ного пучка от нормального прямого направления сейчас же отме­чается передвижением светлого пятна на флюоресцирующем экране. Мы уже знаем (см. § 79), что подобное отклонение катодного пучка можно вызвать действием на пучок внешним электрическим или магнитным полем. Если это поле будет переменное, светлое пят­нышко расплывается на экране в некоторую линию (вообще говоря, прямую). Рассматривая след катодного пучка при помощи зеркала,

вращающегося вокруг оси, параллельной светлой линии на экране, мы развернем эту линию в некоторую кривую напряжения или тока, смотря по тому, как мы приключаем к исследуемой цепи конденсатор внутри брауновской трубки или расположенную сна­ружи катушку, создающую магнитное поле. Возможно получать некоторые осциллографические кривые и без вращающегося зеркала, непосредственно на экране, разворачивая прямой след колеблю­щегося катодного пучка при помощи добавочного поперечного поля, отклоняющего его с необходимою скоростью перпендикулярно основному прямому следу.

В новейших катодных осциллографах применяется разборная камера, внутрь которой вместо флюоресцирующего экрана помещается фотографическая пластинка, на которой может быть заснята интересующая кривая. По сравнению с обычными осциллографами совершенно исключительное и чрезвычайно ценное свойство катодного осциллографа заключается в том, что катодный пучок является колеблющейся системой, практически вполне лишенной инерции. Благодаря этому, только при помощи катодного осцил­лографа можно регистрировать кривые, характеризующие весьма быстро протекающие явления, как, например, в случае коле­бательных цепей с частотою в десятки и сотни миллионов периодов в секунду.

В последнее время открывается новая область применения трубки Брауна. Давно уже Б. Л. Розинг указал и предвари­тельными опытами доказал, что этот прибор, благодаря практи­ческой безинерционности катодного пучка, чрезвычайно при­годен для получения живого изображения при передаче его на расстояние в области так называемой телевизии, или дально­видения. Исходя из этого принципа, Зворыкин построил сравни­тельно весьма совершенный телевизионный радиоприемник, в ко­тором получается отчетливое изображение на флюоресцирующем экране диаметром около 25 сантиметров — изображение, хорошо видимое при полном дневном освещении. Пользуясь фотоэлек­трическим эффектом (§ 78, п. 9), Зворыкин построил также пустотный телевизионный передатчик с катодным пучком, бегающим по фотоэкрану. Особенностью телевизионных устройств Зворы­кина является совершенное отсутствие в них обычных материаль­ных подвижных частей.

Наконец, частным случаем в области пустотных катодных при­боров является современная, весьма совершенная конструкция рентгеновой трубки. В этом приборе электроны, исходящие из на­каленного катода и приобретающие очень большие скорости под действием разностей потенциалов, доходящих до 200 киловольт и выше, ударяются о так называемый антикатод, возбуждая при этом в месте удара генерирование лучей Рентгена. В первых рентгеновых трубках применялся холодный катод, и соответ­ственно этому разрежение не доводилось до предела. Ини­циатором перехода к накаленному катоду в рентгеновских труб­ках был Кулидж.

§ 90. Заключение.

Область практического использования электронных и ионных приборов далеко не исчерпывается теми примерами, которые были приведены в предыдущих параграфах. Мы не коснулись целого ряда приборов, как то: ионные выпрямители, ионные реле, ионно-электронные реле (тиратроны), фотоэлементы и т. п. Необходимо заметить, что лишь в последние 2-3 десятилетия наука в доста­точной мере овладела, наконец, основными явлениями из области прохождения электрического тока через газы и пустоту. В связи с указанным пределы возможных практических приложений данных явлений еще далеко не достигнуты. Эти приложения находятся еще в начальной стадии, и естественно предполагать, что, благо­даря чрезвычайной легкости и простоте контроля над ионными и электронными разрядами, поле их приложений должно в будущем сильно расти. Особенно больших достижений должно ожидать в области электротехники сильных токов, где широкое применение приборов, основанных на использовании этих разрядов, может со временем совершенно изменить физиономию электропередаточ­ных и распределительных устройств.

ГЛАВА VII. Электродинамика.

Дата добавления: 2014-11-29