Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233

Время одного оборота электрона при его движении по окружности равно:

[сек].

(2-12)

Если электрон имеет составляющую скорости, параллельную магнитному полю, то он будет двигаться по спирали с постоянным радиусом R и шагом Р, где

mv si n t

P = 2* - \м).

(2-13)

(2-14)

где 8 - угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции В.

Сказанное иллюстрируется рис. 2-2, б.

Применение уравнений движения электрона в однородном магнитном поле поясняется следующим примером.

Пример 2-2

В однородное магнитное поле с магнитной индукцией 0,1 вб/ж2 введен электрон с начальной скоростью 104 м/сек. Направление начальной скорости электрона составляет угол 30° с направлением магнитного поля. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться электрон.

Решение

1. Определяем радиус спирали по формуле (2-13):

mv sin ( ~ёТГ

= 9Д1 • Ю~г • Ю4 • 0,5

1,60 • Ю-19 • 0,1 - = 2,85 • 10"7 м.

2. Определяем шаг спирали по формуле (2-14):

2к mv cos О

2л 9,11 1Q-31 104 0,866 ~ 1,60 10"19 • 0,1 ~~

= 3,1 • Ю-6 м.

2-1в. Движение электронов в однородном электрическом и магнитном полях. Движение электрона в электрическом и магнитном полях может быть определено путем решения уравнения (2-1) с учетом одновременного действия на электрон электростатического и магнитного полей. Рассмотрение нескольких частных случаев позволяет сделать сравнительно простые выводы, которые представляют определенный интерес.

Случай 1. Е параллельно В, v0 параллельно Е и В. В этом случае магнитное поле не оказывает влияния на движение электрона. Скорость электрона определяется уравнением (2-6); если начальная скорость электрона равна нулю, то уравнением (2-4).

Случай II. Е перпендикулярно В, Vo = 0. В этом случае электрон будет двигаться по циклоиде, как показано на рис. 2-3.

Случай III. Е перпендикулярно В, Vo перпендикулярно Е и В. Направление векторов Е, В и v0 показано на рис. 2-4. Сила маг-

нитного поля, действующая на электрон, будет направлена вниз, сила электрического поля - вверх. Если эти силы равны, то направление движения электрона и его скорость останутся



Рнс. 2-3. Траектория движения электрона, имеющего нулевую начальную скорость, в случае, если электрическое и магнитное поля перпендикулярны.

Рис. 2-4. Направление и величина начальной скорости электрона, при которых действие сил электрического и магнитного поля на электрон взаимно уничтожается.

без изменения. Это условие выполняется, когда начальная скорость электрона определяется выражением

у0 = - в [м/сек], (2-15)

где Е - отрицательный градиент потенциала. в м;

В -магнитная индукция, вб/м.

2-2. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

В проводнике часть валентных электронов каждого атома смещена относительно своего нормального положения благодаря соединению атомов в молекулы. Силы, удерживающие смещенные электроны, относительно малы, и поэтому электроны могут свободно двигаться в проводнике. Эти электроны, как известно, называют свободными электронами, и их упорядоченное движение внутри проводника представляет собой электрический ток. Тепловая энергия проводника заставляет свободные электроны, а также атомы и молекулы вещества находиться в постоянном движении. При увеличении температуры проводника скорость, а следовательно, и кинетическая энергия электронов увеличиваются.

2-2а. Работа выхода. В результате теплового движения электрон может получить скорость такой величины и направления, что он выходит за пределы проводника. При этом на поверхности проводника остаются положительные заряды. Электрон вернется обратно в проводник, если он не будет обладать достаточной начальной скоростью, чтобы преодолеть силу притяжения положительно заряженного проводника. Кинетическая энергия, которой должен обладать электрон, чтобы вылететь с поверхности проводника, называется работой выхода W. Работа выхода обычно измеряется в электроновольтах. В табл. 2-1 приведены значения работы выхода W для различных проводников.

При комнатной температуре кинетическая энергия свободных электронов в проводнике, обусловленная тепловым движением, недостаточна для выхода сколько-нибудь заметного количества электронов с поверхности проводника. Однако эмиссия электронов с поверхности проводника может быть значительно



товышена, если свободным электронам сооб-дить дополнительную энергию от другого источника, например облучать поверхность троводника светом, рентгеновскими лучами, юдвергать поверхность проводника бомбардировке частицами, имеющими большую скорость, или же увеличивать температуру проводника.

Таблица 2-1

Ориентировочные данные работы выхода для некоторых проводников

Металл

W, зв

А, а/см--град2

2,52

4,52

60,2

60,2

60,2

5,03

26,8

Оксидированный никель

1,0-2,0

0,01

Тантал...........

4,06

37,2

3,35

Торированный вольфрам

2,63

60,2

60,2

2-26. Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов с поверхности проводника, при которой :вободным электронам сообщается дополнительная энергия за счет увеличения температуры проводника. Зависимость эмиссии электронов с поверхности любого материала от абсолютной температуры и работы выхода для данного материала выражается уравнением

J = 1 000 А Г3 е

eW/kT

(2-16)

где J

плотность тока эмиссии, масм-; постоянная, зависящая от типа эмиттера (см. табл. 2-1); работа выхода эмиттера, эз; абсолютная температура, =К, k-постоянная Больцмана, равная 1,380 X

X 10я еЫ°К; е-заряд электрона, равный 1,60- 10~18 к; е = 2,718.

Уравнение (2-16) справедливо, если эмиттер находится в вакууме и если в вакууме находится другой электрод, положительный потенциал которого по отношению к эмиттирую-гцей поверхности достаточен, чтобы притянуть к себе все излучаемые электроны.

Эффективность термоэлектронного эмиттера определяется выражением

W-Т-

(2-17)

где Н - эффективность эмиттера, ма/вт; J - плотность тока эмиссии, ма/см3; Ра - расход мощности на нагревание единицы поверхности эмиттера, вт/см-1. 2-2в. Типы эмиттеров. Термоэлектронная эмиссия электронов с поверхности большинства материалов очень мала при температурах ниже 1 000° К. Хороший эмиттер должен иметь высокую эффективность при большом

сроке службы. Требования высокой рабочей температуры, большого срока службы и возможно более высокой эффективности эмиттера сводят практически применяемые эмиттеры к нескольким материалам. Это - вольфрам, торированный вольфрам, оксидированный никель или сплавы никеля.

Вольфрам. Работа выхода для вольфрама весьма высока по сравнению с другими материалами (см. табл. 2-1) Однако вольфрам имеет более высокую температуру плавления, чем любой другой металл (3 643 °К), и может работать при достаточно высоких температурах, давая при этом устойчивую и очень большую эмиссию на квадратный сантиметр эмиттера, не ухудшающуюся при испарении металла с поверхности. Вольфрамовые эмиттеры обычно работают при температурах 2 400 - 2 600° К. Вольфрам в основном употребляется в качестве эмиттера только в лампах большой мощности, где анодное напряжение превышает 3 500 в. В лампах этого типа эмиттер подвержен бомбардировке положительными ионами, образующимися в результате ионизации остатков газа. Положительные ионы обладают очень большой энергией благодаря высокому анодному напряжению. Эта бомбардировка не оказывает заметного влияния на срок службы эмиттера из чистого вольфрама и в то же время сильно сокращает срок службы других эмиттеров.

Торированный вольфрам. Одноатомный слой тория, осажденный на поверхность вольфрама, значительно снижает работу выхода электронов по сравнению с работой выхода для чистого тория или для чистого вольфрама (см. табл. 2-1). Это объясняется тем, что слой тория заряжен положительно по отношению к вольфраму и на границе между двумя металлами создается сильное электрическое поле. Поэтому торированный вольфрам будет излучать в несколько тысяч раз больше электронов с единицы поверхности, чем чистый вольфрам, работающий при той же температуре. Чтобы образовать одноатомный слой тория на поверхности вольфрама, эмиттер, содержащий окись тория, кар-бидируется и затем прокаливается при температуре 2 600-2 800° К в течение 1-2 мин. При этом углерод восстанавливает часть окиси тория в чистый торий. Затем температуру понижают до 2 100° К и прокаливают эмиттер в течение 15-30 мин, чтобы дать возможность образовавшимся атомам тория диффундировать нз вольфрама на его поверхность. Торий, который испаряется с поверхности эмиттера, непрерывно возмещается новыми атомами тория, диффундирующими изнутри вольфрама к его поверхности.

Чтобы свести к минимуму испарение тория с поверхности эмиттера и уменьшить влияние бомбардировки положительными ионами, поверх слоя тория наносится слой карбида вольфрама. Это делается путем прокаливания эмиттера в атмосфере паров углеводородов Наружный слой карбида вольфрама дает возможность работать при более высокой температуре без значительного испарения тория. Нормальная рабочая температура для такого эмиттера около 1 900° К.

Оксидные эмиттеры. В оксидном эмиттере керн из никеля нли сплава никеля покрывается



смесью карбонатов бария и стронция. После активирования такой эмиттер имеет работу выхода только 0,5-1,5 эв, что позволяет получить высокий ток эмиссии при рабочих температурах 1 ООО-1 150° К. Процесс активирования заключается в нагревании эмиттера в вакууме до температуры примерно 1 500° К. При этом карбонаты переходят в оксиды с выделением углекислого газа, который должен быть удален. Углекислый газ можно удалить путем откачки, но чаще применяют испарение внутри баллона металлического «геттера», который химически соединяется с углекислым газом. Затем эмиттер прогревается при температуре примерно 1 150° К. Одновременно через высокое сопротивление на анод подается напряжение около 100 в. При этих условиях образуются атомы чистого бария и стронция, которые диффундируют на поверхность. Постепенно электронная эмиссия доходит до устойчивого значения. Хотя точный механизм эмиссии недостаточно изучен, однако считают, что эмиссионный ток создается непосредственно свободным металлом, который диффундировал на поверхность, или действием полупроводникового слоя, который образовался благодаря присутствию свободного металла на поверхности катода. Оксидные эмиттеры обычно работают при температурах 1 000-1 100° К.

Оксидные эмиттеры широко используются, так как они дают более высокий ток эмиссии на 1 вт мощности, затраченной на накал. С другой стороны, бомбардировка положительными ионами сильно разрушает поверхность эмиттера, и поэтому, за исключением специальных случаев, оксидные эмиттеры применяются только в лампах, работающих при анодных напряжениях менее 1 000 в *.

водятся сравнительные данные трех типов термоэлектронных эмиттеров.

Высказанное справедливо только в случае, если все эмиттируемые электроны попадают на другой электрод с достаточно высоким положительным напряжением, чтобы воспрепятствовать образованию пространственного заряда внутри лампы (см. пп. 2-За и 2-36).

2-2 г. Катоды электронных ламп. Эмиттер в электронной лампе называется катодом. Катоды, применяемые в электронных лампах, могут быть двух типов: катоды прямого накала и катоды косвенного накала. Типичные конструкции катодов прямого накала показаны на рис. 2-5, а. Нить нагревается путем пропускания через нее электрического тока. Катоды из вольфрама и торированного вольфрама всегда прямого накала, оксидные катоды тоже могут быть прямого накала. Однако большей частью оксидные катоды изготовляются косвенного накала. Несколько типов конструкций катодов косвенного накала приведено на рис. 2-5, б. Катод состоит из металлического цилиндра, обычно никелевого, который покрывается оксидным слоем, как описано в § 2-2в, Внутри цилиндра находится нить накала, которая электрически изолирована от цилиндра.

Недостатком катода прямого накала является то, что прн нагревании его переменным током результирующее электрическое поле и переменное падение напряжения на нити приводят к пульсациям анодного тока лампы. Кроме того, при использований в схеме нескольких ламп все лампы должны работать прн одинаковом потенциале катода, в противном случае нужно применять отдельные источники накала. В лампах с катодами косвенного накала катод имеет эквипотенциальную по-

Таблица 2-2

Сравнительные данные наиболее распространенных эмиттеров

Эмиттеры

Нормальная рабочая температура,

Эффективность эмиттера, ма/вт

Плотность тока эмиссии, а/см2*

Оксидный катод прямого накала ........

Оксидный катод косвенного накала.......

2 400-2 600

1 900 1 000 -1 100 1 000-1 100

2-10 50-100 200-1 000 10-200

0,1 -1 0,7-3 0,4-3 1-3

Данные приведены для режима постоянного тока (среднего тока эмиссии). (Прим. ред.)

Оксидные катоды способны давать очень большую эмиссию в течение нескольких микросекунд. Поэтому оксидные катоды применяются в мощных импульсных магнетронах, в которых при среднем токе 10 ма пиковое значение тока может достигать 10-20 а **. В табл. 2-2 при-

* В настоящее время оксидные эмиттеры достаточно часто используются при анодных напряжениях свыше 1 000 в. Это достигается путем совершенствова ния оксидных эмиттеров, повышения вакуума, введе иия ионных ловушек и других средств, ослабляющих вредную роль бомбардировки поверхности эмиттера положительными ионами.

** В современных импульсных магнетронах и других приборах сверхвысоких частот применяются не только оксидные катоды, но также торированные, натриевые, L-катоды и др., способные отдавать средний ток, исчисляемый сотнями миллиампер и тысячами ампер в импульсе. (Прим. ред.)

верхность, а поля, создаваемые подогревателем, экранированы металлическим цилиндром. Большинство катодов косвенного накала имеет достаточно хорошую электрическую изоляцию между цилиндром катода и подогревателем, что допускает разность потенциалов между ними 100 в и более. Этого достаточно в большинстве случаев для того, чтобы все лампы в схеме работали от общего источника накала.

Преимуществами катода прямого накала является малое время прогрева (для миниатюрных приемных ламп примерно 1-2 сек по сравнению с 10 сек для ламп с катодами косвенного накала ) и более высокая эффектив-

1 Приведенные данные являются неточными, некоторые типы ламп прямого накала имеют время прогрева катода доли секунд, в то время как приемно-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233



0.0016