Главная Электровакуумный прибор с термоэлектронным катодом



ствию переменного электрического поля. В результате скорость электронов и объемная плотность заряда, а вместе с ними и конвекционный ток в каждом сечении системы определяются интегральным действием приложенных напряжений за время пролета, а не напряжением в данный момент времени.

Поясним сказанное примером. Электрон, покидающий катод Б момент времени о, достигает рассматриваемое сечение х в момент t и имеет при этом скорость v{x, t), сообщенную ему за время пролета электрическим полем. Отсюда следует, что скорость v{x, t) определяется интегральным действием приложенных напряжений за интервал времени от ДО t, а не напряжениями, приложенными в момент t.

В статическом режиме напряжения не изменяются и скорости электронов однозначно определяются их величиной в любой момент времени (в частности, ri в момент времени t). В динамическом режиме они зависят от закона изменения напряжений за время пролета t - ta. Следовательно, при одних и тех же значениях мгновенных напряжений, но при разных законах их изменения скорости электронов имеют различную величину.

Так как за время пролета электрона через разрядную систему при более быстром изменении приложенных напряжений последние изменяются на большую величину, чем при более медленном, то скорость v{x, t) зависит от частоты приложенных напряжений и от их формы. При напряжениях определенной формы, например синусоидальных, скорость v{x, t) зависит и от их амплитуд. Чем больше амплитуды, тем при данной частоте больше изменения приложенных напряжений за время пролета. Скорость v{x, t) электрона зависит также и от направления изменения напряжений (при тех же их мгновенных значениях). В периоды уменьшения напряжений скорость будет больше, чем в периоды их увеличения.

Попутно заметим, что в динамическом режиме скорость электронов нельзя определять по ф-ле (1.16). В частности, в этом режиме электроны могут попадать на электроды, находящиеся относительно катода не только под положительным, но и под отрицательным потенциалом.

Рассмотрим, например, случай, когда к диоду приложено переменное напряжение. Пока анод находится под положительным потенциалом, электроны выходят из катода и, двигаясь к аноду, запасаются кинетической энергией. При изменении полярности напряжения на аноде электроны тормозятся его полем, но за счет ранее накопленной энергии продолжают удаляться от катода. Электроны, которые в предыдущий полупериод запаслись достаточно большой энергией, преодолевают тормозящее поле и попадают на анод, остальные отражаются полем и возвращаются к катоду.

Аналогично можно показать, что особенности динамического режима, установленные при рассмотрении скоростей электронов, распространяются и на объемную плотность заряда, а следователь-28

j(t,

но, на конвекционные токи в промежутках и на токи во внешних цепях.

Ток в промежутке электронной лампы, работающей в динамическом режиме, имеет две составляющие. Одна из них так же, как и в статическом режиме, определяется переносом электричества летящими электронами и является конвекционным током. Вторая возникает в результате изменений во времени электрического поля и является током смещения.

В динамическом режиме конвекционный ток изменяется не только во времени (в каждом сечении д:), но в отличие от статического режима и вдоль промежутка (в каждый момент времени t он имеет в разных сечениях различные значения). Докажем последнее упрощенно, предполагая, что конвекционный ток в сечении х (рис. 1.4а) в момент времени t пропорционален конвекционному току в плоскости катода в момент времени to - тот момент, когда электроны, находящиеся в сечении х, покидают катод. Так как на пролет от катода до различных сечений рассматриваемого промежутка электроны затрачивают различное время t - to, а конвекционный ток в плоскости катода изменяется во времени, то в данный момент времени i в различных сечениях конвекционные токи имеют разную величину.

В более удаленном сечении конвекционный ток пропорционален конвекционному току у катода в более ранний момент времени о-

Возможное распределение конвекционного тока по промежутку представлено на рис. 1.12 пунктирной линией. Оно относится к определенному моменту времени t и в соответствии с изменением приложенных напряжений изменяется во времени. Иллюстрационный характер имеет и кривая распределения конвекционного тока по промежуткам многоэлектродной системы, показанная на рис. 1.48. Она также относится к определенному моменту времени t. Разрывы кривой в плоскостях сеток объясняются попаданием части электронного потока на их проволоки (конвекционные токи с одной и с другой стороны от сетки имеют различные значения).

Плотность тока смещения в сечении х в момент времени t, как известно, пропорциональна скорости изменения напряженности электрического поля Е{х, t) и определяется выражением

Рис. 1.12

JcM (•*. Ч - 0

(1.35)



Так же как и конвекционный, ток смещения изменяется во времени и по промежутку. Последнее непосредственно вытекает из закона непрерывности полного тока. Так как полный ток j{t) в каждый момент времени вдоль данного промежутка остается постоянным (рис. 1.12), а конвекционный ток изменяется при переходе от сечения к сечению, то и ток смещения зависит от координаты X. В каждом сечении он дополняет конвекционный ток до полного.

Ток смещения имеет две составляющие. Изменение во времени напряженности внешнего поля определяет одну из них. Вторая зависит от скорости изменения поля пространственного заряда. Заметим, что в статическом режиме ток смещения отсутствует, так как при постоянных напряжениях на электродах внешнее поле и поле пространственного заряда во времени не изменяются. С другой стороны, в динамическом режиме ток смещения существует и при холодном катоде. В этом случае он определяется изменениями внешнего поля и является током через междуэлектродную емкость промежутка. Плотность его равна

LAt)-cl, (1.36)

при плоско-параллельной системе электродов она не зависит от х. Здесь С - междуэлектродная емкость на единицу поверхности электродов, а u{t) - напряжение, приложенное к электродам, ограничивающим промежуток.

Плотность полного тока в промежутке с использованием выражений (1.21) и (1.35) можно записать в следующем виде:

/ (О = Ue {X, t) + (X, О = Р {X, t) V {X, t) + 8о ibJl. (1.37) Так как согласно ф-ле (1.19)

-о дх а+о dt -

Это наиболее общее выражение для полного тока в промежутках лампы, работающей в динамическом режиме, используется ниже.

При качественном рассмотрении воспользуемся выражением (1.37), предварительно преобразовав его. Умножим все его члены на dx и проинтегрируем по промежутку от а- = 0 до л; = г (рис. 1.12) г.

г г г

j/(Odx = иЛ, t)dx + B,jdx.

Поскольку j{t) не зависит от х, а знак частной производной можно вынести за знак интеграла (выражение интегрируется по х. а производная берется по времени), то

j{t) = -yi.o.s(x, t)dx+jJE{x, t)dx.

Здесь E{x, t)dx и [{х, t)dx являются соответственно разно-

стями потенциалов на элементе тельно.

dx и на промежутке. Следова-

i{t)=-y\ucHe{x, t)dx+C

du(t) dt

(1.39)

где междуэлектродная емкость

(1.40)

в этом выражении первый член представляет собой среднее значение плотности конвекционного тока в промежутке в момент времени t, а второй - ток смещения при холодном катоде, т. е. при отсутствии поля пространственного заряда. Таким образом,

]{t) = UoHscAt) + C. (1.41)

Физический смысл /конвср (О следующий. Так как полный ток

duit)

состоит из конвекционного тока и тока смещения, а С-- есть

составляющая тока смещения, возникающая только за счет изменения внешнего поля, то /коивср {t) является составляющей полного тока, создаваемой электронным потоком. Она состоит из конвекционного тока и той части тока смещения, которая вызывается изменениями поля пространственного заряда. На рис. 1.12 штрих-пунктирной линией показан уровень тока /«океср (О-,Разность полного тока ](t) и тока /коявсрСО является током С- .

При расчете электронных схем междуэлектродную емкость промежутка часто причисляют к элементам схемы, подключаемой к лампе (междуэлектродную емкость «выносят» из лампы) и под полным током промежутка понимают лишь ток, создаваемый электронным потоком. При этом

j (t) = J- }конв {X, t) dx = }конв CP (t).

(1.42)

Ha рис. 1.4e показано определение полных токов ji{t), hit)-в промежутках многоэлектродной системы. В каждом промежутке полный ток равен среднему значению конвекционного тока.



Токи во внешних цепях, которые, как и в статическом режиме, наводятся электронами, летящими в промежутках, можно найти, зная токи в промежутках. Катодный ток

/«W = /i(0 = /«o«ecpi(0.

(1.43)

В отличие от статического, в динамическом режиме он не пропорционален количеству электронов, покидающих катод в данный момент времени. Из рис. 1.4в следует, что конвекционный ток в плоскости катода не равен среднему значению конвекционного тока в промежутке.

Ток первой сетки

igi (О = Ji (О - h (О = 1конвcpi (О- /

коне СР

it);

(1.44)

он так же, как и катодный ток, не определяется количеством электронов, попавших на нее. В частности, он может существовать, когда электроны на сетку не попадают (разность средних значений конвекционных токов в промежутках, прилегающих к сетке, не равна нулю), и отсутствовать даже тогда, когда на сетку попадают электроны (разность средних значений конвекционных токов равна нулю).

Аналогичные формулы можно написать и для токов jg2{t) ,...,ja{t) (рис. 1.4в) в цепях остальных электродов.

• КВАЗИСТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

В электронных схемах электронные лампы работают только в динамическом режиме. Однако в большинстве случаев имеем дело с относительно медленными изменениями приложенных напряжений, когда за время пролета электрона через разрядную систему приложенные напряжения остаются практически постоянными. Опыт показывает, что для большинства обычных электронных ламп последнее справедливо, если частота приложенных напряжений не превосходит 100-300 Мгц.

В этом случае состояние разрядной системы в каждый момент времени однозначно определяется мгновенными значениями напряжений, приложенных к электродам, и не зависит ог их частоты, формы и амплитуды (в интервале времени пролета t-to напряжения практически остаются постоянными и равными напряжениям в момент t). Другими словами, в каждый данный момент времени состояние системы подчиняется законам, справедливым для статического режима. В частности, в этом режиме конвекционные токи в промежутках зависят только от времени (в каждом из них ток имеет одно и то же значение) и, следовательно, токи во внешних цепях пропорциональны количеству электронов, попадающих на электроды за 1 сек. 32

Динамический режим при медленных изменениях приложенных напряжений называется квазистатическим. В последующем изложении изучается работа электронных ламп в статическом и квазистатическом режимах. Динамическому режиму посвящена гл. 6.

• РЕАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЛАМПЫ

Из рассмотренного принципа действия электронных ламп следует, что токи, протекающие в ее внешних цепях, однозначно определяются напряжениями, приложенными к электродам. Однако это справедливо лишь для идеальных электронных систем. В реальных лампах при данных приложенных напряжениях токи могут принимать различные значения, которые в процессе эксплуатации ламп могут изменяться. Ниже коротко рассматриваются основные причины этих явлени-й.

1. Остаточные газы в баллоне лампы. Наличие нх объясняется как несовершенством применяемых методов откачки газа, так и выделением из электродов газов, поглощённых ими в процессе производства лампы. Несмотря на яополь-эование специальных газопоглотителей (§ 1.2), давление остаточных газов не опускается ниже 10--Ю- мм рт. сг. Особенно сильно оно возрастает при нагревании электродсш лампы, когда выделение оклюдированных в них газов прсгаоходит наиболее интенсивно.

Газ в баллоне приводит к появлению в последнем положительных ионов. Если энергия электронов превосходят эяергию (потенциал) .ионизации газа, то возникает ионизация. Атом, потерявший электрон, несёт положительный заряд н называется положительным ионом. При ухудшении вакуума и увеличении энергии электронов количество положительных ионов в разрядных промежутках возрастает.

Роль положительных ионов заключается в том, что они создают электрическое поле, компенсирующее поле пространственного заряда электронов. В результате при тех же напряжениях на электродах количество электронов, покидающих катод, и т0к1и во внешних цепях ламиы возрастают. Изменение давления остаточных газов влечёт за собой и изменение токов)•

В некоторых случаях приходится принимать во внимание и так называемые ионные токи, создаваемые ионами. Под действием электричеокого поля ионы двигаются в сторону катода и наводят во внешней цепи токи, В лампе с хорошим вакуумом ионные токи имеют небольшую величину (несколько десятых нли даже сотых долей микроампер) и их учитывают лишь в цепях обесточенных электродов, т. е. электродов, находящихся под отрицательным напряжение»!. В § 3.4 этот вопрос рассматривается подробиее.

2. Изменение эмиссионных свойств катода. Эмиссионная способность катода зависит в основном от физико-химического состояния его эмитирующего слоя. В § 1.2 показано, что в процессе эксплуатации лампы свойства эмитирующего слоя изменяются и соответственно ему меняется эмиссионный ток. При одних я тех же напряжениях на электродах, но различшой эмиссионной способности катода токи во внешних цепях имеют различные значения.

К изменению эмиссионных свойств катода могут привести и остаточные га-

> Стремление (оправдываемое возможностью уменьшения рабочих напряжений) увеличить токи введением в лампу газа привело к многочисленным разработкам газонаполненных электронных ламп. Однако они не применяются до сих пор, так как работают неустойчиво. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению давления газа и токов. Кроме того, при газовом эаполнении появляется опасность возникиовенил газового разряда.

2 Зак. 1504 33



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20


0.0147