Электроника оптоэлектронные средства передачи и обработки информации

А.Ф. Злобина

Конспект лекций

1998

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра электронных приборов (ЭП)

УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой ЭП ________ Шандаров С.М.

ЭЛЕКТРОНИКА. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Конспект лекций для студентов специальности “Промышленная электроника” дистанционной заочной формы обучения

Разработчик: доцент каф. ЭП ________А.Ф. Злобина “____” __________ 1998 г.

1998

2

СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение..........................................................................................4 2. Эмиссионная электроника.............................................................5 2.1. Материальные среды...............................................................5 2.2. Энергия электронов в кристалле.............................................11 2.3. Электрические свойства кристаллов.......................................15 2.4. Плотность энергетических уровней........................................18 2.5. Поверхностный потенциальный барьер.................................20 2.6. Термоэлектронная эмиссия.....................................................21 2.7. Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэмиссию......22 2.8. Электростатическая эмиссия...................................................24 2.9. Фотоэмиссия............................................................................24 2.10. Вторичная эмиссия.................................................................26 3. Токопрохождение в вакууме..........................................................28 3.1. Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитных полях......................................................................28 3.2. Электрический ток в вакууме при наличии объемного заряда........................................................................................31 3.3. Токопрохождение в диодном промежутке..............................33 3.4. Токопрохождение в триодном промежутке............................40 4. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)...............................................45 4.1. Фокусировка электронного потока в электрических полях...45 4.2. Фокусировка магнитным полем..............................................47 4.3. Устройство ЭЛТ.......................................................................48 4.4. Модуляция электронного луча по плотности.........................50 4.5. Отклоняющие системы.............................................................52 4.6. Частотные свойства отклоняющих пластин...........................53 4.7. Магнитная отклоняющая система...........................................54 4.8. Экран........................................................................................57 4.9. Осциллографические трубки...................................................60 4.10. Радиолокационные трубки....................................................61 4.11. Дисплей...................................................................................62 4.12. Запоминающие трубки (потенциалоскопы)..........................62 4.13 Кинескоп..................................................................................64 4.14 Передающие телевизионные трубки......................................66 5. Фотоэлектронные приборы...........................................................71 5.1. Фотокатоды.............................................................................71 5.2. Электронный фотоэлемент......................................................71 5.3. Ионный фотоэлемент...............................................................73 5.4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)....................................74 5.5. Микроканальные пластины.....................................................76 5.6. Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы)................77 6. Ионные и индикаторные оптические приборы.............................83

72

Анод

hν Катод

Uвых + Ea

Рис.5.1 - Схема включения фотоэлемента На фотокатод подает квант света hv . При освещении фотокатода он начинает эмиттировать электроны и в анодной цепи возникает ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока Ф

I a = К ⋅ Ф,

где К - интегральная чувствительность.

К=

Ia Ф

(мкА/лм).

Интегральная чувствительность показывает величину анодного тока в микроамперах, вызываемого световым потоком в один люмен, полученном от источника света определенного типа. Е а = 150 ÷ 200 В.

U R = I a R н = R н КФ.

Интегральная чувствительность достигает К = 100 мкА/лм. Важным параметром фотокатода является его спектральная чувствительность К λ , которая характеризует величину фотоэлектронной эмиссии, возникающей под действием светового потока Ф определенной длины волны

Кλ =

Iа . Фλ

Кλ Сурьмяно-цезиевый Кислородноцезиевый

λ Рис.5.2 - Спектральные характеристики фотокатодов

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой фотокатода. Видно, что катоды сильно отличаются по спектральной чувствительности (рис.5.2).

Анодная характеристика элемента I a = f ( U a) , режимы прохождения тока, способы расчета представлены в главе 3.3.

73

Ia

Ф1

(мкА)

Ф2

Ф1 > Ф2

Ua Рис.5.3 - Анодные характеристики На рис.5.3 представлены анодные характеристики электронного фотоэлемента при разных потоках света. Зависимость тока фотоэлемента от величины светового потока I a = f ( Ф) при U a = const называется световой характеристикой. Эта характеристика линейна.

5.3. Ионный фотоэлемент При наполнении фотоэлемента инертным газом (гелий, неон) появляется возможность повысить чувствительность прибора путем зажигания несамостоятельного газового разряда. Вольт-амперная характериIа стика ионного фотоэлемента 1 2 3 I a = f ( U a) при Ф = const представлена на рис. 5.4 Наблюдают три области на I а = I раб характеристике при изменении напряжения на аноде: I а = I н ас 1 - режим пространственного разряда; 2 режим насыщения Ua ( I а = I эм ); Рис.5.4 - Вольт-амперная характери3 - режим газового усиления. стика ионного фотоэлемента. Когда напряжение на аноде становится достаточно большим, в приборе возникает ударная ионизация газа и ток анода увеличивается, следовательно, увеличивается и чувствительность прибора. Отношение тока в рабочей точке к току насыщения называется коэффициентом газового усиления:

74

k г у=

I раб . I н ас

Обычно он имеет величину 5÷8. Дальнейшее увеличение коэффициента невозможно из-за опасности возникновения тлеющего разряда.

5.4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) Фототок мал, измеряется в микроамперах и практически в приборах необходимо его значительное усиление. В ФЭУ для этого используется вторичная эмиссия (рис.5.5). 2

5

1

3

3

Д1

Д3

hv

4 3 R1

R2

R3

Ea

Д2

R4

R5

R6

+

Рис.5.5 - Схема ФЭУ 1 - полупрозрачный фотокатод,2 - диафрагма, 3 - диноды, 4 - анод, световой поток, 5 - кольцо.

hv -

Световой поток падает на полупрозрачный фотокатод 1 и выбивает из него электроны, которые попадают в ускоряющее поле диафрагмы 2. ФЭУ прибор высоковакуумный, и электроны, двигаясь к аноду, не сталкиваются с атомами. Ускоренные и сфокусированные диафрагмой 2 и кольцом 5 электроны направляются на динод 3. Диноды (вторичные эмиттеры) обладают значительным коэффициентом вторичной эмиссии ( σ ). Выбитые из Д1 вторичные электроны направляются на следующий динод Д2, имеющий более высокий потенциал, и также выбивают из него вторичные электроны в еще

75

большем количестве и т.д. Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего электрода к последующему. Напряжение на электроды ФЭУ подается от делителя напряжения (R1 - R6), обычно рабочее напряжение делится между каскадами ФЭУ. Каждая из ступеней умножения фототока дает усиление в σ раз, а общее усиление ФЭУ, если динодов n равно М = σ n. Например, при σ =10 и n=10 в ФЭУ можно обеспечить усиление 1010 раз. Практически такой коэффициент не получается из-за потери электронов при переходе с одного динода на другой. Обозначив коэффициент передачи тока от одного динода на другой - α и полагая его величину одинаковой для всех ступеней умножения, получим коэффициент усиления М = σ nα n . Обычно коэффициент передачи тока α =0,6÷0,9. Для обеспечения эффективной фокусировки электронного потока, обеспечивающей высокий коэффициент передачи тока, динодные системы делят на три класса: 1) системы с электростатическими полями; 2) системы с магнитными и электростатическими полями; 3) системы с магнитным и высокочастотными электрическими полями. Форма и расположение динодов ФЭУ определяется методом моделирования. Требование к материалам, используемым в динодах ФЭУ: 1) способ получения материалов динодов, обеспечивающих высокую вторичную эмиссию должен быть простым и не оказывать вредного воздействия на параметры фотокатода; 2) динод должен обладать высоким коэффициентом вторичной эмиссии при небольших энергиях первичных электронов (∼100 эВ); 3) динод должен обладать минимальной термоэлектронной эмиссией, ибо это источник шума; 4) динод должен быть термостойким и обладать высокой стабильностью при электронной бомбардировке; его вторично-эмиссионные свойства не должны изменяться со временем. Число ступеней умножения может доходить до 23. Напряжение питания зависит от числа динодов и достигает 2500÷3000 В. Интегральная чувствительность ФЭУ ( К ф ) равна произведению интегральной чувствительности фотокатода ( К к ) на коэффициент усиления ФЭУ. Кф= М ⋅Кк.

76

Интегральная чувствительность фотокатода такая же, как в электронном фотоэлементе (20÷100 мкА/лм) и при коэффициенте усиления 106 интегральная чувствительность ФЭУ достигает 100 А/лм. Выходной ток достигает величины 10 мА.

5.6. Микроканальные пластины Микроканальные пластины (смотри рис. 5.10) нашли применение в электронно-оптических преобразователях и в электронно-лучевых приборах, в которых МКП размещается перед экраном. При этом резко улучшаются все параметры прибора при значительно меньших токах пучка. Микроканальные пластины применяются и в ФЭУ для улучшения временных характеристик. В канале пластины диаметром от единиц до десятков микрон создается сильное электрическое поле (10 кВ/см). В канале длиной l=2 мм при напряжении на аноде U а =1300 В, диаметре канала d=40 мкм среднее время пролета электрона составляет τ ≈ 0 ,7 нс. Разброс по времени ∆τ = 0 ,2 нс. Получены ФЭУ с коэффициентом усиления М = 10 11 при U = 1 кВ на единичной микропластине. При умножении электронов в канале образуются ионы, число которых зависит от остаточного газа и от газа, поглощенного стенками. Интенсивная ионизация газа наблюдается на последних 30% пути в канале, где плотность электронов наибольшая. Ионы ускоряются к фотокатоду, бомбардируют его, а это искажает временные характеристики и разрушает катод. При этом значительно сокращается срок службы. Чтобы избежать этого, совершенствуют технологию откачки, улучшают обезгаживание электродов, применяют МКП с криволинейными каналами, устанавливают две или три пластины с прямолинейными наклонными каналами, чтобы затруднить движение ионов к катоду. В результате коэффициент усиления снижается до 106, а срок службы возрастает в несколько раз. В передающих современных трубках на вход микроканальной пластины методом распыления наносят алюминиевую пленку толщиной 13 нм (рис.5.10).

77

1

2

e

3

4

+ Uа

hv

Рис.5.10 - Схема ФЭУ с алюминиевой пленкой На фотокатод 1 падает поток света ( hv ). Электроны эмиттируются фотокатодом и попадают в ускоряющее поле анода (4). Однако на их пути расположена алюминиевая пленка 2 и микроканальная пластина 3. Электроны, ускоренные до энергии ∼ 1,3 кэВ, проникают через алюминиевую пленку и ударяются многократно в канале пластины. Внутренняя поверхность канала имеет коэффициент вторичной эмиссии σ >> 1 . Обеспечивается в одной пластине коэффициент усиления К = 10 10 . В конце пути в канале образуются ионы, которые полем анода ускоряются в противоположном направлении к катоду. Однако алюминиевая пластина для ионов непреодолимое препятствие, они не могут пройти через нее, поскольку имеют большую массу, а ,следовательно, значительно меньшую скорость. В результате алюминиевая пластина решила почти все проблемы, стоящие перед МКП. Сейчас они широко применяются в передающих ЭЛТ.

5.6. Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы) Мы живем в мире, пронизанном электромагнитным излучением. Лишь очень узкая полоса в спектре этого излучения - видимый свет. Участок спектра, в котором λ излучения изменяется в 2 раза - называется октавой. Видимый свет - 1 октава (0,4÷0,76 мкм). Ультрофиолет - 5 октав. Инфракрасное - 9 октав. Чтобы сделать изображение объекта, излучающего в инфракрасной области, видимым, надо перенести изображение из одной области спектра в другую. Для этого служит ЭОП, он переносит изображение из одной области спектра в другую, усиливает его (рис.5.11).

78

1

2

1 3 1 1 5 4 Рис.5.11- Схема одноканального ЭОПа

Это простейший одноканальный ЭОП. Изображение объекта 1 с помощью линзы 2, пригодной для работы в соответствующей области спектра, проецируется на полупрозрачный фотокатод 3. Фотокатод занимает всю торцевую поверхность прибора. Эмиттируют электроны только те участки фотокатода, на которые упал световой поток от объекта. В результате фотоэмиссия с фотокатода представляет из себя электронное изображение объекта. На этом этапе световое изображение от объекта преобразовано в электронное. Электронное изображение фокусируется электронными линзами, образуемыми электродами 4. Кроме того, эти электроды ускоряют электронное изображение. Электроны достигают энергии ∼ 20 кэВ. С такой энергией поток электронов, который имеет форму объекта, приходит на экран 5 и вызывает его свечение. Экран занимает всю торцевую, противоположную фотокатоду, поверхность прибора. На экране обеспечивается свечение только тех участков, куда попадает поток электронов. Это и есть изображение объекта. На этом этапе происходит преобразование электронного изображения в видимое. В электронно-оптическом преобразователе присходит двойное преобразование из невидимого спектра в электронное изображение, из электронного - в видимое на люминесцентном экране. Состав люминофора экрана подобран так, чтобы получилось яркое и контрастное изображение в видимом свете. Параметры ЭОПов Коэффициент преобразования по яркости энергетической светимости экрана катода Е к

Еэ

ηВ

к энергетической освещенности фото-

η В = Е э = Фэ А э , где Ф - поток излучения; А - площадь изображения;

показывает отношение

Е к Фк А к

79

η = Фэ - коэффициент преобразования потока излучения.

Фк

Можно представить

ηВ = η

1

Γ

2

,

где Γ - электронно-оптическое увеличение, равное отношению линейного размера изображенного объекта на экране к изображению на фотокатоде. Методы усиления яркости изображения 1) Увеличение чувствительности фотокатода. 2) Увеличение световой отдачи экрана. 3) Увеличение Uуск. 4) Уменьшение размеров на экране по сравнению с фотокатодом. Все это дает усиление яркости на 2÷3 порядка, а надо зачастую 106. Двухкамерные ЭОПы (см. рис.5.12) обеспечивают усиление на 1 - 2 порядка. 1

2

3

1`

2`

3`

Рис.5.12 - Схема двухкамерного ЭОПа 1, 1` - фотокатоды; 2, 2` - фокусирующие и ускоряющие электроды; 3, 3` - экраны. Многокамерные ЭОПы (см. рис.5.13) усиливают сигнал на три порядка.

80

1

2

3

1

4

2

3

1

4

2

3

1

4

Рис.5.13 - Схема многокамерного (3) стекловолоконного ЭОПа 1 - стекловолоконные блоки; 2 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 3 - фотокатоды; 4 - экраны. ЭОП из отдельных трех модулей. На входе и выходе модули имеют стекловолоконные блоки, они состоят из тонких параллельных стеклянных световодов. Это - прохождение света по стекловолокну. Стеклянные волокна 2, окружены оболочкой 1 из стекла с меньшим коэффициентом преломления. Волокна спрессованы и спечены так, что блок является ваку1 умно плотным. Наружные торцевые поверхности блоков плоские, внутренние поверхности, на которые наносится экран или фотокатод, вогнутые. Контакт модулей механический. Излучение, вошедшее в торец световода, проходит по нему практически без потерь. Коэффициент пропускания светового потока до 60%, это ниже ,чем в многокамерном со стеклянной перегородкой. 2

81

Микроканальные пластины МКП 1

2

3

4

а)

б)

Рис.5.14 - Схема ЭОПа с микроканальной пластиной (а), умножение электронов в канале МКП (б): 1 - фотокатод; 2 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран. МКП - это стеклянная пластина толщиной 0,5- 1,5 мм, пронизанная множеством каналом диаметром 15÷25 мкм, внутренняя поверхность которых покрыта материалом с большим σ>>1. Каждый канал - фотоумножитель. Усиление фототока в каждом канале достигает 106 независимо один от другого. Электроны из каждого канала попадают в соответствующую точку экрана, формируя изображение. Нет электронной фокусировки, на 1 мм2 - 4000 каналов - поэтому изображение контрастно. МКП обеспечивает усиление 106 раз. Рентгеновский ЭОП (рис.5.15) Применяется, чтобы повысить яркость изображения. 1 2 3 4 5 6

hv

Рис.5.15 - Схема рентгеновского ЭОПа: 1 - объект, который просвечивается рентгеновскими лучами; 2 - экран; 3 - тонкая прозрачная пленка; 4 - фотокатод;

82

5 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 6 - экран. Рентгеновские лучи проходят сквозь объект и попадают на экран, преобразуясь в световое излучение. Экран изготовлен из рентгеновского люминофора. Световое изображение через пластину попадает на фотокатод и преобразуется в электронное. После ускорения в электрическом поле электронное изображение уменьшается в 25 - 200 раз (по площади) и превращается в световое. С помощью оптической системы световое изображение можно снова увеличить до необходимых размеров. Усиливается яркость в несколько тысяч раз. Это позволяет: 1) снизить дозу облучения; 2) диагносцировать в незатемненном помещении; 3) можно подавать изображение потом на любую аппаратуру. Применяются эти ЭОПы и для дефектоскопии.

6. ИОННЫЕ И ИНДИКАТОРНЫЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 6.1. Явление газового усиления Прохождение тока через газообразную среду называют газовым разрядом. Все газовые разряды можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Разряд - несамостоятельный, если он горит только при подаче электронов в разрядный промежуток. Причем электроны могут подаваться от любого катода (термокатода, фотокатода). Как только электроны перестают эмиттироваться катодом, разряд гаснет. Самостоятельный разряд развивается от “случайных электронов” (рентгеновское облучение солнцем) и горит только при подаче напряжения между анодом и катодом. Катоды в самостоятельном разряде как правило холодные. Рассмотрим развитие лавины в несамостоятельном разряде (рис.6.1). На катод падает поток света ( hv ) и обеспечивает выход электронов с катода за счет фотоэмиссии. Электроны ускоряются в промежутке анод-катод ( d ) на расстоянии, равном средней длине свободного пробега, набирают энергию, достаточную для ионизации атомов. Происходит ионизация атомов, в результате появляется еще один электрон и ион. Ион движется к катоду, а два электрона - к аноду. В следующий акт ионизации образуются 4 электрона и 2 иона и т.д. Появляется так называемая лавина. Ионы, бомбардируя катод, вызывают дополнительную ионно-электронную эмиссию с катода, увеличивая число частиц в последующей лавине.

3

6.1. Явление газового усиления......................................................82 6.2. Условие возникновения самостоятельного разряда.Виды разрядов.....................................................................................83 6.3. Свойства тлеющего разряда.....................................................85 6.4. Индикаторные панели..............................................................86 6.5. Тиратроны тлеющего разряда.................................................91 7.Оптическая связь..............................................................................95 7.1. Лазерное усиление.....................................................................96 7.2. Населенность и инверсия населенности...................................97 7.3. Генерация излучения.................................................................98 7.4. Порог генерирования лазера.....................................................99 7.5. Лазеры с электронной накачкой...............................................101 7.6. Газовый лазер............................................................................102 7.7. Модуляторы..............................................................................103 7.8. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)...........................104 7.9. Фотоприемники.........................................................................107 8. Рекомендуемая литература..............................................................108

4

1. ВВЕДЕНИЕ Промышленная электроника немыслима без приборов оптической электроники, использующих принцип преобразования оптического излучения в электрические сигналы (фотоэлектронные приборы, оптические приборы). Исследование быстро протекающих процессов обусловлено применением электронно-лучевых приборов (осциллографов). Основой телевидения являются приемные электронно-лучевые трубки (кинескопы) и передающие электронно-лучевые трубки. Огромный класс индикаторных приборов помогает получать информацию на экранах и хранить ее. Наш глаз не видит в темноте, на помощь приходят электронно-оптические преобразователи. В курсе рассмотрены указанные выше приборы. Предварительно рассмотрены законы движения заряженных частиц в средах, получение заряженных частиц в вакууме и газах. Следует отметить, что возможность успешного освоения дисциплины основывается на знании физики и высшей математики.

5

2. ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2.1. Материальные среды 2.1.1. Особенности газовой среды В газе образуются молекулы из однотипных атомов (О2, Н2, N2), между молекулами действуют силы Ван-дер-Ваальса. Энергия этих сил меньше, чем энергия теплового движения и связь между молекулами очень мала. В результате газ способен занимать любой по величине объем и любую форму. Характеристики газовой среды принято рассматривать на базе “идеального газа”, имеющего следующие свойства: 1) размеры молекул и атомов много меньше расстояний между ними; 2) взаимодействие между частицами газа, осуществляется только при их соударении; 3) все частицы находятся в свободном, хаотическом, тепловом движении. Состояние газовой среды характеризуется рядом параметров: 1) V - объем, который занимает газ; 2) Т - температура, характеризующая тепловое движение; 3) n - концентрация (число частиц, находящихся в элементарном объеме); 4) р - давление (сила воздействия газа на стенки сосуда, ограничивающего объем). При хаотическом движении молекул газа их скорости различны как по величине, так и по направлению. В “идеальном газе” распределение молекул по скоростям (энергиям) подчиняется статистике Максвелла-Больцмана. Основные уравнения этой статистики даны в курсе физики. Мы рассмотрим только функцию распределения молекул по скоростям и основные скорости (рис.2.1). F(v)

v0 v v ν 0 Рис.2.1 - Функция распределения молекулпо скоростям

6

Функция распределения молекул по скоростям имеет максимум при скорости v0 (наиболее вероятная скорость), v - средняя скорость молекул, v среднеквадратичная скорость. Эти скорости связаны с температурой газа следующими соотношениями:

v0 =

2kT ; m

v=

8 kT ; πm

v=

3kT , m

где m - масса частицы; k - 1,38⋅10−23 Дж/град - постоянная Больцмана. Абсолютные значения v0 , v и v соотносятся как 1:1,1284:1,2247. Если газ заключен в сосуде, то в результате ударов молекул о стенки они испытывают давление, величина которого р зависит от концентрации молекул n , их массы m и скорости движения v . Согласно кинетической теории газов

1 nmv 2 , или 3 2 mv 2 2 p= n = n ε к = nkT [Па], 3 2 3 p=

где

εк

- средняя кинетическая энергия молекул. В СИ единицей измерения давления является паскаль [Па]. Подставив в уравнение давления значение постоянной Больцмана и решив его относительно n , найдем

n = 7 ,244 ⋅ 10 22

p -3 [м ]. T

Из уравнения давления получаем еще одно важное соотношение mv 2 3 = kT. 2 2 Средняя кинетическая энергия молекул газа прямо пропорциональна его температуре. Следовательно, скорость хаотического движения молекул можно характеризовать температурой газа. Важной для последующего изложения является формула, выражающая зависимость давления воздуха, окружающего землю, от высоты h

p= где

p0

−

p0 e

mgh kT ,

- давление у поверхности Земли;

g - ускорение силы тяжести.

Эта формула в физике называется барометрической. Переходя от давления к концентрации молекул получим −

n = n0 e

mgh kT .

7

Величина mgh - потенциальная энергия W молекул газа на высоте h . Поэтому уравнение можно переписать так W

n = n0 e− kT . Полученное распределение называют распределением Больцмана. Формулу можно использовать для нахождения концентрации электронов или ионов в электрическом поле.

2.1.2. Средняя длина свободного пробега частиц в газе Столкновения молекул друг с другом, происходящие при их хаотическом движении, сопровождаются непрерывным изменением величины и направления скорости молекул. Траектория каждой молекулы - это ломаная линия, длина прямолинейных отрезков которой из-за случайности столкновений различна. Рассчитывается средняя длина этих отрезков - средняя длина свободного пробега молекул λ

λ=

v , z

где z - число столкновений молекулы в течении 1 с. За 1 секунду молекула проходит путь v и сталкивается с теми молекулами, центры которых расположены от центра движущейся молекулы на расстоянии, равном ее диаметру σ

λ=

1 2π σ 2 n

k

T . 2 p 2π σ

=

Видно, что средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна их концентрации и давлению. Состояние газовой среды характеризуется величиной Q (полное эффективное сечение для столкновений молекул). Она показывает, сколько столкновений претерпевает молекула на единице пути

Q=

1

λ

.

Важным в кинетической теории газов является уравнение, позволяющее определить, какое число молекул N x из общего числа молекул N , совершая движение в газе, пройдет без столкновений путь x −x λ

Nx =N e

= N e−Qx .

Движение электрона в газообразной среде также характеризуется средней длиной свободного пробега λ е и эффективным сечением Q е . Электрон по сравнению с молекулой можно считать частицей бесконечно малых размеров, при этом электрон движется значительно быстрее молекул. Из кинетической теории газов следует, что

8

Qе =

Q 4 2

;

λe = 4

2λ .

Однако эти соотношения дают приближенную оценку величины Q е и

λе.

Остановимся на понятии вакуум.

2.1.3. Вакуум Вакуум - состояние газа, имеющего плотность, меньшую его плотности при нормальных физических условиях. Характеристикой вакуума является отношение λ (средней дины свободного пробега) к расстоянию между электродами d , где движутся молекулы и ускоряются или тормозятся заряженные частицы. Различают низкий, средний и высокий вакуум. Низкий вакуум - разряженность газа, при которой λ << d , средний вакуум - λ ≈ d , высокий вакуум - λ >> d . Примерная разбивка по давлениям: 110÷1 [Па] - низкий вакуум; 1÷10−2 [Па] - средний вакуум; 10−2÷10−5 [Па] - высокий вакуум; 10−5÷10−7 [Па] - сверхвысокий вакуум. Вакуум обеспечивается методом откачки объема при помощи насосов. Существует большое количество типов насосов, обеспечивающих вакуум той или иной степени. Степень вакуума измеряется при помощи приборов - манометров, которые тоже образуют отдельный большой класс.

2.1.4. Твердое тело Поскольку в электронике применяются только кристаллы и жидкие кристаллы, остановимся только на них. Кристаллизация.В этом случае в жидкости, охлажденной до определенной температуры, появляются области с упорядоченным расположением прочно связанных между собой частиц (кристаллы), которые при дальнейшем охлаждении вещества разрастаются путем присоединения к ним частиц из жидкой фазы и охватывают в конце весь объем вещества. При кристаллизации возникновение специфических свойств вещества, как твердого тела, обусловлено увеличением сил связи между молекулами или атомами не в результате уменьшения расстояния между ними, а вследствие упорядоченного их расположения. Упорядоченное расположение молекул и атомов в твердом теле приводит к образованию некоторой правильной структуры, которая имеет название “кристаллическая решетка”, и представляет собой “объемную сетку”, в узлах которой располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы). В основе

9

любой кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка с характерным для данной решетки расположением атомов. Доказательством наличия у твердого тела кристаллической решетки являются результаты рентгенографии и электронографии. Только эти методы могут позволить обнаружить кристаллическую решетку. Это обстоятельство объясняется тем, что длина волны (де Бройля в случае е ) сравнима с периодом кристаллической решетки 5÷20 А° и дифрагирует на решетке. Период кристаллической решетки является вторым ее параметром. Характерной особенностью кристалла является анизотропия его свойств, т.е. зависимость его свойств от свойств макроскопического тела, от направления, связанного с некоторой системой координат. Другие физические свойства обладают также анизотропией (тепловые, оптические, электрические), что подтверждает практика. К электрическим свойствам можно отнести электронную эмиссию, которая зависит от работы выхода, а последняя, в свою очередь, зависит от расположения и ориентации эмиттирующей плоскости кристалла.

2.1.5. Жидкие кристаллы В конце ХIX века были открыты вещества, свойства внутренней структуры которых в жидком состоянии имели черты, характерные как для жидкости, так и для твердого тела. Такое состояние вещества называют мезоморфным, что означает состояние с промежуточной структурой, а вещества - жидкими кристаллами. Вещество в жидком состоянии обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором находится. Ориентация молекул в жидкости, даже если она имеет место, имеет ближний порядок в диапазоне нескольких молекулярных слоев. В твердом кристалле, наоборот, молекулы строго ориентированы во всем объеме и имеют дальний порядок . Жидкие кристаллы - это вещества, имеющие при данных температурных условиях характер жидкости и твердого тела. Встречаются они часто. Из 200 вновь синтезированных веществ - одно жидкокристаллическое. Классификация жидких кристаллов. Различают три типа жидких кристаллов: смектические, нематические, холестерические. Смектические впервые наблюдали в мылах (рис.2.2).

10

Рис.2.2 - Смектический жидкий кристалл В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Эти слои лежат один на другом. Молекулярные слои подвижны, легко перемещаются параллельно друг друга. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно велика. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не молекулами. Если нарушена связь между молекулами, то вещество - двухмерная жидкость. По мере понижения температуры упорядочивается связь с молекулами, потом между слоями, потом появляется кристаллическая структура. Пример смектика - мыльный пузырь. Это два слоя кристаллов, разделенные жидкостью (Н2О). В нематиках молекулы расположены в виде нитей (рис.2.3).

Рис.2.3 -Нематический жидкий кристалл Ориентация осей молекул параллельна, однако они не образуют слоев. Длинные оси лежат вдоль нитей. В холестериках молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает нематик. Слои тонкие, мономолекулярные. Направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по

11

сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры кристалла. Свойства жидких кристаллов. Двойное преломление света (характерное для твердых кристаллов). Для холестерических - вращение плоскости поляризации. Если линейнополяризованный свет проходит через слой холестерика перпендикулярно слоям, то направление колебаний электрического вектора световой волны будет повернуто влево или вправо (тип кристалла). Плоскость колебаний света также поворачивается влево или вправо. Угол вращения пропорционален толщине слоя вещества. Достигнув поверхности жидкого кристалла, свет дисперсирует на две составляющие с круговой поляризацией в направлениях, обратных повороту электрических векторов. Одна составляющая проникает вглубь кристалла, другая отражается от его поверхности, что вызывает появление характерной окраски жидкокристаллического образца. Наличие в жидких кристаллах дальнего порядка в ориентации молекул вызывает анизатропию электрических и магнитных свойств, присущую твердым кристаллам. Однако, в отличие от твердых тел, силы межмолекулярного взаимодействия здесь значительно слабее. Энергия деформации жидкого кристалла мала, поэтому их молекулярную структуру легко изменить под действием электрического и магнитного полей небольшой мощности. Для изменения структуры достаточны также незначительные температурные колебания или механические воздействия на жидкий кристалл. Структурным изменениям жидких кристаллов сопутствуют изменения оптических свойств, изменения степени пропускания и отражения света, двулучепреломления, оптической активности, окраски.

2.2. Энергия электронов в кристалле Электрон является одной из основных элементарных частиц нашего мира, одной из главных структурных единиц материи. Электроны образуют электронные оболочки всех атомов, молекул, присутствуют в виде “электронного газа” в металлах, полупроводниках, являются составной частью четвертого агрегатного состояния вещества - плазмы. Пучок электронов можно получить за счет различных видов эмиссии (термо, авто, фото) из твердых тел. Естественными источниками быстрых электронов (бета частиц) являются бета - радиоактивные ядра атомов. Электрон характеризуется рядом свойств, отличающих его от других элементарных частиц. Это четыре характеристики: 1) заряд электрона е= −1,6021892⋅10−19 Кл; 2) масса покоя m0 e = 9 ,109534 ⋅ 10 −31 кг;

12

3) собственный момент количества движения (спин) 4) собственный магнитный момент

µ Se .

P Se ;

Электрон кроме обычных трех степеней свободы (х, y, z) обладает четвертой - внутренней степенью свободы - спином S e . Спиновое квантовое число S характеризует проекцию собственного момента количества движения (углового момента) P Se на некоторое физически реализуемое преимущественное направление. Для электрона спиновое число имеет два значения: − 1 2 и 1 2. Собственный магнитный момент

µSe

- следствие того, что электрон об-

ладает зарядом и спином. Так как заряд отрицательный, то магнитный момент направлен против спинового углового момента. Говорить о радиусе электрона (как и других элементарных частиц) нельзя. Можно указать лишь величину так называемого классического радиуса электрона r e . Его определение основывается на предположении об электромагнитном происхождении полной массы электрона. В связи с этим наличие электрического заряда у электрона приводит к появлению у него инерции, т.к. движущийся электрон образует вокруг себя магнитное поле, на создание которого затрачивается энергия.

re =

e2

m0 e c

2

≈ 2,817938 ⋅ 10 −15 м.

Однако силы, удерживающие заряд электрона в радиусе r e , не могут быть чисто электромагнитными. Электрон не смог бы сохранить свою устойчивость. Проблема электрона не решена. Чтобы выяснить, как влияет объединение атомов в кристалле на энергетическое состояние и поведение входящих в них электронов, рассмотрим одномерную цепочку атомов Nа, расположенных на больших расстояниях друг от друга Х. Na Na X 3S(1)

3S(1)

2P(6) 2S(2)

2P(6) 2S(2)

1S(2)

1S(2) X>>a

W

W

13

Рис.2.4 - Энергия электронов в атоме На рис.2.4 показаны два атома такой цепочки. Изображены потенциальные воронки, характеризующие потенциальную энергию электронов в атоме. Горизонтальными линиями показаны схематически энергетические уровни. Точки на линиях - это электроны Na=Z(11). Уровни не все укомплектованы полностью. Уровень 3S заполнен наполовину - один электрон. Воронки атомов не перекрываются, т.е. электроны одного атома не испытывают воздействия со стороны другого атома. Каждый атом - обособленная система. Na

Na

X=4,3 A

Na

X=a

Рис.2.5 - Энергия электронов в кристалле Сблизим атомы (а=Х). Слева цепочка идет за пределы рисунка, справа кончается. Теперь, как показано пунктиром на рис.2.5, воронки атомов перекрываются. То есть электрон среднего атома испытывает притяжение не только к своему ядру, но и к соседнему. Теперь все электроны кристалла можно разделить на 2 группы: 1) электроны внутренних оболочек атомов, которые и после сближения находятся в глубоких потенциальных ямах. Электроны этой группы сильно связаны и локализуются около ядер своих атомов; 2) валентные электроны (3S). Видно, что уровень их энергии выше потенциальной энергии внутри кристалла. Валентные электроны по сути дела могут беспрепятственно перемещаться по всему кристаллу. Их называют свободными. Однако на границе цепочки кривая потенциальной энергии поднимается , образуя высокий барьер, т.е. электроны свободны только внутри кристалла. Может возникнуть предположение, что теперь у одного из атомов может быть два или больше валентных электронов с одной энергией, т.е. как бы нарушается закон Паули. Однако это противоречие снимается изменением энергетического состояния электрона из-за перекрытия волновых функций

14

электронов. Возьмем принцип неопределенности Гейзенберга, который через энергию выражается: ∆ε ⋅ ∆ t ≥ h , где ∆ t - время пребывания электрона в энергетическом состоянии от ε до ε + ∆ε, h - постоянная Планка. В изолированном атоме электрон может находиться сколь угодно долго ( ∆ t → ∞). В кристалле валентный электрон движется со скоростью 105 м/с, а размеры атома примерно 10−10 м, поэтому время пребывания в зоне атома примерно 10−15 с. Можно сделать вывод, что энергетический уровень валентных электронов в кристалле вырождается из линии в зону, ширина которой ∆ε может быть определена как

∆ε =

h ≈ 1 эВ. ∆t

Итак, при объединении атомов происходит расщепление энергетических уровней в зоны. И не только для валентных электронов, но для всех более высокоэнергетических. Так как ∆t определяется размерами кристаллической решетки, ширина энергетической зоны не зависит от размеров кристалла, а зависит от природы кристалла (рода атома, постоянной решетки). Уровни электронов, лежащих в потенциальной яме, также расщепляются, т.к. не исключена возможность тунелирования и волновые функции этих электронов распространяются в других атомах. Чем ближе к ядру, тем меньше расщепление и их можно считать вырожденными. В атоме линия - 1S , в кристалле зона - 1S и т.д (рис.2.6).

3S

зона проводимости

2P 2S

1S

Рис.2.6 - Зонная структура кристалла Между энергетическими зонами - зоны запрещенные.

валентная зона

запрещенные зоны

15

Высокая ( ≈ 1028 м−3) концентрация атомов в кристалле при ∆ε ≈ 1 эВ определяет настолько малое расстояние между подуровнями, что спектр энергий электронов в пределах зоны можно считать практически непрерывным. Поведение электронов в заполненной и незаполненной энергетических зонах различается. В заполненной энергетической зоне отсутствуют энергетически свободные уровни и электроны не могут в пределах этой зоны изменять свое энергетическое состояние. В незаполненной энергетической зоне имеются свободные (разрешенные) уровни, т.е. электроны способны при малейшем воздействии на них изменять свою энергию. Если на кристалл наложить электрическое поле, то электроны в заполненной зоне не могут изменять свою энергию и состояние электронов не изменяется. Если энергетическая зона заполнена не полностью, то возможен переход электронов под действием поля на более высокие энергетические уровни, а следовательно движение электронов, т.е. электропроводимость. На основе таких представлений зонная теория объясняет деление твердых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики.

2.3. Электрические свойства кристаллов Для простоты будет изображать только валентную зону (косая штриховка), запрещенную зону над ней (без штриховки) и зону проводимости (горизонтальная штриховка). Различают 2 группы заполнения электронами энергетических зон. Первая группа характеризуется неполным заполнением верхней из разрешенных зон, содержащих электроны. Нa уровне 3S - вместо двух электронов находится один. При объединении в кристалл формируется валентная зона, которая примыкает к зоне проводимости (рис.2.7, а).

0,9 эВ

а)

∆W = 3 эВ

б) в) Рис.2.7 - Энергетические диаграммы кристаллов

16

Во второй группе - энергетические уровни полностью заполнены. Валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (рис.2.7, в). Если запрещенная зона узкая (0,5÷1,2 эВ) - это собственные полупроводники (рис.2.7, б). Если запрещенная зона широкая (4÷5 эВ) - это диэлектрики (рис.2.7, в). Увеличение импульса электронов вдоль какого-либо направления связано с возрастанием их энергии и переходом на более высокие энергетические уровни. Однако в кристаллах (диэлектриках) невозможен переход электронов на более высокие уровни за счет электрического поля, поскольку свободная и заполненная разрешенные зоны разделены запрещенной зоной, ширина которой много больше энергии, приобретаемой электроном на длине волны λ. Действительно, λ ≈ 10−8 м и в поле напряженностью 104 В/м он приобретает энергию ≈ 10−4 эВ, а ширина запрещенной зоны ≈ 5 эВ. Таким образом, направленное движение носителей заряда в кристаллах с целиком заполненными зонами невозможно. Это - изоляторы. Электроны частично заполненных зон в силу квазинепрерывности зон могут увеличивать энергию и участвовать в направленном движении под действием сколь угодно слабых полей. Это - проводники. Собственные и примесные полупроводники Чистый полупроводник, в котором отсутствуют примеси, называется собственным полупроводником. Однако, практически создать решетку без примесей невозможно. В реальных кристаллах правильность структуры нарушается за счет всевозможных дефектов, поэтому собственные полупроводники в чистом виде встречаются редко. Чаще всего имеем дело с примесными полупроводниками. В решетке присутствуют или примеси или дефекты. Основная зонная диаграмма не меняется, только дополнительно возникают локальные состояния электронов и локальные энергетические уровни (примесные уровни), попадая на которые электроны не перемещаются по кристаллу, а сосредотачиваются вблизи дефекта. Эти примесные уровни обычно изображаются черточками. Когда примесей много могут образовываться примесные зоны. В зависимости от типа примесных атомов и вещества основного кристалла различают два вида примесных полупроводников. Проследим образование их. Допустим, что в четырехвалентную решетку германия вносятся атомы мышьяка - As (рис.2.8).

17

Зона проводимости

Ge

Донорный уровень

As Валентная зона

а)

б) Рис.2.8 - Донорный полупроводник: а - образование донорного электрона; б - энергетическая диаграмма Каждый атом германия связан с четырьмя ближайшими соседями силами ковалентной связи и выделяет на установление каждой связи по одному из четырех валентных электронов. Замещение одного атома германия пятивалентным атомом As приводит к тому, что один электрон не будет участвовать в установлении ковалентной связи, а останется на эллиптической орбите вокруг примесного иона, охватывая своим движением несколько атомов решетки. Теперь достаточно сообщить электрону As энергию порядка 0,01 эВ, чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный электрон, участвующий в электропроводности. С точки зрения зонной теории атому As соответствует появление локального энергетического уровня, расположенного в запрещенной зоне примерно на 0,01 эВ ниже зоны проводимости (рис.2.8 б). Примесные уровни As заполнены электронами, которые под действием внешнего возбуждения могут перейти в зону проводимости. Такие примесные уровни, передающие электроны в зону проводимости, называются донорными уровнями, а полупроводник - донорным ( полупроводник “п” - типа). Зона проводимости

Ge

Jn

Акцекторный

уровнень Валентная зона

а)

б) Рис.2.9 - Акцепторный полупроводник: а - образование незавершенной связи; б - энергетическая диаграмма

18

Введение в четырехатомную решетку германия трех валентного индия создает другой тип полупроводника. Тривалентных электрона не могут обеспечить ковалентные связи с четырьмя атомами германия и одна связь остается незаполненной. Однако, один валентный атом может перейти в эту связь, а на его место другой соседний и т.д. Следовательно, вакансия электронов подвижна и может передвигаться по решетке. На зонной диаграмме (рис.2.9, б) примесь индия приводит к появлению локальных незаполненных уровней вблизи валентной зоны (0,01 эВ), на которые могут перейти электроны под действием внешнего возбуждения, причем в валентной зоне образуются дырки, обеспечивающие механизм электропроводности. Подобные уровни - акцекторные, а полупроводники - дырочные или р-типа. Много примесей дают зону, которая может перекрываться с разрешенной и не надо дополнять энергии для движения электрона.

2.4. Плотность энергетических уровней Для того, чтобы знать, как распределяются по энергиям электроны в кристалле, надо установить, как распределены внутри зон разрешенные квантовые состояния, а , во-вторых, как они заполняются электронами, т.е. вероятность их заполнения. Концентрацию электронов, имеющих энергии, заключенные в интервале от Е до Е+dЕ, можно представить так: d ne = F ( E ) ω E dE , где F( E ) - функция плотности энергетических состояний; ω Е - вероятность заполнения энергетических уровней зарядоносителями.

F( E ) =

4π h

3

( 2m ∗ ) 3 2 E 1 2 ,

где Е - энергия электрона, отсчитанная от границы зоны; m ∗ - эффективная масса электрона, учитывающая энергетическую связь его с полями частиц кристалла; 3 h - элементарная ячейка пространства импульсов. Электронный газ в металлах всегда вырожден. Реальные температуры катодов около 2000° С. В этом случае используем распределение ФермиДирака 1 (1) ω E = E −E F , e kT + 1

19

где

EF

h 2  3n  =   2m ∗  8π 

23

- энергия или уровень Ферми.

Положение уровня Ферми зависит от материала и температуры. Проанализируем уравнение (1). При Т = 0 , E = E F : первый член знаменателя обращается в бесконечность, а вся правая часть уравнения равна нулю. Это значит, что при температуре абсолютного нуля в металле нет электронов с энергией, большей E F . При Т = 0 , E < E F : первый член знаменателя обращается в нуль, а

ω E = 1 . Кривая распределения электронов по энергиям представляет собой

обратную параболу (рис.2.10). Итак, у металлов энергия Ферми имеет простой и наглядный физический смысл это наибольшая энергия, которой обладает электрон при температуре абсолютного нуля. При Т > 0 , E = E F :

dnE Т=0

Т>0

ωE = 1 2.

EF

E

Рис.2.10 - Расределение электронов по энергиям

Приходим к важному заключению: уровень Ферми это такой уровень, вероятность заполнения которого электронами при любых тем-

пературах равна 1/2. При Т > 0 , E < E F : ω E несколько меньше единицы. Вместе с тем при E > E F появляется некоторая вероятность заполнения энергетических уровней, отличная от нуля. У проводников уровень Ферми располагается на переходе из зоны проводимости в валентную зону. Эксперименты и теория подтвердили, что у диэлектриков и собственных полупроводников уровень Ферми располагается в середине запрещенной зоны и практически не зависит от температуры. У донорного полупроводника уровень Ферми при Т = 0 ° К располагается посередине между донорным уровнем и дном зоны проводимости, а при повышении температуры он смещается вниз, причем тем сильнее, чем меньше концентрация донорной примеси. У дырочного полупроводника уровень Ферми при Т = 0 ° К располагается посередине между акцекторным уровнем и потолком валентной зоны, а

20

при повышении температуры он смещается вверх, причем тем сильнее, чем меньше концентрация акцекторов.

2.5. Поверхностный потенциальный барьер Электроны проводимости свободно перемещаются по всему металлу, однако не могут выходить за его пределы. Их выходу наружу препятствуют силы, действующие у поверхности металла. Эти силы имеют электрическую природу и действуют в узкой области вблизи поверхности металла, которую называют потенциальным барьером. Работа, которую должен совершить электрон, покидая кристалл, равна 1 e2 W a = 4π 2a . ε0 Величина W a характеризует полную высоту потенциального барьера на границе металла и называется полной работой выхода. Для металлов W a лежит в пределах 3,5÷18 эВ (Ni=14 - 17 эВ, Zн=15,5

эВ, Ag=13÷15 эВ). Наименьшие значения W a получаются для щелочноземельных металлов. Тот факт, что при низких температурах электронная эмиссия падает до неизмеримо малой величины, позволяет заключить, что для всех металлов полная работа выхода значительно превышает уровень Ферми (рис.2.11 ).

Wa

W эф Wa Wi dnE

x Рис.2.11 - Энергетический барьер у поверхности кристалла

21

Как видно из рис.2.11, иллюстрирующего энергетическое состояние электронного газа в твердом теле, энергией, достаточной для эмиссии, обладают только электроны, число которых изображается площадью кривой F( W ) выше уровня W a . Таких электронов будет ничтожно мало при достаточно большой разности ( W a − W i) и не очень высокой температуре. Величина W a − W i равная, наименьшей энергии, которую должен получить

электрон при Т=0° С, чтобы совершить акт эмиссии, называется эффективной работой выхода (W эфф ).

2.6. Термоэлектронная эмиссия Эмиссия - это выход заряженных частиц из какого-то объекта. Она происходит, если заряды в объекте существуют в свободном виде и способны совершать работу выхода. Эмиссия может быть из твердого тела и из плазмы. Эмиссия из твердого тела. Было установлено, что при температуре Т=0 не может быть эмиссии электронов из кристалла, поскольку энергии даже самых быстрых электронов недостаточны для преодоления потенциального барьера на его границе. Для возникновения эмиссии электронам надо сообщить энергию - например, нагрев вещества. Это - термоэлектронная эмиссия. За пределы поверхности в вакуум могут выйти только электроны, у которых компонента скорости в направлении х достаточна для преодоления потенциального барьера, т.е.

m eυ 2x ≥W а. 2

Для определения числа электронов, покидающих в единицу времени 1 м поверхности металла при данной температуре, надо в формулу подставить функцию распределения электронов по скорости в металле и проинтегрировать ее. Согласно квантомеханической теории не все электроны выходят в вакуум, есть вероятность отражения. Поэтому вводится понятие прозрачности 2

, ÷ 097 , ). барьера D . ( D = 095 Уравнение Ричардсона-Дешмана определяет плотность тока термоэмиссии W 0 −W F W 0 −W F 4 π m e ek 2 2 − 2 − = A0 D T e , DT e kT kT jэ = h3

22

где

A0 =

4πm e ek 2 h

3

A

= 120 ⋅ 10 4

2

м ⋅ г рад

2

= const является универсаль-

ной постоянной и не зависит от рода эмиттера. Энергия Ферми

WF

h 2  3ne  =   2 m e  8π 

23

. Видно, что

вом приближении от температуры и поэтому фективной работой выхода ϕ эфф , тогда 2

je = A 0 D T e

−

ϕ эфф kT

= AT

WF

не зависит в пер-

W0 − W F можно заменить эф-

2

e

−

ϕ эфф kT

 А  2 , м 

где ϕ эфф - работа выхода, выраженная в джоулях. Распределение по скоростям эмиттированных из металла электронов (при термоэмиссии) описывается функциями распределения МаксвеллаБольцмана, т.е. эмиттированные электроны можно рассматривать как невырожденный идеальный газ.

2.7. Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэмиссию

Iа

б а

Iэ

0

Ua

Рис.2.12 Вольт-амперная характеристика диода

В режиме “0а” - влияние пространственного заряда вызывает рост тока (рис.2.12). В точке ”а” все эмиттированные электроны достигают анода, т.е. I a = I э . Естественно, что дальнейшее увеличение U a не должно влиять на I а . Однако ток анода растет. Это связано с ростом ускоряющего анодного поля, которое увеличивает эмиссию катода.

23

1

∆ϕ

3

ϕ эфф

W0

WF

W ЭП 2

х кр

а

Рис.2.13 - Снижение потенциального барьера под действием ускоряющего электронного поля На рис.2.13 представлено снижение потенциального барьера под действием внешнего ускоряющего поля. 1 - барьер в отсутствии поля; 2 - энергия, сообщаемая полем; 3 - барьер при наличии поля. Допустим, внешнее поле однородно с напряженностью Е . Действуя на электрон с силой eE , оно уменьшает на величину e E x работу, совершаемую электроном при перемещении на расстояние х от катода. Построив прямую 2 и, вычитая ее координаты из 1, получим кривую 3, соответствующую потенциальному барьеру при наличии поля. Для кривой характерен максимум на расстоянии х к р от катода. На расстоянии х < х к р преобладает тормозящая сила зеркального отображения, и движущийся от катода электрон совершает работу , а на расстоянии х > х к р преобладает ускоряющая сила внешнего поля и потенциальная энергия электронов уменьшается.

х кр

мож-

но найти из равенства

e2

1

4π ε 0 4 x к2 р

= eE .

Снижение потенциального барьера ∆ϕ за счет электрического поля

∆ϕ =

1 4π ε 0

32

E.

e

Теперь можно определить плотность тока термоэмиссии при наличии внешнего ускоряющего поля, взяв вместо ϕ эфф → ϕ эфф − ∆ϕ . 2

−

j ЭП = A T e

ϕ эфф − ∆ϕ kT

= AT

2

−

e

ϕ эфф ∆ϕ kT

ek T

24

Обозначив символом

j0

плотность тока эмиссии в отсутствии поля и за-

менив ∆ϕ его значением, получаем уравнение Шотки: 32

e

j ЭП = j0 e

E

.

4 π ε 0 kT

2.8. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия Так называют эмиссию, обусловленную наличием у поверхности тела сильного ускоряющего поля. Установлено, что внешнее ускоряющее поле снижает потенциальный барьер на величину 3 2

∆ϕ = e

4π ε 0

E.

При очень высокой напряженности электрического поля у поверхности металла потенциальный барьер может снизиться настолько, что его вершина окажется на одной высоте с уровнем Ферми (при этом будет эмиссия из холодного металла)

Eкр =

( 4π ε 0 )ϕ 2эфф е3

Например для W = ϕ эфф = 4 ,54 эВ получаем

.

Е к р ≈ 10

10

В/м, а в действи-

тельности на практике 10 8 ÷ 10 9 В/м. Не учитывается просачивание электронов сквозь барьер. Не учитывается сужение барьера под действием внешнего электрического поля.

2.9. Фотоэмиссия Так называют эмиссию электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. Дадим объяснение процессам при фотоэмиссии на базе квантовой теории света и зонной теории твердого вещества. Законы фотоэмиссии: 1) при неизменном спектральном составе света фототок I ф пропорционален световому потоку Ф

I ф = kФ.

Коэффициент пропорциональности k называют интегральной чувствительностью фотокатода. Это закон Столетова; 2) при данном световом потоке ток эмиссии зависит от спектрального состава света. При монохроматическом свете чувствительность фотокатода зависит от частоты излучения ν (длина волны λ = с ν ). Чувствительность фотокатода к свету данной частоты (длины волны) называют спектральной

25

чувствительностью kv( k λ ) . Зависимость спектральной чувствительности от ν или λ называют спектральной характеристикой фотокатода; 3) для каждого вещества существует некоторая минимальная пороговая частота v0 или максимальная λ 0 , за пределами которых эмисии не наблюдается (красный порог фотоэффекта); 4) максимальная кинетическая энергия покидающих фотокатод электронов линейно растет с увеличением v и не зависит от светового потока. Проникая в металл фотокатода, каждый фотон взаимодействует только с одним свободным электроном, отдавая ему полностью свою энергию. Энергия фотона hv суммируется с энергией электрона Е , которую он имел до встречи с фотоном. Если при этом электрон движется в сторону поверхности металла и компонента его скорости в этом направлении достаточна для преодоления потенциального барьера W 0 на границе, то электрон может покинуть металл. Вероятность этого зависит от величины энергии фотона hv и от того, какой из валентных электронов (быстрый или медленный) приобретает эту энергию. При своем движении в металле электрон может потерять часть энергии ∆Е при рассеянии на дефектах кристаллической решетки и на примесных атомах. Уравнение баланса энергии эмиттированного электрона

m υ e2 , E + hv − ∆E − ϕ эфф = 2

m υ e2 где - кинетическая энергия электрона после выхода из кристалла. 2 Если считать, что электрон после получения энергии фотона при движении к поверхности не потерял ее ( ∆Е = 0 ), а первоначально он имел энергию, равную уровню Ферми, то можно записать:

mυ 2 2

= hv − ϕ эфф .

Это максимальная энергия, которую может иметь электрон за пределами кристалла. Она определяется энергией кванта света ( hv ).

26

dNE N

0,5 эВ

1,2

Е, эВ

Рис.2.14 - Характер распределения фотоэлектронов по энергиям Наиболее вероятная энергия электронов, соответствующая максимуму кривой, составляет 0,4÷0,5 от их максимальной энергии (рис.2.14). При увеличении частоты света возрастает максимальная энергия электронов. Увеличивается и наиболее вероятная энергия электронов, т.е. кривая распределения растягивается в сторону больших энергий. Обратите внимание, электроны покидают фотокатод с энергиями в десятые доли электрон-вольта, и чтобы они работали в приборе, их надо ускорять.

2.10. Вторичная эмиссия Выбивание электронов из кристалла при бомбардировке его пучком первичных электронов называют вторичной эмиссией. Первичный электрон движется в кристалле и отдает свою энергию по пути многим электронам в кристалле. Причем основную долю энергии первичный электрон отдает в конце пути. Энергетический спектр вторичных электронов сложен. Чисто вторичные электроны имеют энергию порядка 50 эВ, есть доля отраженных первичных электронов, имеющих энергию первичных электронов. Число вторичных электронов ( N 2 ) пропорционально для данного кристалла числу первичных электронов ( N 1 ). Можно записать:

N 2 = σ N 1;

I 2 = σ I 1,

где σ - коэффициент вторичной эмиссии. σ показывает, сколько вторичных электронов приходится на один первичный электрон. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии первичных электронов (рис.2.15).

27

σ

500 эВ

Е, эВ

Рис.2.15 -Зависиость σ от энергии первичных электронов Для вторичной электронной эмиссии важны два элементарных процесса: 1) движение первичных электронов в материале эмиттера, сопровождающееся передачей энергии вторичным электронам; 2) движение вторичных электронов, сопровождающееся потерей энергии при столкновении с другими электронами. Эти факторы и объясняют зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов. С одной стороны, в результате увеличения энергии первичных электронов в эмиттере растет число вторичных электронов, создаваемых каждым первичным электроном. В этом случае растет коэффициент вторичной эмиссии. С другой стороны, проникающий в эмиттер первичный электрон, на первых этапах своего пути обладает большой скоростью и редко передает энергию электронам эмиттера. По мере торможения первичного электрона в эмиттере основную часть своей энергии он отдает электронам эмиттера в конце пути. Чем больше энергия первичных электронов, тем глубже они проникают в эмиттер. Выход вторичных электронов затрудняется, т.к. возрастают их энергетические потери в пути из эмиттера. Это ведет к уменьшению коэффициента вторичной эмиссии. Особенностью вторичной эмиссии является то, что коэффициент вторичной эмиссии не зависит от эффективной работы выхода эмиттера. Это связано с тем, что за счет большой энергии первичных электронов энергия вторичных электронов значительно больше эффективной работы выхода любого материала.

28

3. ТОКОПРОХОЖДЕНИЕ В ВАКУУМЕ 3.1. Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитных полях В электрическом поле напряженностью Е на электрон действует сила F э = − eE , противоположная по направлению вектору Е. В магнитном поле с индукцией В на движущийся электрон действует сила Лоренца. При произвольной ориентации векторов эту силу удобно представить в векторной форме:

F М = − e[ vB ] ,

где v - вектор скорости электрона. При наличии электрического и магнитного полей действующая на электрон сила:

F = − eE − e[ vB ] .

Поскольку при движении в вакууме электрон не испытывает столкновений, приводящих к изменению величины и направления его скорости, получаем уравнение движения электрона

m

dv = − eE − e[ vB ] . dt

Это уравнение позволяет полностью описать движение электрона, найти его траекторию и скорость в любой точке, если известны начальные условия: координаты, величина и направление скорости в начале пути и главное, если известна картина поля, т.е. заданы в виде функции координат векторы напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В . Нахождение картины поля является первым этапом решения задач о движении электронов в межэлектродном пространстве. Аналитически картину электрического поля в пространстве, свободном от зарядов, можно найти решением уравнения Лапласа:

∆2U = 0.

Это для случая малых потоков или единичных электронов. В случаях, когда электроны и другие заряженные частицы находятся в межэлектродном пространстве в большом количестве и влияют на картину электрического поля, в основу расчета должно быть положено уравнение Пуассона:

∆2U = − ρ

ε0 ,

где ρ - плотность объемного заряда; ε 0 - диэлектрическая проницаемость. Однако картины электрического поля аналитическим путем можно найти для простых конфигураций электродов, а для сложных электродов используют эксперимент (электрическая ванна, метод сеток, метод сопротивлений) или приближенные методы расчета.

29

Картину магнитного поля также можно получить аналитически только для простейших случаев. Вернемся к уравнению:

m

dv = − eE − e[ vB ] . dt

Умножив левую и правую части скалярно на скорость электрона ν получим

d  m υ 2   = − eνE dt  2  Второе слагаемое равено нулю потому, что сила Лоренца перпендикулярна направлению движения электрона. Выясняется, что под действием магнитного поля изменяется только направление движения электрона, а его скорость не меняется по величине. Электрическое поле влияет на кинетическую энергию и на направление движения. Уравнение, связывающее энергию свободного электрона с пройденной разностью потенциалов U: 2 m υ 2 m υ0 = + eU . 2 2

Движение электрона в однородном электрическом поле (рис.3.1) y 2 E d

υ y0 −x

0

υ0 1

υx0

x

−y Рис.3.1 - Движение электрона в однородном электрическом поле

Электроды плоскопараллельны на расстоянии “d” один от другого. Уравнение Лапласа, имеющее вид d 2U dy 2 = 0 , после интегрирования сводится к уравнению E = −U d . Уравнение движения электрона в прямоугольной системе координат разбивается на три уравнения:

dυx

 = − e E x − e( υ y B z − υ z B y ) ; dt  dυy  m = − e E y − e( υ z B x − υ x B z ) ; dt  d υz  m = − e E z − e( υ x B y − υ y B x ) .  dt  m

30

В рассматриваемом случае магнитное поле отсутствует, а электрическое имеет одну компоненту E y = E . Тогда система уравнений запишется:

dυx

  dt  dυy  m = − e E y = − eE ; dt  d υz  m = 0.  dt  m

= 0;

Пусть в момент t = 0 электрон находится в точке начала координат и движется со скоростью “ υ 0 ”, имеющей компоненты по осям х и y , а компонента по z равна нулю. Тогда интегрирование приводит к уравнениям: υ x = const = υ x 0 ;   e  υ y = − m Et + υ y0 ;  = 0 .  υz  После повторного интегрирования первых двух уравнений получаем

x = υx t;  0   e y=− Et 2 + υ y t . 0  2m

Константы интегрирования в обоих случаях равны нулю, поскольку в начальный момент x = y = 0 интегрирование третьего уравнения дает z = 0 . Исключим t : x . t=

υx0

Получим уравнение траектории

x 2 υ y0 e E x. y=− + 2m υ 2 υx x0

0

Видно, что движение происходит по параболе (кривая 1 на рис.3.1), обращенной выпуклостью вверх. Анализ показывает, что вершина этой параболы имеет координаты

m

1

m

1

2 x max = e υ x 0 υ y0 E ; ymax = 2e υ y0 E .

Совершая

движение по этой траектории, электрон возвращается к оси х в точке с координатой:

x 0 = 2 x max =

2m 1 . υ υ e x 0 y0 E

31

Если вектор напряженности поля Е направить в противоположную сторону ( − y ) , то изменяется знак первого члена уравнения траектории электрона

e x 2 υ y0 y= E + x, 2m υ 2 υx x0

0

т.е. в данном случае электрон будет двигаться по траектории 2 (на рис.3.1). Это отрезок параболы, симметричный относительно начала координат параболе 1.

3.2. Электрический ток в вакууме при наличии объемного заряда До сих пор рассматривались закономерности движения электронов в вакууме, когда объемный заряд незначительный, картина электрического поля описывается уравнением Лапласа. Однако в большинстве приборов используются значительные токи и формируются объемные заряды такой плотности, что ими нельзя пренебрегать. Различают два режима: режим пространственного заряда и насыщения. Рассмотрим закономерности режима пространственного заряда. Представим анод и катод в виде плоскостей. На рис.3.2 по оси абсцисс отложено расстояние от катода до анода, вверх от нулевой линии - положительное напряжение, вниз - отрицательное. Допустим, что из катода выходит определенное количество электронов и величина эта постоянная ( I эм = const ). Если на анод не подано напряжение, то электроны, выйдя из катода, хаотически двигаются в диодном промежутке, образуя между катодом и анодом отрицательный объемный заряд (кривая 1). Подадим на анод небольшое положительное напряжение. Электроны ускоряются анодом, в цепи анода протекает ток, но он меньше, чем ток эмиссии ( I a < I эм ). Распределение потенциала между электродами при этом Uа показано кривой 2. Отрицательный объемный заряд сохраняется только у като2 да, при этом образуется потенциальный минимум U min . Электрон, выйдя из ках тода, попадает в тормозящее поле этого 0 U m in потенциала, и только, если его энергия К 1 А больше U min , преодолевает этот потенциальный барьер и ускоряется полем Рис.3.2 - Распределение анода: потенциала в диодном промежутке

32

υe >

2eU min . m

Если энергия у электрона меньше, он не может преодолеть этот барьер и остается в области отрицательного пространственного заряда. Диодный промежуток в этом случае работает в режиме ограничения анодного тока объемным пространственным зарядом. Зависимость анодного тока от напряжения на аноде определяется уравнением:

j=

4 ε0

32

2e U a . m d 2ак

9

Подставив постоянные, получим: 32

Ua j a = 2,33 ⋅ 10 2 d ак −6

(А/см2),

где U а - выражено в вольтах;

d ак - в см. Это выражение носит название закона степени трех вторых. Если плотность тока анода умножить на площадь анода, получим ток анода I а . Уравнение степени трех вторых описывает диодную характеристику, представленную на рис.3.3.

Iа

Uа Рис.3.3 - Вольт-амперная характеристика диодного промежутка Закон степени 3/2 применим в любом электронном, вакуумном приборе при наличии объемного пространственного отрицательного заряда у катода.

3.3. Токопрохождение в диодном промежутке Для расчета токопрохождения в вакуумном диодном промежутке рассмотрим диод с термокатодом. Диод - это прибор, имеющий два электрода анод (А) и катод (К).

33

Ia

А

Ra К Ua

+ Ea −

Iн Uн ~ Eн Рис. 3.4 - Схема для снятия характеристик диода Катод - электрод, который эмиттирует электроны, анод собирает эти электроны и является коллектором. В схеме на рис 3.4 катод имеет потенциал, равный нулю (потенциал земли), и от этого значения будет отсчитываться потенциал анода, в схеме он положительный относительно катода. Катоды бывают подогревные и прямонакальные. На рисунке изображен подогревный катод. Катод подогревается специальным электродом, который называется подогревателем. Подогреватель имеет два вывода и через него пропускается ток I н при напряжении накала U н . Напряжение накала обычно имеет величину 5 В или 6,3 В, а ток накала достигает 1 А. Подогреватель нагревает катод до температуры эмиссии. Катоды делают из чистых металлов, пленочные (торированные) и полупроводниковые (оксидные). Параметры катода: 1) предельный ток - это ток эмиссии с катода I э . В рабочих условиях обычно I э > I а , значит прибор работает в режиме пространственного заряда. Это значительно увеличивает срок службы прибора; 2) эффективность ( Н ) - отношение предельного тока эмиссии с катода к мощности, затрачиваемой на накал катода (U н I н ):

Н =

Iэ UнIн

Iэ

 мА  .  В т

Второй электрод - анод, он собирает электроны, вышедшие с катода. На анод подается положительное относительно катода напряжение (U а ), в цепи анода при этом протекает ток I а . Величина анодного тока, определяемая

34

числом электронов, достигших анода, зависит от тока эмиссии I э катода и от напряжения на аноде U а . Важным параметром анода и всех электродов, имеющих положительный потенциал, является мощность, рассеиваемая анодом Р а . Р а = I аU a (Вт). Эту мощность на анод или положительный электрод приносят электроны, число их определяется током анода I а . Каждый электрон ускоряется анодом и, подходя к аноду, имеет энергию, соответствующую напряжению анода U а. Для каждого положительного электрода в паспорте прибора дается предельная допустимая рассеиваемая мощность Р а . Это мощность, которую max

может рассеять электрод при допустимой рабочей температуре электрода. Чтобы оценить, какой ток можно пропускать, строится кривая допустимой рассеиваемой мощности. Скажем, в паспорте дано Р а =2 Вт. max

I а (мА)

40

Если приложено напряжение U а =50 В, то предельная мощность 2 Вт будет при II

2

I а = 50 = 0 ,040 А = 40 м А.

Если U а =100 В, то I а =20 А и т.д. Строим кривую допустимой I рассеиваемой мощности. Выделяют 13 две области: I - рабочая область, в этой об50 100 150 U а (В) ласти электрод будет иметь Рис.3.5 - Кривая допустимой растемпературу ниже предельсеиваемой мощности ной. II - нерабочая область, в этой области электрод будет перегреваться, что приведет к выходу из работы всего прибора. Статический режим токопрохождения в диодном промежутке. Используя схему рис.3.4 снимем вольт-амперную характеристику диодного промежутка. Для этого U н поддерживаем постоянным, стало быть и I э катода будет постоянным. Меняем напряжение анода U а и измеряя ток анода I а , получаем характеристику I а = f ( U а) при U н = const . 20

35

Iа (мА) 50 40

1 II

III

с 2

30 20

б

10 I −3 −2 −1 a 20 40 60 80 U а (В) Рис.3.6 - Теоретическая (1) и реальная (2) анодные характеристики диодного промежутка На рис.3.6 кривая 1 - это теоретическая вольт-амперная характеристика диодного промежутка, рассчитанная по закону степени 3/2. Эта характеристика выходит из нуля и уходит в сторону больших токов и напряжений. Кривая 2 - реальная вольт-амперная характеристика диодного промежутка. Эта анодная характеристика имеет ток и при отрицательном напряжении на аноде (начинается не из нуля), идет по анодной характеристике теоретической и ,наконец, крутизна характеристики уменьшается и она отличается от теоретической. Можно показать три области анодной характеристики. Ua3 c

Ua2

б 0 К

Ua1 А

Рис.3.7 - Потенциальная диаграмма диодного промежутка. Область I - когда U а отрицательное. На этом участке возьмем точку “а” и посмотрим какова потенциальная диаграмма. На рис.3.7 это диаграмма точки а. Большой отрицательный пространственный заряд занимает весь промежуток между катодом и анодом. Ток на аноде при этом определяется только “быстрыми” электронами, которые могут преодолеть этот барьер. Для определения теоретической зависимости анодного тока от U а в данном режиме воспользуемся уравнением термоэлектронной эмиссии. Ток эмиссии определяется:

36 eϕ эфф

−

2

I э = AT e

kT

⋅Sк.

Из числа этих электронов преодолевают потенциальный барьер пространственного заряда электроны, ток которых определяется по формуле Больцмана: −

I a = I эe

eU a kT

.

Этот ток не большой и обычно измеряется в микроамперах. Область II - режим пространственного заряда и в этой области анодная характеристика совпадает с теоретической. В этой области анодная характеристика считается по закону степени 3/2: 3/ 2

Ua I a = 2,33 ⋅ 10 2 Sa d ак −6

где

(A),

d ак - расстояние между катодом и анодом; S а - площадь анода.

И наконец область III - режим насыщения. В этом режиме нет объемного заряда электронов у катода (кривая с на рис.3.7). В режиме насыщения ток на аноде I а = I э . Потенциальная диаграмма (кривая с) несколько провисает вниз. Это связано с тем, что в любой точке промежутка есть электроны, образующие отрицательный потенциал. Параметры диодного промежутка

Параметры диодного промежутка можно определить по анодной характеристике (рис.3.8):

d Ia (мА/В) - крутизна характеристики; dU a dU a = R i d (кОм) - динамическое сопротивление; Ia

S=

R0 =

Ua Ia

(кОм) - сопротивление постоянному току.

37

Iа (мА)

R 0 ≈ 1,5 R i

- в режиме пространственного заряда.

б

∆I а а

∆U а

U а (В)

Рис.3.8- Определение параметров по анодной характеристике

Ua

В нагрузочном режиме в анодную цепь включается сопроА тивление нагрузки R н . Если при Rн R н =0 все прилагаемое от источEa + ника питания напряжение падает − K Ia между катодом и анодом H H ( E a = U a ), то при наличии R н часть напряжения падает между Рис.3.9 - Схема диодного промежут- катодом и анодом, а вторая часть на сопротивлении нагрузки. ка в нагрузочном режиме E a = U a +U R . н

Надо помнить, что включение сопротивления нагрузки ведет к перераспределению напряжения и соответственно к уменьшению I а . Как перераспределяется напряжение источника питания можно рассмотреть при построении нагрузочной прямой. Сопротивление нагрузки включено последовательно с диодным промежутком, ток через промежуток и R н протекает тот же. В соответствии с законом Кирхгофа для контура, обтекаемого током I а , можно написать:

Ea =Ua+ IaRн.

38

Iа (мА)

Ea Rн Iа

A

U a (В) Ua

U Rн Ea

Возьмем на характеристике (рис.3.10) точку А. В этой точке приложено напряжение U a , и протекает ток I а . Чтобы построить нагрузочную прямую, надо найти две точки. Предположим I а =0, тогда E a =U a . Находим E a - отрезок на оси абсцисс. Теперь найдем точку на оси ординат, при этом U a =0, тогда

Ia =

Ea. Rн

Соединяем эти две Рис.3.10 - Анодная характеристика диточки и получаем нагрузочодного промежутка. ную прямую для данного сопротивления R н . На оси ординат ток анода I а , который протекает и через R н . На оси абсцисс показано напряжение, падающее на промежутке U a , и напряжение, падающее на сопротивлении нагрузкиU R и напряжение источн

ника питания. Если сопротивление нагрузки увеличить, то прямая переместится вниз (точка E a R н ) и, наоборот, уменьшение R н перемещает точку

E a R н вверх. Динамические свойства диодного промежутка

Факторы снижающие эффективность диода при работе на высоких частотах: а) инерционность электронного потока; б) межэлектродная емкость; в) индуктивность выводов. Инерционность - связана с затратой времени на пролет элетронов от катода до анода. Если считать υ к =0; υ a =

= 3 ⋅ 10 7

Ua

2eU a υ + υ a = 1 2eU a = , то υ с р = к m m 2 2

(cм/с). Тогда время пролета электрона составит

τ=

d

υср

= 33

d

Ua

(нс),

где d - в с; U a - в В. Например: d =2 мм; U a =4В; τ =3 нс. Предельная частота, выше которой диод использовать нецелесообразно:

39

f пр = Для рассматриваемого диода

f пр =

1 . 2τ

1 2 ⋅ 3 ⋅ 10

= 166 МГц.

−9

Влияние межэлектродных емкостей

Практически предельная частота может быть еще ниже из-за емкости АК→( С ак ), через которую протекает емкостной ток. С ростом частоты этот ток сравним с наведенным, что приводит к уменьшению выпрямленного тока. При очень высоких частотах на свойства диода оказывает влияние индуктивность выводов ( L а - анода и L к - катода). Lв = Lа + Lк.

Индуктивность выводов невелика ∼ 0,01 мкГн, индуктивное сопротивление ω L в с ростом f может оказаться значительным. Частота

f0

- собственная резонансная частота диода

f0=

1 2π L в C ак

Рабочая частота диода должна быть ниже

Iа

.

f 0.

Iа (мА)

(мА)

I а им п. Ua

τ

t

(В) Т Т

t Рис. 3.11 - Импульсный режим Работу диода в импульсном режиме поясняет рис.3.11. Диод имеет статическую характеристику I a = f ( U a) , показанную на рисунке. Напряжение на аноде изменяется по синусоиде с периодом Т. Напря-

40

жение на аноде изменяется от нуля до U a max в положительный полупериод и также в отрицательный. Ток в цепи анода протекает только в положительный полупериод в течение времени τ (τ - длительность импульса).

α=

Т

τ

- скважность, показывает во сколько раз период следования им-

пульсов больше длительности импульса и может достигать величины 10000.

τ Р а им . Р а с р. = Р а им. Т = α . Средняя мощность рассеиваемая анодом Р а с р. в α раз меньше мощности, выделяющейся в импульсе.

3.4. Токопрохождение в триодном промежутке Триод имеет три электрода - появилась сетка. Сетка в этой схеме отрицательна. Результирующее поле у А катода слагается из ускоряющего поля анода и тормозящего + С или ускоряющего поля сетки. У К Еак катода образуется пространстН Н _ венный заряд, образующий ми~ нимум потенциала. Этот минимум зависит от напряжения сет_ ки. Чем больше отрицательный Еcк потенциал, тем больше объемный заряд. Возможность управления Рис.3.12 - Схема питания триобного анодным током путем изменепромежутка ния напряжения сетки - особенность триода. Управление безинерционно вплоть до очень высоких частот. Мощность, затрачиваемая в сеточной цепи на управление анодным током, значительно меньше мощности переменной составляющей тока в анодной цепи. Триод усиливает колебания и является простейшим усилителем.

41

Электрическое поле в триоде

Uа 1 2 0 К

А

1 - поле между витками сетки. 2 - поле по виткам сетки. Итак поле у катода зависит и от U а и от U с , а как ? Вводится понятие действующего напряжения U д :

U д = U с + DU a ,

С1 Рис.3.13 Потенциальная диаграмма триодного промежутка.

где D - проницаемость сетки (характеризует степень проникновения поля анода в пространство сетка-катод и учитывает ослабление действия этого поля на потенциальный барьер у катода по сравнению с полем сетки). Меньшее влияние анодного напряжения объясняется, во-первых, тем, что расстояние от анода до катода больше, чем от сетки до катода, во вторых, поле анода слабо проникает через сетку. Чем гуще сетка, тем меньше проницаемость D . Проницаемость сетки определяется ее геометрией.

D=−

dU c при I a = const . dU a

Ток I a можно менять изменяя U с и U а . Проницаемость показывает сравнительное воздействие U с и U а . Знак минус показывает, что приращения U с и U а разных знаков (сетка отрицательная). При этом D всегда положительна. Тогда закон степени 3/2 для триода

I a = qU D где q = 2,33 ⋅ 10 −6

1

d

3/ 2

,

.

2 с к

Закон степени 3/2 определяет лишь суммарный ток, распределяемый между С и А. Статические характеристики триода

1) Считаем, что U н = const . 2) Меняем U а и U с . Анодные, выходные характеристики : I a = f ( U a) , U c = const . Анодно-сеточные характеристики: I a = f ( U с) при U а = const .

42

Ia Uс> 0 Uс = 0 U с ` U с ``U с ```

U a ``` U a `` U a`

− Uс +U a Рис.3.14 - Анодные и анодно-сеточные характеристики триода.

U a `>U a ``>U a ```; U с `>U с ``>U с ```. При отрицательных U с можно записать I с = 0 : 3/ 2 I к = I a = q( U c + D U a) . Запирающее напряжение сетки - отрицательное напряжение на сетке, когда I a = 0 (напряжение отсечки). Параметры триода

S=

d Ia dU с

- крутизна характеристики (от 1÷50 мА/В); U а= const

dU a Ri = d I a U с= const

- внутреннее, динамическое сопротивление (меняется в диапазоне 1÷100 к Ом);

d µ = − Ua dU c

- коэффициент усиления (до 100). I a= const

µ = S Ri;

µ=

1 . D

Внутреннее уравнение лампы: Это если

R0 =

Ua Ia

Ic = 0.

D ⋅ S ⋅ R i = 1.

- сопротивление лампы постоянному току.

43

С ас 0

Могут меняться от 1÷100(пФ). Входная емкость приводит к появлению реактивной составляющей входного тока . С ак , уменьшая эквивалентное сопротивление нагрузки лампы на высокой частоте, снижает µ, тем сильнее, чем выше частота. С ас - оказывает наиболее сильное действие. Через нее из выходной цепи во входную проходит ток, создавая дополнительное переменное напряжение. Предельная частота работы

А С

К

C ск

С ак

Рис.3.15 - Межэлектродные емкости: C с к - входная; С ак - выходная; С ас - проходная триода

f п р = 25

S

ки C ac

(МГц),

Итак, проходная емкость ограничивает использование триода как усилителя на высоких частотах.

U вых

Простейшая схема усилителя на триоде показана на рис.3.16. В цепь сетки (на вход лампы) включается источник переRн менного напряжения U вх , подлежащего + усилению. В анодную цепь лампы вклюU вх E a чено активное сопротивление R , на кон ~ − тором выделяется усиленное напряжение. − НН Постоянные напряжения E a и E с выбиК E с + раются такой величины, что работа осуществляется на достаточно прямолинейном участке анодно-сеточной характеристики. При подаче в цепь сетки переменРис.3.16 - Каскад с общим каного напряжения U вх в анодной цепи тодом появляется переменная составляющая тока I ma , создающая на сопротивлении нагрузки R н переменное напряжение U вых = I ma R н . Напряжение U вых имеет такую же форму, как и U вх , и большую амплитуду, если R н достаточно велико. Напряжение анода U а при включении R н определяется выражением

44

Uа = Ea− IaRн. При изменении напряжения на сетке меняется I a и U а , причем изменения U вх и U вых всегда противоположны: при увеличении напряжения на сетке растет ток анода, увеличивается падение напряжения на R н и U а падает и наоборот. Управляющее действие сетки при работе прибора с нагрузкой характеризуется нагрузочной крутизной S н :

Sн=

S

R 1+ н Ri

.

Видно, что нагрузочная крутизна всегда меньше статической. Нагрузочный коэффициент усиления k и или коэффициент усиления каскада по напряжению

ки =

U вых = µ . U вх 1 + R i Rн

Триод имеет тем большее усиление, чем больше статический коэффициент усиления µ и чем больше

R н . Практически

целесообразно. Коэффициент усиления по мощности

кр =

Р вых Р вх

Rн Ri

kр µ I = ma , R I mc 1 + i Rн

более 4÷5 выбирать не-

тем выше, чем выше µ и чем выше коэффициент токораспределения.

45

4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ (ЭЛТ) Электронно-лучевой прибор - это электровакуумный прибор, в котором используется электронный поток в форме луча или пучка лучей. К электронно-лучевым относятся: 1) осциллографические трубки; 2) кинескопы - приемные; 3) иконоскопы, ортиконы - передающие; 4) запоминающие трубки; 5) электронные лучевые коммутаторы. Электронная оптика - это фокусировка и отклонение электронных пучков в электрических и магнитных полях.

4.1. Фокусировка электронного потока в электрических полях Скорость электрона, двигающегося в электрическом поле, изменяется как по величине, так и по направлению. На рис.4.1 показаны две области с разными потенциалами, электрон переходит из одной области в другую (U2> U1) со скороI II стями

α1 U1

α2

U2 Рис.4.1 - Преломление траектории электрона

υ1 =

2eU 1 ; m

υ2 =

2eU 2 . m

Направление скорости можно найти из условия равенства tg составляющих скорости в I и II. При прохождении через границу может измениться только нормальная составляющая скорости. Тогда

2eU 1 2eU 2 sinα 1 = sinα 2 ; m m sinα 1 U2 . = sinα 2 U1

Из этого выражения следует, что при переходе электрона в среду с более высоким потенциалом, угол отклонения его от нормали уменьшается. В противном случае электрон удаляется от нормали. Способность электрического поля изменять направление движения электронов используется для формирования электронного пучка. Пучок круглого сечения образуется под действием поля, имеющего осевую симметрию, плоский - полем, симметричным относительно плоскости. Что будет с параллельным пучком электронов, если он будет проходить из области с U1 в область с U2 и граничная поверхность сферическая (рис.4.2).

46

α1 d

α=α1−α2

α2 0

F

r

При U2> U1 , когда α1 >α2, электрон пересечет ось в точке F, это - фокусная точка. Поле в этом случае обладает собирающим действием. Величину фокусного расстояния f легко найти, если d мало, электрон лежит недалеко от оси, α1 и α2 - небольшие:

f = f U2

U1

Рис.4.2 - Фокусировка электронов

=

tg α 1 rα1 d ≈r ≈ = tgα tgα α 1 − α 2 r

U2 . U 2 − U1

Фокусное расстояние не зависит от d, т.е. электроны всего пучка собираются в одной точке (фокусе). Аналогично для U2< U1 пучок рассеивается на границе. Эти поля образуют электронные линзы. В практике таких линз нет. Обычно не бывает таких резких скачков потенциалов. Однако и при плавном изменении поля будет плавное изменение скорости и направления электронов. Электронная линза состоит из двух цилиндров или двух диафрагм с разными U1 и U2 (рис.4.3). Тонкие линии - это эквипотенциальные поверхности. Выпуклость внутрь цилиндра. U2 U1 Допустим U2> U1. В цилиндре 2 потенциал по мере удаления от оси увеличивается и точка с тем же потенциалом располагается ближе к цилиндру 1. Аналогично и в цилиндре 1 . При U2< U1 будет то же самое. Надо перевернуть рисунок, но он симметричный . Для U2> U1 траектория электронов показаРис.4.3 - Электронная на штриховой линией. Электроны все в месте стыка цилиндров будут направлены к оси. В линза цилиндре 2 они встречают рассеивающее поле и электрон будет удаляться от оси. При любом соотношении потенциалов линза - собирающая. Преобладает собирающее поле над рассеивающим, ибо электрон первое поле проходит с меньшей скоростью, большее время подвергается действию электрического поля и сильнее отклоняется, чем во втором. Собирающее действие иммерсионной линзы (f) зависит от

U2. U1

47

Иммерсионный объктив или катодная линза показаны на рис.4.4 (катод и два электрода U1 и U2). 4 Нарисована картина экполей. А 3 випотенциальных 1 Электроны сначала собираются полем, а потом рассеиВ ваются. В отличие от элек2 тронной линзы электроны попадают с нулевой скоростью, поэтому из линзы они выходят расходящимся пучком. Построены траектории А2 К А1 электронов, покидающих катод на границе катода. Траектории 1 и 3 показывают Рис.4.4 - Эммерсионный объектив движение электронов, покидающих катод с наибольшей радиальной скоростью, направленной от оси, а 2, 4 - тоже наибольшей, но к оси. Это - граничные траектории, траектории остальных располагаются между ними. Сечение АВ, в котором пучок имеет наименьший диаметр, называется кроссовером или мнимым катодом. К

U1

U2

4.2. Фокусировка магнитным полем На рис.4.5 показаны магнитные линзы. Они создаются током, протекающим по катушке, имеющей цилиндрическую форму. Расходящийся электронный пучок, следующий вдоль оси собирается к оси. Различают длиннофокусные и короткофокусные линзы. Рассмотрим короткофокусную. Допустим, что магнитное поле действует в пределах самой катушки (АВ). До плоскости А электрон летит по прямой, скорость имеет составляющие по r и по z. В плоскости А0 начинают действовать силы [ e B z υ r] и

[e B r υ z] .

48

А 0 В Вr

Вr В

К

υr К

Вz

υ

B Вz

F Z

Fr υz

Z Рис.4.5 - Магнитная линза

В плоскости В электрон обладает только осевой

υz

и радиальной

υr

со-

ставляющими скорости. υ r при большой индукции направлена к оси. В результате в точке F траектории электронов пересекут ось. Можно посчитать:

4 m2 υ 2

f =

B

.

2 2 e ∫ B ( z ) dz A

Положение F не зависит от угла α, т.е. все электроны, покидающие катод, сходятся в одной точке. Следует так же, что фокусирующее действие короткой катушки не зависит от направления магнитного поля, а следовательно, и от направления тока в катушке 2

2

10 c d U a , f = 2 2 nJ где с - коэффициент, равный 0,6÷0,8; d - диаметр катушек; n - число витков катушки; J - ток через катушку.

4.3. Устройство ЭЛТ (рис.4.6)

49

Y 1

3

4

5

6

X

11

10

7 8

9

H H 2

−

Uм

Y

+

X 12

− Еа +

13

Рис.4.6 - Схема питания ЭЛТ: 1 - стеклянный баллон трубки; 2 - подогреватель; 3 - подогревный, оксидный, торцевой катод; 4 - модулятор; 5 - ускоряющий электрод; 6 - анод первый; 7 - анод второй: 8 - пластины, отклоняющие по оси Y; 9 - пластины, отклоняющиеся по оси Х; 10 - экран (люминофор); 11 - алюминевая пленка; 12 - анод третий, после ускорения; 13 - делитель напряжения (источник питания). Электроды 2÷7 образуют электронный прожектор или электронную пушку. Из электронной пушки выходит сформированный электронный луч. Электроды 8 и 9 образуют отклоняющую систему, обеспечивая движение луча по экрану. Электроды 10 и 11 - экран ЭЛТ. Все электроды электронной пушки запитываются от делителя напряжения (13), напряжение на делителе составляет 10÷35 кВ в зависимости от типа трубки. Положительный вывод источника заземлен, на все электроды подается отрицательное относительно земли напряжение.

50

В торце узкой части (горловины) ЭЛТ расположен термокатод в виде цилиндра (3), внутри которого помещена спираль для подогрева (2). Дно цилиндра с внешней стороны покрыто оксидным слоем; с его поверхности при подогреве эмиттируются электроны. Энергия этих электронов составляет сотые доли электрон-вольта, распределение направления движения подчиняется закону косинуса. Катод расположен внутри другого цилиндра с небольшим круглым отверстием - диафрагмой. Это модулятор (4), к нему подводится небольшой, отрицательный относительно катода, потенциал, регулируемый в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Меняя напряжение модулятора, изменяют плотность тока электронного луча. Электронный поток формируется только за счет электронов, прошедших через диафрагму диаметром около 1 мм. Далее по оси трубки располагаются еще 2 или 3 цилиндра - ускоряющий электрод (5), анод первый (6) и анод второй (7) - это фокусирующие и ускоряющие электроды. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, ускоряющего электрода и анодов и подбора их геометрии в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля - электронные линзы. Проходя через эти линзы, электроны образуют узкий, сходящийся у экрана поток - электронный луч. Энергия электронов в луче соответствует потенциалу второго анода. На рисунке показана ЭЛТ с электростатической фокусировкой. Поля модулятора и ускоряющего электрода образуют иммерсионную линзу, которая ускоряет и фокусирует электроны. Поля модулятора и А1 - вторая линза, А1 и А2 - третья линза. Количество линз зависит от типа трубки. Есть большой класс ЭЛТ с магнитной фокусировкой, где роль фокусирующей линзы выполняет неоднородное магнитное поле короткой магнитной катушки, надеваемой после ускоряющего электрода или после первого анода на горловину трубки. Магнитная линза не может применяться вместо иммерсионной линзы, поскольку магнитное поле изменяет траекторию уже ускоренных электронов, но не может их ускорять.

4.4. Модуляция электронного луча по плотности Изменение плотности тока луча меняет яркость пятна на экране ЭЛТ в широких пределах: от полного исчезновения до максимального значения. Управление осуществляется изменением электрического поля в прикатодной части электронной пушки, между катодом и модулятором. На рис.4.7 показана картина электрического поля, образующего иммерсионную линзу. Возле диафрагмы, в пространстве между катодом и модулятором, существет неоднородное электрическое поле, эквипотенциали поверхности, которого обращены выпуклостью к катоду - область фокусировки электронов.

51

Uм =−10 В

Uуэ=+1500 В

Uк =0 катод модулятор

ускоряющий электрод

Рис.4.7 - Эммерсионная линза Противоположное расположение эквипотенциальных поверхностей в области ускоряющего электрода - область расфокусировки. Линза осесимметрична. Электроны выходят из катода, имеют очень маленькую энергию (примерно 0,01 эВ) и на них действует поле модулятора. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода, поле модулятора возвращает электроны к катоду. Поле ускоряющего электрода, проникая через диафрагму модулятора, ускоряет электроны и обеспечивает их выход через диафрагму модулятора. Обратите внимание, токопрохождение в области этих трех электродов можно считать по законам триодного промежутка, где сеткамодулятор; анод - ускоряющии электрод. Применимы все формулы триодной системы. Iк (мкА)

U ′′ уэ

U ′ уэ > U ′′ уэ , I к = f ( U м) .

Модуляционные характеристики ЭЛТ приведены на рис.4.8, I к - ток катода. U ′ уэ Это ток в луче в области ускоряющего электрода. Не все электроны достигнут экрана. Часть из них из-за значительного углового расхождения при дальнейшей фокусировке не пропускается диа0 фрагмами первого и второго анода. По(В) Uм этому ток луча I л может быть в неРис.4.8 - Модуляционные сколько раз меньше тока катода I к . Из характеристики модуляционных характеристик видно, что чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше I к - меньше электронов проходит через модулятор. При U м =U м з ток катода равен нулю, ЭЛТ заперта, U м з - потенциал запирания. Когда ЭЛТ заперта, на экране нет пятна. Потенциал запирания зависит от потенциала ускоряющего электрода. Чем выше U уэ , тем больше и

52

потенциал запирания. Связь между катодным током и потенциалом модулятора выражается зависимостью: γ

 U м − U м з 32 = b  U мз , Iк   U мз  где

I к - в микроамперах; U м ,U м з - в вольтах;

b - коэффициент 2,3÷2,8 мкА/В3/2;

γ - 2,5÷3,5.

В области запирания γ =2,5, а при U м =0 γ =3,5. Важным параметром модуляционной характеристики служит ∆ U м - модуляция.

∆U м = U м з − U м н ,

где U м н - напряжение, при котором ток луча достигает номинального для данного типа трубки значения. Величина модуляции ∆ U м связана с другим параметром - крутизной модуляционной характеристики (мА/В).

∆ Iк

Sм= ∆

Uм

.

Надо отметить, что крутизна S м для трубок с магнитной фокусировкой значительно выше. Поэтому магнитная фокусировка применяется, когда необходима интенсивная модуляция луча, например, в радиолокационных индикаторах с яркостной отметкой. После ускоряющего электрода электроны луча проходят область первого и второго анодов, где фокусируются и ускоряются. Проходя в плоскости электрода электроны приобретают энергию, соответствующую потенциалу этого электрода. Покидая электронную пушку, электроны проходят через диафрагму второго анода и приобретают энергию, соответствующую потенциалу этого анода (10÷25 кэВ).

4.5. Отклоняющие системы Электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар плоских параллельных пластин (8 и 9), расположенных друг за другом. Одна пара пластин служит для отклонения луча по Х (горизонталь) другая - по Y (вертикаль) (рис. 4.6). Y

53

y2 экран

α

+ υ0

y1

Uпл _

Z

d l2 l L Рис.4.9 - Отклонение луча по оси Y

Траектория движения электрона в области отклоняющих пластин по Y и после них до экрана показана на рис.4.9. l - длина отклоняющих пластин; L - расстояние от середины пластин до экрана; Uа2 - напряжение на втором аноде; d - расстояние между пластинами; Uпл - напряжение на отклоняющих пластинах. Если пренебречь краевым эффектом, то можно считать, что между пластинами существует однородное электрическое поле E = U п л / d . Скорость электрона, приближающегося к отклоняющим пластинам, определяется напряжением на втором аноде.

υ0 =

2

e U . m a2

Полное отклонение будет:

y=

y1 + y2 ; U ⋅l⋅L . y = пл 2d U a2 Чувствительность к отклонению Существенным параметром любой трубки является чувствительность к отклонению ( ε ). Это величина отклонения пятна на экране в мм при изменении на 1 В приложенного к пластинам напряжения.

y = U п л⋅ ε . Следовательно,

54

ε=

lL . 2d U a2

Значение чувствительности зависит от размеров пластин, обратно пропорционально квадрату скорости и прямо пропорционально расстоянию от пластин до экрана, и составляет (0,2÷1) мм/В. Чтобы увеличить угол отклонения и чувствительность применяют косорасставленные, изломанные и изогнутые пластины. Чувствительность к отклонению - это паспортный параметр трубки. Зная чувствительность к отклонению и измерив величину отклонения на экране, можно посчитать величину напряжения на пластинах (U п л ).

4.6. Частотные свойства отклоняющих пластин Трубки с электростатическим отклонением имеют верхний частотный предел. Определяется предельная частота f п ре д, выше которой нельзя подавать напряжение на отклоняющие пластины, по формуле:

f п ре д = 15 где

U а2 l

,

f п ре д - предельная частота в МГц; U а2 - напряжение на втором аноде в В; l - длина отклоняющихся пластин в см.

Физический смысл предельной частоты заключается в том, что пока электрон находится в пределах отклоняющих пластин, напряжение на них не должно изменяться. Иначе сигнал на экране будет искажен. Для современных трубок предельная частота составляет сотни мегагерц.

4.7. Магнитная отклоняющая система Обычно она содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим отклонение электронов электромагнитным полем одной пары катушек, считая что поле ограничено диаметром катушки и в этом пространстве однородно.

55

l L экран υ0

α

Z y

α

Y

l2

r 0 Рис.4.10 - Отклонение луча магнитным полем по оси Y Траектория движения электрона в магнитной отклоняющей системе. Силовые линии магнитного поля уходят от нас. Из физики известно, что электрон с начальной скоростью υ 0 движется в магнитном поле по окружности с радиусом r

r=

m υ0 eB

,

где В - вектор магнитной индукции. При выходе из магнитного поля электрон продолжает движение по касательной в точке выхода из поля . Он отклоняется от оси трубки на величину

y = L tgα .

При малых углах α ≈ tgα : y = L α : Величина центрального угла α равна

l r;

α=

eВ l. m υ0

Отклонение равно

y= Подставив значение υ 0 , получим

y= Учитывая, что индукция

eB l ⋅ L. m υ0

e Ll B. 2m U a

B = knI ,

56

где n - число витков катушки; I - ток через катушку; k - коэффициент пропорциональности, получим

y=

e 2m

Ll

U a2

knI .

Чувствительность к отклонению

εм =

e 2m

Ll

U a2

.

Это величина отклонения луча на экране в мм при изменении магнитного поля катушки на один ампервиток. Видно, что отклонение луча магнитным полем в меньшей степени зависит от скорости электрона, поэтому магнитное отклонение применяется в ЭЛТ с высоким U a (кинескопы, радиолокационные и т.д. трубки). 2

К недостаткам магнитных отклоняющих систем можно отнести невозможность их использования при отклоняющих напряжениях с частотой более 30 кГц. Требования к отклоняющей системе ЭЛТ

1) достаточно большая чувствительность к отклонению; 2) линейность (отклонение линейно по всему экрану); 3) не должна нарушать фокусировку луча; 4) сохраняя все предыдущие требования иметь большой угол отклонения. Отклонение луча в осциллографических трубках

Если поданы напряжения на все электроды электронной пушки ЭЛТ, то луч сформирован и виден в виде светящейся точки в центре экрана. Чтобы луч двигался по экрану, необходимо подать напряжение на обе пары отклоняющих пластин. Осциллографические трубки применяются для анализа формы сигнала (напряжения или тока), т.е. для получения графика изменения измеряемой величины во времени. Для этого исследуемое напряжение прикладывается к одной паре пластин (обычно Y), а к другой паре X прикладывается напряжение пилообразной формы, называемое напряжением развертки (рис.4.11).

57

y Ux

Uy

C

б 0

t1

0 t2

б 0

t3

t4 t5

0

t1 t2

t3

t4 t

а

0

с х d

а

а`

d экран

Рис.4.11 - Принцип получения осциллограмм При подаче пилообразного напряжения на пластины, отклоняющие по оси Х, луч из центра резко перемещается на край экрана (точка а). Напряжение развертки линейно зависит от времени и под действием этого напряжения пятно равномерно перемещается по экрану вдоль оси до точки С. Потом напряжение скачком меняется с положительного на отрицательное от точки с до точки а` и луч скачком возвращается в точку а. При подаче только напряжения развертки на экране видна прямая линия. Теперь дополнительно подадим напряжение на пластины, отклоняющие по Y. Пусть это будет измеряемое синусоидальное напряжение. В нулевой момент времени по Х луч смещен в точку а, а по Y напряжение равно нулю, луч на экране в точке а. За время от t0 до t1 по Х луч равномерно перемещается к центру, а по Y - напряжение меняется до амплитудного, выписывая 1/4 синусоиды. За время от t1 до t2 по Х луч равномерно перемещается до точки 0, а по Y напряжение падает от амплитудного до нуля. Точно также записывается отрицательный полупериод синусоиды. При подаче показанных сигналов во времени, на экране увидим один полный период синусоиды измеряемого напряжения. Если по Х развертку не менять во времени, а период синусоиды уменьшить в 2 раза, то и на экране увидим 2 периода синусоиды.

4.8. Экран На стекло наносится люминофор, а на люминофор - слой алюминия. Слой люминофора (светосостав) преобразует кинетическую энергию электронов луча в энергию излучения в видимом диапазоне длин волн. Свечение люминофора - катодолюминесценция, экран - люминесцирующий.

58

4

2

8 5

W0

6

9

11

зона проводимости запрещенная W0 зона

7

12

3

Валентная зона

1

Рис.4.12 - Энергетическая диаграмма

Явление свечения катодолюминофора объясняется переходом электронов с более высокого энергетического уровня на один из разрешенных низших уровней (рис.4.12). При этом выделяется квант света. W0 ≈ 2эВ. Внутри запрещенной зоны имеются локальные разрешенные уровни, возникшие за счет примесей и дефектов. Катодолюминофоры близки к примесным полупроводникам, но являются хорошими

диэлектриками. При бомбардировке электронами, часть электронов из валентной зоны может быть переброшена в зону проводимости (1-2; 3-4; 7-8). Если в этом случае электрон вышел из кристалла, наблюдается вторичная эмиссия. Электроны, оставшиеся в зоне проводимости, повышают электропроводность кристаллов. Это явление - возбужденная проводимость. Покидают люминофор некоторые электроны, а остальные остаются в зоне проводимости, вызывая новые акты возбуждения и выход третичных электронов. Электроны, не вышедшие из кристалла, но оказавшиеся в зоне проводимости, быстро переходят на свободные нижние уровни (переходы 2-5; 8-9). У этих электронов есть две возможности для рекомбинации с дыркой (переход в валентную зону или на локальный уровень (5-6). Переход первый маловероятен. Более вероятен второй - с выделением кванта света. Поскольку примесных уровней много, спектр излучения - полоса (тепловые колебания размывают спектр). Рассмотренный механизм катодолюминесценции, казалось бы, не зависит от параметров пучка электронов, а определяется люминофором. Переходы 1-2-5-6 протекают быстро, поэтому разгорание и затухание свечения люминофора должно происходить мгновенно. Однако, затухание иногда растягивается на минуты (послесвечение). Электроны задерживаются в электронных ловушках (дефектах кристаллической решетки) (7-8-9-10-11-12). Требование к люминофору:

1) высокая эффективность преобразования энергии электронов в световое излучение (КПД≈ 20%); 2) определенный цвет свечения;

59

3) высокая физико-химическая стойкость; 4) важна вторичная электронная эмиссия (уносит заряд); 5) термостойкость - сохранение свойств. Параметры экрана: 1) световая отдача; 2) яркость свечения; 3) разрешающая способность; 4) длительность послесвечения; 5) потенциал экрана; 6) яркость изображения. Световая отдача ( η ) - это отношение силы света, излучаемого в направлении, перпендикулярном поверхности экрана (измеряемой в канделах), к мощности электронного луча

η=

Jс P эл

кд/Вт.

η 4 Яркость свечения (В) - сила света, излучаемого с 1 м2 равномерно светящейся поверхности в направлении наблюдателя. Измеряется в кд/ м2

2

B = A J( U a − U 0 ) n ,

5 20 Ua (кВ) Рис.4.13 - Изменение световой отдачи от ускоряющего напряжения

где А = const характеризует люминофор; J - плотность тока электрон-

ного луча; U a - ускоряющее напряжение;

U0

- минимальное ускоряющее напряжение, при котором появляется

свечение (≈ 300 В)(мертвый потенциал); n - зависит от люминофора ( n =1÷2,5). Чем выше разрешающая способность, тем больше количество информации, воспроизведенной на экране. Оценивается числом отдельно различимых светящихся точек на 1 см2 площади экрана и числом строк, приходящихся на 1 см экрана, либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Для высокой разрешающей способности нужен тонкий, хорошо сфокусированный луч, малая зернистость экрана.

60

Длительность послесвечения определяется (луча нет, а люминофор светится) временем свечения после выключения луча до момента, когда яркость свечения упала в 100 раз (от десятков микросекунд до нескольких секунд для разных люминофоров). Потенциал экрана При бомбардировке экрана (а он диэлектрик) электронами луча, которые имеют энергию в несколько кэВ, наблюдается вторичная эмиссия электронов. Энергия электронов, бомбарσ дирующих экран, соответствует потенциалу А 2 . От величины коэффициента вторичной эмиссии зависит потенциал экрана б с (рис.4.14). Если σ < 1 под лучом 1 а d скапливаются электроны, экран заряжается отрицательно, достигает потенциала катода и оттал∼300В ∼35кВ Uа2 кивает электроны луча. При этих Рис.4.14 - Изменение коэффициента условиях экран не светится. Навторичной эмиссии σ от блюдаются две области, а-б при потенциала А2. Ua2<300 В и с-d при Ua2>35 кВ. Ua2 ≈ 300 В - называют мертвым потенциалом. Если напряжение на аноде втором меняется от б-с и σ > 1 , то под лучом экран заряжается почти до потенциала А 2 и экран под действием луча светится. Важно отвести вторичные электроны от поверхности экрана. Они могут возвращаться на экран, образуя отрицательный потенциал, что приводит к снижению скорости первичных электронов, а соответственно и яркости свечения. Широкое распространение получили алюминированные экраны. В экранах этого типа на слой люминофора наносится тонкая пленка (примерно 1 мкм) алюминия, которая обычно соединяется со вторым анодом. В результате: 1) потенциал экрана всегда равен U a и не зависит от σ ; 2

2) повышается светоотдача из-за отражения светового потока от пленки; 3) возрастает контрастность изображения из-за уменьшения засветки экрана рассеянным светом изнутри; 4) люминофор более долговечен, поскольку не попадают на него отрицательные ионы (они не могут пройти сквозь алюминиевую пленку из-за большой массы).

61

В трубках с большой скоростью движения луча по экрану для сохранения достаточной яркости необходимо увеличивать энергию электронов или потенциал второго анода. Однако при этом пропорционально уменьшается чувствительность к отклонению. Поэтому в современных высокочастотных ЭЛТ электронам придается большая скорость лишь после того, как они пройдут отклоняющую систему. При этом сохраняется высокая чувствительность и достигается требуемая яркость при большой скорости развертки. Это трубки с послеускорением. На раструбе этих трубок из аквадага нанесен кольцевой проводящий слой, который имеет отдельный высоковольтный вывод. Это анод третий, на который подается напряжение в 2÷2,5 раза больше, чем на анод второй. Уже отклоненный луч проходит в поле А 3 и ускоряется, обеспечивая более высокую яркость луча на экране. Роль А 3 : 1) повышается яркость экрана; 2) повышается разрешающая способность; 3) увеличивается скорость записи сигнала; 4) улучшается фокусировка; 5) чувствительность к отклонению не изменяется.

4.9. Осциллографические трубки Осциллографическая трубка - одно, двух или многолучевой прибор, предназначенный для наблюдения или регистрации изменений во времени быстропротекающих процессов (частотой до 400 МГц, причем необходимо достаточно точно измерять амплитудные и фазовые характеристики сигналов). Необходима высокая разрешающая способность (число отдельных разрешимых линий, укладывающихся на 1 см экрана или на весь экран): до 2÷2,5 тысяч строк на экране. Поэтому требуется луч, диаметром не более 0,5 мм. Чем меньше ток луча и выше ускоряющее напряжение, тем выше разрешающая способность. Чем крупнее зерна люминофора, тем меньше разрешающая способность. ЭЛТ должна обеспечивать большую скорость записи. Скажем, надо развернуть один период на весь экран. При f=10 МГц и при длине развертки 10 см скорость записи составит: 6 υ z = lf = 10 м/с. Повысить скорость записи можно увеличивая яркость свечения ( А 2 ) или если использовать более эффективный люминофор. Необходимо анализировать сигналы с малыми амплитудами (надо получить большую чувствительность к отклонению). Обычно в осциллографах по оси Х осуществляется развертка во времени. Электронный луч, пробегая с постоянной скоростью по экрану, быстро воз-

62

вращается в исходную точку (на время обратного пробега луч запирают по модулятору). Дно колбы трубки делают плоским (сохраняется линейность). Форма колбы трубки позволяет поглощать отраженный внутри трубки свет. Боковые стенки колбы покрывают внутри проводящим слоем графита (аквадаг): 1) для улавливания вторичных электронов с экрана; 2) для улавливания электронов луча, если он рассеян; 3) для предохранения луча от внешних электрических полей; 4) для поглощения света с экрана, идущего внутрь колбы. В большинстве трубок используется электростатическая фокусировка, собранная по двухлинзовой системе. Ток луча примерно равен 100÷500 мкА. Применяют обычно электростатическое отклонение. Цвет экрана - зеленый или желто-зеленый для фотографирования.

4.10. Радиолокационные трубки Принципиально не отличаются от ЭЛТ. Обычно работают в режиме яркостной отметки. Луч разворачивается постоянно (обычно по круговой развертке), одновременно при круговой развертке отклоняется в радиальном направлении. При отсутствии сигнала луч заперт отрицательным напряжением модулятора. Приходящий (отраженный от цели) сигнал подводится к модулятору, отпирая луч. На экране появляется светящееся пятно. Положение его на экране определяет координаты лоцируемой цели. Чем меньше размер пятна и чем точнее координаты пятна соответствуют координатам цели, тем точнее положение цели. Необходима: 1) высокая разрешающая способность; 2) высокая яркость; 3) экран с длительным послесвечением. Поэтому трубки имеют: 1) высокие ускоряющие напряжения; 2) магнитную фокусировку; 3) магнитную отклоняющую систему. Находят применение трубки с записью темной трассой - скиатроны. Эти трубки имеют экраны, покрытые солями калия, обладающие очень длительным временем сохранения темного следа электронного луча (несколько дней и даже месяцев). По мере надобности след необходимо стирать. Обесцвечивание экрана достигается кратковременным прогревом путем пропускания электрического тока через прозрачный проводящий слой, служащий подложкой для слоя хлористого калия.

4.11. Дисплей

63

Для изображения знаков на экране ЭЛТ применяется матричный метод генерации знаков. Дисплей снабжен матричным знакогенератором, который преобразует код символа (т.е. изображение буквы, цифры) на клавише в определенную последовательность электрических сигналов. Эти сигналы поступают в схемы управления работой ЭЛТ. Блок развертки обеспечивает движение луча по экрану. Символ на экране ЭЛТ состоит из набора светящихся точек . Дисплеи могут быть текстовыми и графическими. Количество символов составляет 500÷4000. Появились цветные дисплеи. У нас чаще для дисплеев применяют кинескопы (и цветные тоже). Существуют ЭЛТ, в которых для генерации различных цветов используется один электронный луч. Экран при этом изготовлен в виде “бутерброда” из нескольких слоев люминофора. Луч, в зависимости от энергии, вызывает свечение одного из слоев.

4.12. Запоминающие трубки (потенциалоскопы) (рис.4.15) Сигнал записывается не только в виде светящегося изображения на экране, но и одновременно в виде потенциального рельефа на поверхности помещенного перед экраном диэлектрика, способного длительное время сохранять данный рельеф. Это позволяет многократно воспроизводить осциллограмму или увеличивать время ее свечения. 3 2 Х Y 1

записывающий прожектор

1- экран; 2 - мишень; 3 - коллектор; 4 - воспроизводящий катод. 4

Рис.4.15 - Потенциалоскоп Экран покрыт проводящим слоем и можно подавать +4 кВ. Перед экраном, нанесенном на тонкое токопроводящее покрытие (прозрачное), находится запоминающая секция - мишень, коллектор. Мишень - мелкоструктурная сетка с шагом 100 мкм, покрытая со стороны прожектора тонким слоем высококачественного диэлектрика. Коллекторная сетка находится в непосредственной близости от мишени и электрически соединена с металлической подложкой или имеет отдельный вывод. Перед за-

64

поминающей секцией находится прямонакальный воспроизводящий катод зигзагообразной формы. Запись сигнала Перед записью сигнала поверхность диэлектрика мишени должна быть подготовлена: ей должен быть сообщен одинаковый для всех точек отрицательный потенциал (по отношению к воспроизводящему катоду). Для этого на мишень подается небольшое (порядка 25 В) положительное напряжение U м и поверхность мишени облучается равномерным потоком медленных электронов с воспроизводящего катода. Поскольку σ < 1 , отрицательные электроны скапливаются до тех пор, пока U м =U k и поступление новых электронов прекратится. После этого положительное напряжение с мишени снимают. Запись сигнала осуществляется электронным лучом. При этом σ >> 1 и попадающие на мишень электроны выбивают из диэлектрика вторичные электроны, которые уходят на коллектор. В результате место падения приобретает положительный потенциал ∆ U м . При перемещении луча по мишени на ней образуется, воспроизводящий траекторию луча с координатами Х и Y, потенциальный рельеф ∆ U м (х,y), который при хорошем качестве диэлектрика может сохраняться несколько суток. Воспроизведение и стирание сигнала Чтобы воспроизвести записанную осциллограмму на люминесцентном экране, мишень облучают широким несфокусированным пучком медленных электронов от воспроизводящего катода. Сетчатая поверхность мишени в местах, имеющих положительный ∆ U м , т.е. вдоль траектории записанного луча, пропускает электроны к экрану, где они воспроизводят кривую в течение одной минуты и более. Ускоряются электроны напряжением +4 кВ на подложке экрана. Для стирания записи подается положительный импульс на мишень и диэлектрик везде приобретает потенциал, равный U k . Скорость записи. Глубина потенциального рельефа, определяется выражением

∆U м =

( σ − 1) J τ

C0

,

где J - плотность тока записывающего луча; τ - время нахождения луча на данном элементе мишени; С 0 - удельная емкость мишени.

65

Отечественные трубки выпускаются со скоростью записи 1200 км/с. Есть трубки, где в качестве потенциалоносителя используется тонкое диэлектрическое покрытие поверхности люминесцентного экрана. Такие бессеточные запоминающие трубки обладают более высокой разрешающей способностью.

4.13 Кинескоп Картина на экране кинескопа формируется за счет различной яркости точек экрана. Это тоже ЭЛТ, но появляются новые требования: 1) достаточная яркость, чтобы смотреть в освещенной комнате; 2) высокая контрастность; 3) высокая разрешающая способность. Попадая на точку экрана, электроны возбуждают свечение люминофора в этой точке. Яркость свечения зависит от интенсивности луча. Управляет количеством электронов (током луча) видеосигнал, поступающий от передающей телевизионной станции. Этот сигнал подается на модулятор кинескопа и в зависимости от амплитуды изменяет ток луча, следовательно, и яркость пятна, создаваемого им на экране. Одна точка не создает изображения, оно состоит из множества точек, имеющих различную яркость свечения. Поэтому луч надо смещать. Электронный луч движется так, как мы читаем книгу (построчно). Чтобы осуществить такое движение луча, на горизонтально отклоняющую катушку подается пилообразный сигнал, а на вертикальную катушку пилообразный сигнал, изменяющийся гораздо медленнее. Для вещания телевизионной систем имеет стандарт 625 строк в кадре. Отклоняющие напряжения подобраны так, чтобы во время, пока пучок прочертит 625 строк, он сместился на всю высоту кадра. Сетчатка глаза в течение 1/15 с сохраняет изображение предмета. Если изображения на экране меняются реже 15 раз в секунду, то глаз будет замечать смену кадров. Подают 25 кадров в секунду. Удобнее передавать 50 полукадров в секунду, тогда каждый кадр состоит из двух последовательных полей, содержащих четные и нечетные строки кадра. Поэтому f =50 кадров. От частоты, с которой будет меняться яркость луча, зависит передача мелких деталей. В одном кадре может быть 250000 изменений яркости луча (точек). f=6,25 МГц - с такой частотой может быть промодулирован сигнал, поступающий на модулятор кинескопа. Для достижения необходимой яркости U ус к≈ 10 кВ. Диаметр пятна ≈ 0,4 мм. Экраны современных кинескопов алюминируются и пленка Al надежно защищает люминофор от разрушения ударами отрицательных ионов, образующихся в межэлектродном пространстве.

66

Цветные кинескопы Человек способен различить 10÷13 тыс. цветовых оттенков. Установлено, что цветовое зрение человека трехкомпонентно. Т.е. наименьшее количество цветов, из которых могут быть получены реальные цвета равно трем (красный, зеленый и синий). Глаз наиболее чувствителен к зеленому, потом к красному и менее к синему. На передающей станции достаточно сложное многоцветье необходимо разложить на три цветовых потока, преобразовать их в электрические сигналы и передать. В кинескопе цветного телевизора надо принять три сигнала, смешать их в одно цветное изображение. Значит на экране должны получаться три изображения передаваемой картинки. Это возможно, если элетронно-лучевая система состоит из трех пушек и интенсивность электронного луча каждой из них управляется одним сигналом цветности, а экран изготовлен из трех люминофоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом, причем каждый только поддействием своей пушки. Из изображений на экране одной и той же картинки в трех цветах глаз синтезирует цветное изображение, соответствующее оригиналу. Сейчас используют две разновидности цветных кинескопов: 1) с “дельтовидным” расположением пушек и мозаичным экраном ( - дельтавидное); 2) с планарным расположением пушек и линейчатым, штриховым экраном (оси прожекторов в одной плоскости). Первый принцип использует: 1) дельтавидное расположение пушек; 2) теневую металлическую маску; 3) мозаичный экран. Надо, чтобы луч попадал на экран только на “свои” зерна люминофора. Это достигается: 1) специальной технологией изготовления экрана; 2) выбором угла наклона пушек к оси кинескопа; 3) теневой маской; 4) системой магнитов, корректирующих движение электронных лучей. За счет наклона осей и действия “сводящей” системы все три луча пересекаются (сводятся) в одной плоскости. В этой плоскости помещается теневая маска - тонкая (0,15 мм) стальная пластина, в которой имеется около полумиллиона отверстий диаметром 0,25÷0,3 мм. Отклонение всех трех лучей осуществляется одной магнитной отклоняющей системой. При любом угле отклонения в пределах экрана обеспечивается прохождение всех трех лучей через одно из отверстий маски.

67

За отверстием лучи несколько расходятся и попадая на экран, расположенный примерно в 15 см от маски, высвечивают на нем небольшие круги, центры которых являются вершинами равностороннего треугольника. На места, куда попадают лучи от красной, зеленой и синей пушки надо нанести люминофоры, светящиеся именно этими цветами. Каждая группа из трех различных люминофоров образует триаду. Число триад ≈ полмиллиона. Триада - элемент изображения. На маске оседает 5/6 пучка без пользы. Uуск=16 кВ; Если iчб=100 мкА, iцв=600 мкА, Uцв=25 кВ. При планарной системе используется маска щелевая. Сдвиг луча по вертикали не нарушает свечения. Наводить надо по горизонтали. Этот прием реализуется в кинескопах с самосведением, автоматическим сведением лучей. Они лучше, но сложнее и дороже.

4.14 Передающие телевизионные трубки Передающая трубка преобразует оптическое изображение в видеосигнал. В простейшем случае это - фотоэлемент, на катод которого попеременно проецируются отдельные элементы передаваемого изображения. Или много фотоэлементов, сигналы от каждого из которых передаются поочередно. Наибольшее распространение получили трубки, в которых электронный луч развертывает оптическое изображение, спроецированное на фоточувствительную поверхность - это трубки без переноса изображения (иконоскоп, ортикон); или луч развертывает электронное изображение, перенесенное с фотокатода на специальную мишень (супериконоскоп, суперортикон).

68

Суперортикон

9

10 13 12 11

6

1

2 3 4

7

14

5

Видео сигнал

R 8 Рис.4.16 - Суперортикон 1 - полупрозрачный фотокатод; 2, 5, 6, 7 - ускоряющие электроды; 3 - сетка; 4 - мишень; 8 - фокусирующая катушка; 9 - отклоняющие катушки; 10 - корректирующие катушки; 11 - модулятор, катод; 12 - коллектор вторичных электронов, он же анод электронной пушки; 13 - диноды фотоумножителя; 14 - анод фотоумножителя. Колба суперортикона состоит из двух цилиндров разного диаметра (рис.4.16). На переднюю плоскую поверхность большого баллона с внутренней стороны нанесен сплошной полупрозрачный фотокатод, освещаемый снаружи трубки. В плоское дно меньшего цилиндра вварена электронная пушка. Трубка охвачена длинной катушкой (соленоидом), создающей однородное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси трубки. С помощью линзы на катоде создается оптическое изображение. Плотность тока электронов с катода из каждого элемента пропорциональна освещенности. Фотоэлектроны ускоряются электродом 2 и ведомые магнитным полем переносятся на мишень 4, выполненную из тонкого стекла. Мишень заряжена по отношению к фотокатоду положительно (в несколько сот вольт).

69

Электроны выбивают вторичные, причем σ > 1 . Вторичные электроны, покидая диэлектрическую мишень, оставляют на ней зарядовый рельеф (при σ > 1 - положительный). Светлые места имеют более положительный потенциал, темные - менее. Причем рельеф получается более глубоким, чем если бы электроны осаждались на диэлектрике, идет уже усиление сигнала (электронное). Чтобы вторичные электроны не возвращались обратно, на расстоянии (30÷60 мкм) помещают мелкоструктурную сетку “3”, положительную относительно мишени. Мишень и сетка образуют конденсатор, накапливающий заряд при записи изображения. Мишень - особенность суперортикона (4 -5 мкм), тонкая пленка из специального стекла, обладающего повышенной электропроводностью. Из-за малой толщины поперечное сопротивление небольшое и потенциальный рельеф успевает проникнуть и на противоположную сторону. Продольное сопротивление достаточно велико и нет заметного растекания заряда по поверхности и сглаживания рельефа Теперь потенциальный рельеф необходимо считать, преобразовать в видеосигнал. Этим занимается электронный луч, который обегает мишень по закону телевизионной развертки, строка за строкой. Считывающий луч создается пушкой (катод -11, модулятор - 11, анод -12). При токе луча 1-2 мкА диаметр луча у мишени 30÷40 мкм. Для получения неискаженного изображения надо, чтобы луч был во всех точках перпендикулярен мишени. Это достигается подбором потенциалов на электродах и магнитными катушками. Для считывания используются электроны малой энергии( σ < 1 ). Они замедляются одним из электродов около мишени (5). Если фотокатод затемнен, рельефа нет. При развертывании луча по такой мишени она заряжается электронами до нуля (катода). Электроны луча отталкиваются от мишени и возвращаются. Возвращающиеся электроны ускоряются полем анода 12, который одновременно является первым эмиттером электронного умножителя. Он имеет σ > 1 . Первичный ток усиливается в σ раз. Проходя по динодам ток возрастает в несколько тысяч раз и стекая по R создает ∆ U R , передаваемое на усилитель. В случае неосвещенной панели сигнал остается постоянным. Спроецируем изображение. При развертке электронный луч покрывает каждый элемент мишени, оставляя на нем ровно столько электронов, сколько надо для нейтрализации его положительного потенциала. Таким образом, отраженный луч будет негативно промодулирован передаваемым изображением. Переменная составляющая этого потока - видеосигнал. Заряд на мишени накапливается, пока луч снова не прийдет на этот элемент (трубка с накоплением заряда).

70

Видикон (рис.4.17) Появились фотоэлементы с внутренним фотоэффектом - фотосопротивлением, чувствительность их значительно выше. 10 8 9

1

2

3

4

5 6 7

−30 В видео сигнал

Рис.4.17 - Видикон 1 - катод, 2 - модулятор, 3 - анод первый, 4 - анод второй, 5 - сетка, коллектор, 6 - фотосопротивление, 7 - прозрачная, сигнальная пластина, 8 подстроечная магнитная катушка, 9 - отклоняющие катушки, 10 - фокусирующие катушки. Передаваемое изображение проектируется через прозрачную металлическую пластину 7 на фотосопротивление, нанесенное непосредственно на сигнальную пластину. Электронный пучок прожектора развертывает противоположную сторону фотосопротивления. Фокусируется он магнитной катушкой, в которой помещается вся трубка. Тонкая прозрачная для электронов сетка 5 создает перед фотосопротивлением однородное электростатическое поле. Сигнальная пластина имеет постоянный относительно катода потенциал ∼ 20 В. Пучок медленных электронов при развертке фотосопротивления заряжает поверхность до потенциала катода. Если нет освещения, несмотря на разность потенциалов фотосопротивление значительное и течет малый темновой ток. Когда проектируется световое изображение, проводимость в освещенных участках резко возрастает, в результате развертываемая поверхность заряжается до потенциала +1÷2 В по отношению к катоду. Считывающий луч тонкий (20÷30 мкм), с очень малым током (I=0,3÷0,6 мкА). Стекло входное - полированное. Фотослой имеет сопротивление R=1011÷1012 Ом⋅см. Может работать в двух режимах:

71

1) развертка медленными электронами; 2) развертка быстрыми электронами. Образуется множество элементарных конденсаторов. На коммутируемой поверхности создается потенциальный рельеф. При прохождении электронного луча все элементы опять доводятся до потенциала катода. Но поскольку величина их была разная и изменение ∆U разное, это - видеосигнал. Разрешающая способность видеоканала при Д=26 см - 600 строк. Недостаток - высокая температурная зависимость.

5. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Электронные приборы, в которых управление током осуществляется с помощью света, называются фотоэлектрическими приборами. К ним относятся электронные фотоэлементы, ионные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Эти приборы преобразуют свет в электрический сигнал и усиливают его. Отличительной особенностью этих приборов является электрод, эмиттирующий электроны - фотокатод.

5.1. Фотокатоды Фотокатоды делают из материалов, являющихся эффективными эмиттерами фотоэлектронов в требуемой спектральной области. Наибольшее значение имеют фотокатоды, работающие в видимой области спектра. Чаще всего применяют полупроводники. Массивные фотокатоды (толщина пленки 25÷40 нм) облучают со стороны вакуума. Облучаемая и эмиттирующая стороны совпадают, катод работает на отражение. Полупрозрачные фотокатоды облучаются со стороны подложки. Работают на просвет . Наносятся непосредственно на стекло колбы. Фотокатоды изготавливают трех типов: 1) чувствительные в ультрафиолетовой области; 2) чувствительные в видимой части спектра; 3) чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области. Технология нанесения - сложный технологический процесс.

5.2. Электронный фотоэлемент Это вакуумный диод. В стеклянном баллоне в вакууме размещены фотокатод и анод (рис.5.1).

72

Анод

hν Катод

Uвых + Ea

Рис.5.1 - Схема включения фотоэлемента На фотокатод подает квант света hv . При освещении фотокатода он начинает эмиттировать электроны и в анодной цепи возникает ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока Ф

I a = К ⋅ Ф,

где К - интегральная чувствительность.

К=

Ia Ф

(мкА/лм).

Интегральная чувствительность показывает величину анодного тока в микроамперах, вызываемого световым потоком в один люмен, полученном от источника света определенного типа. Е а = 150 ÷ 200 В.

U R = I a R н = R н КФ.

Интегральная чувствительность достигает К = 100 мкА/лм. Важным параметром фотокатода является его спектральная чувствительность К λ , которая характеризует величину фотоэлектронной эмиссии, возникающей под действием светового потока Ф определенной длины волны

Кλ =

Iа . Фλ

Кλ Сурьмяно-цезиевый Кислородноцезиевый

λ Рис.5.2 - Спектральные характеристики фотокатодов

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой фотокатода. Видно, что катоды сильно отличаются по спектральной чувствительности (рис.5.2).

Анодная характеристика элемента I a = f ( U a) , режимы прохождения тока, способы расчета представлены в главе 3.3.

73

Ia

Ф1

(мкА)

Ф2

Ф1 > Ф2

Ua Рис.5.3 - Анодные характеристики На рис.5.3 представлены анодные характеристики электронного фотоэлемента при разных потоках света. Зависимость тока фотоэлемента от величины светового потока I a = f ( Ф) при U a = const называется световой характеристикой. Эта характеристика линейна.

5.3. Ионный фотоэлемент При наполнении фотоэлемента инертным газом (гелий, неон) появляется возможность повысить чувствительность прибора путем зажигания несамостоятельного газового разряда. Вольт-амперная характериIа стика ионного фотоэлемента 1 2 3 I a = f ( U a) при Ф = const представлена на рис. 5.4 Наблюдают три области на I а = I раб характеристике при изменении напряжения на аноде: I а = I н ас 1 - режим пространственного разряда; 2 режим насыщения Ua ( I а = I эм ); Рис.5.4 - Вольт-амперная характери3 - режим газового усиления. стика ионного фотоэлемента. Когда напряжение на аноде становится достаточно большим, в приборе возникает ударная ионизация газа и ток анода увеличивается, следовательно, увеличивается и чувствительность прибора. Отношение тока в рабочей точке к току насыщения называется коэффициентом газового усиления:

74

k г у=

I раб . I н ас

Обычно он имеет величину 5÷8. Дальнейшее увеличение коэффициента невозможно из-за опасности возникновения тлеющего разряда.

5.4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) Фототок мал, измеряется в микроамперах и практически в приборах необходимо его значительное усиление. В ФЭУ для этого используется вторичная эмиссия (рис.5.5). 2

5

1

3

3

Д1

Д3

hv

4 3 R1

R2

R3

Ea

Д2

R4

R5

R6

+

Рис.5.5 - Схема ФЭУ 1 - полупрозрачный фотокатод,2 - диафрагма, 3 - диноды, 4 - анод, световой поток, 5 - кольцо.

hv -

Световой поток падает на полупрозрачный фотокатод 1 и выбивает из него электроны, которые попадают в ускоряющее поле диафрагмы 2. ФЭУ прибор высоковакуумный, и электроны, двигаясь к аноду, не сталкиваются с атомами. Ускоренные и сфокусированные диафрагмой 2 и кольцом 5 электроны направляются на динод 3. Диноды (вторичные эмиттеры) обладают значительным коэффициентом вторичной эмиссии ( σ ). Выбитые из Д1 вторичные электроны направляются на следующий динод Д2, имеющий более высокий потенциал, и также выбивают из него вторичные электроны в еще

75

большем количестве и т.д. Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего электрода к последующему. Напряжение на электроды ФЭУ подается от делителя напряжения (R1 - R6), обычно рабочее напряжение делится между каскадами ФЭУ. Каждая из ступеней умножения фототока дает усиление в σ раз, а общее усиление ФЭУ, если динодов n равно М = σ n. Например, при σ =10 и n=10 в ФЭУ можно обеспечить усиление 1010 раз. Практически такой коэффициент не получается из-за потери электронов при переходе с одного динода на другой. Обозначив коэффициент передачи тока от одного динода на другой - α и полагая его величину одинаковой для всех ступеней умножения, получим коэффициент усиления М = σ nα n . Обычно коэффициент передачи тока α =0,6÷0,9. Для обеспечения эффективной фокусировки электронного потока, обеспечивающей высокий коэффициент передачи тока, динодные системы делят на три класса: 1) системы с электростатическими полями; 2) системы с магнитными и электростатическими полями; 3) системы с магнитным и высокочастотными электрическими полями. Форма и расположение динодов ФЭУ определяется методом моделирования. Требование к материалам, используемым в динодах ФЭУ: 1) способ получения материалов динодов, обеспечивающих высокую вторичную эмиссию должен быть простым и не оказывать вредного воздействия на параметры фотокатода; 2) динод должен обладать высоким коэффициентом вторичной эмиссии при небольших энергиях первичных электронов (∼100 эВ); 3) динод должен обладать минимальной термоэлектронной эмиссией, ибо это источник шума; 4) динод должен быть термостойким и обладать высокой стабильностью при электронной бомбардировке; его вторично-эмиссионные свойства не должны изменяться со временем. Число ступеней умножения может доходить до 23. Напряжение питания зависит от числа динодов и достигает 2500÷3000 В. Интегральная чувствительность ФЭУ ( К ф ) равна произведению интегральной чувствительности фотокатода ( К к ) на коэффициент усиления ФЭУ. Кф= М ⋅Кк.

76

Интегральная чувствительность фотокатода такая же, как в электронном фотоэлементе (20÷100 мкА/лм) и при коэффициенте усиления 106 интегральная чувствительность ФЭУ достигает 100 А/лм. Выходной ток достигает величины 10 мА.

5.6. Микроканальные пластины Микроканальные пластины (смотри рис. 5.10) нашли применение в электронно-оптических преобразователях и в электронно-лучевых приборах, в которых МКП размещается перед экраном. При этом резко улучшаются все параметры прибора при значительно меньших токах пучка. Микроканальные пластины применяются и в ФЭУ для улучшения временных характеристик. В канале пластины диаметром от единиц до десятков микрон создается сильное электрическое поле (10 кВ/см). В канале длиной l=2 мм при напряжении на аноде U а =1300 В, диаметре канала d=40 мкм среднее время пролета электрона составляет τ ≈ 0 ,7 нс. Разброс по времени ∆τ = 0 ,2 нс. Получены ФЭУ с коэффициентом усиления М = 10 11 при U = 1 кВ на единичной микропластине. При умножении электронов в канале образуются ионы, число которых зависит от остаточного газа и от газа, поглощенного стенками. Интенсивная ионизация газа наблюдается на последних 30% пути в канале, где плотность электронов наибольшая. Ионы ускоряются к фотокатоду, бомбардируют его, а это искажает временные характеристики и разрушает катод. При этом значительно сокращается срок службы. Чтобы избежать этого, совершенствуют технологию откачки, улучшают обезгаживание электродов, применяют МКП с криволинейными каналами, устанавливают две или три пластины с прямолинейными наклонными каналами, чтобы затруднить движение ионов к катоду. В результате коэффициент усиления снижается до 106, а срок службы возрастает в несколько раз. В передающих современных трубках на вход микроканальной пластины методом распыления наносят алюминиевую пленку толщиной 13 нм (рис.5.10).

77

1

2

e

3

4

+ Uа

hv

Рис.5.10 - Схема ФЭУ с алюминиевой пленкой На фотокатод 1 падает поток света ( hv ). Электроны эмиттируются фотокатодом и попадают в ускоряющее поле анода (4). Однако на их пути расположена алюминиевая пленка 2 и микроканальная пластина 3. Электроны, ускоренные до энергии ∼ 1,3 кэВ, проникают через алюминиевую пленку и ударяются многократно в канале пластины. Внутренняя поверхность канала имеет коэффициент вторичной эмиссии σ >> 1 . Обеспечивается в одной пластине коэффициент усиления К = 10 10 . В конце пути в канале образуются ионы, которые полем анода ускоряются в противоположном направлении к катоду. Однако алюминиевая пластина для ионов непреодолимое препятствие, они не могут пройти через нее, поскольку имеют большую массу, а ,следовательно, значительно меньшую скорость. В результате алюминиевая пластина решила почти все проблемы, стоящие перед МКП. Сейчас они широко применяются в передающих ЭЛТ.

5.6. Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы) Мы живем в мире, пронизанном электромагнитным излучением. Лишь очень узкая полоса в спектре этого излучения - видимый свет. Участок спектра, в котором λ излучения изменяется в 2 раза - называется октавой. Видимый свет - 1 октава (0,4÷0,76 мкм). Ультрофиолет - 5 октав. Инфракрасное - 9 октав. Чтобы сделать изображение объекта, излучающего в инфракрасной области, видимым, надо перенести изображение из одной области спектра в другую. Для этого служит ЭОП, он переносит изображение из одной области спектра в другую, усиливает его (рис.5.11).

78

1

2

1 3 1 1 5 4 Рис.5.11- Схема одноканального ЭОПа

Это простейший одноканальный ЭОП. Изображение объекта 1 с помощью линзы 2, пригодной для работы в соответствующей области спектра, проецируется на полупрозрачный фотокатод 3. Фотокатод занимает всю торцевую поверхность прибора. Эмиттируют электроны только те участки фотокатода, на которые упал световой поток от объекта. В результате фотоэмиссия с фотокатода представляет из себя электронное изображение объекта. На этом этапе световое изображение от объекта преобразовано в электронное. Электронное изображение фокусируется электронными линзами, образуемыми электродами 4. Кроме того, эти электроды ускоряют электронное изображение. Электроны достигают энергии ∼ 20 кэВ. С такой энергией поток электронов, который имеет форму объекта, приходит на экран 5 и вызывает его свечение. Экран занимает всю торцевую, противоположную фотокатоду, поверхность прибора. На экране обеспечивается свечение только тех участков, куда попадает поток электронов. Это и есть изображение объекта. На этом этапе происходит преобразование электронного изображения в видимое. В электронно-оптическом преобразователе присходит двойное преобразование из невидимого спектра в электронное изображение, из электронного - в видимое на люминесцентном экране. Состав люминофора экрана подобран так, чтобы получилось яркое и контрастное изображение в видимом свете. Параметры ЭОПов Коэффициент преобразования по яркости энергетической светимости экрана катода Е к

Еэ

ηВ

к энергетической освещенности фото-

η В = Е э = Фэ А э , где Ф - поток излучения; А - площадь изображения;

показывает отношение

Е к Фк А к

79

η = Фэ - коэффициент преобразования потока излучения.

Фк

Можно представить

ηВ = η

1

Γ

2

,

где Γ - электронно-оптическое увеличение, равное отношению линейного размера изображенного объекта на экране к изображению на фотокатоде. Методы усиления яркости изображения 1) Увеличение чувствительности фотокатода. 2) Увеличение световой отдачи экрана. 3) Увеличение Uуск. 4) Уменьшение размеров на экране по сравнению с фотокатодом. Все это дает усиление яркости на 2÷3 порядка, а надо зачастую 106. Двухкамерные ЭОПы (см. рис.5.12) обеспечивают усиление на 1 - 2 порядка. 1

2

3

1`

2`

3`

Рис.5.12 - Схема двухкамерного ЭОПа 1, 1` - фотокатоды; 2, 2` - фокусирующие и ускоряющие электроды; 3, 3` - экраны. Многокамерные ЭОПы (см. рис.5.13) усиливают сигнал на три порядка.

80

1

2

3

1

4

2

3

1

4

2

3

1

4

Рис.5.13 - Схема многокамерного (3) стекловолоконного ЭОПа 1 - стекловолоконные блоки; 2 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 3 - фотокатоды; 4 - экраны. ЭОП из отдельных трех модулей. На входе и выходе модули имеют стекловолоконные блоки, они состоят из тонких параллельных стеклянных световодов. Это - прохождение света по стекловолокну. Стеклянные волокна 2, окружены оболочкой 1 из стекла с меньшим коэффициентом преломления. Волокна спрессованы и спечены так, что блок является ваку1 умно плотным. Наружные торцевые поверхности блоков плоские, внутренние поверхности, на которые наносится экран или фотокатод, вогнутые. Контакт модулей механический. Излучение, вошедшее в торец световода, проходит по нему практически без потерь. Коэффициент пропускания светового потока до 60%, это ниже ,чем в многокамерном со стеклянной перегородкой. 2

81

Микроканальные пластины МКП 1

2

3

4

а)

б)

Рис.5.14 - Схема ЭОПа с микроканальной пластиной (а), умножение электронов в канале МКП (б): 1 - фотокатод; 2 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 3 - микроканальная пластина; 4 - экран. МКП - это стеклянная пластина толщиной 0,5- 1,5 мм, пронизанная множеством каналом диаметром 15÷25 мкм, внутренняя поверхность которых покрыта материалом с большим σ>>1. Каждый канал - фотоумножитель. Усиление фототока в каждом канале достигает 106 независимо один от другого. Электроны из каждого канала попадают в соответствующую точку экрана, формируя изображение. Нет электронной фокусировки, на 1 мм2 - 4000 каналов - поэтому изображение контрастно. МКП обеспечивает усиление 106 раз. Рентгеновский ЭОП (рис.5.15) Применяется, чтобы повысить яркость изображения. 1 2 3 4 5 6

hv

Рис.5.15 - Схема рентгеновского ЭОПа: 1 - объект, который просвечивается рентгеновскими лучами; 2 - экран; 3 - тонкая прозрачная пленка; 4 - фотокатод;

82

5 - ускоряющие и фокусирующие электроды; 6 - экран. Рентгеновские лучи проходят сквозь объект и попадают на экран, преобразуясь в световое излучение. Экран изготовлен из рентгеновского люминофора. Световое изображение через пластину попадает на фотокатод и преобразуется в электронное. После ускорения в электрическом поле электронное изображение уменьшается в 25 - 200 раз (по площади) и превращается в световое. С помощью оптической системы световое изображение можно снова увеличить до необходимых размеров. Усиливается яркость в несколько тысяч раз. Это позволяет: 1) снизить дозу облучения; 2) диагносцировать в незатемненном помещении; 3) можно подавать изображение потом на любую аппаратуру. Применяются эти ЭОПы и для дефектоскопии.

6. ИОННЫЕ И ИНДИКАТОРНЫЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 6.1. Явление газового усиления Прохождение тока через газообразную среду называют газовым разрядом. Все газовые разряды можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Разряд - несамостоятельный, если он горит только при подаче электронов в разрядный промежуток. Причем электроны могут подаваться от любого катода (термокатода, фотокатода). Как только электроны перестают эмиттироваться катодом, разряд гаснет. Самостоятельный разряд развивается от “случайных электронов” (рентгеновское облучение солнцем) и горит только при подаче напряжения между анодом и катодом. Катоды в самостоятельном разряде как правило холодные. Рассмотрим развитие лавины в несамостоятельном разряде (рис.6.1). На катод падает поток света ( hv ) и обеспечивает выход электронов с катода за счет фотоэмиссии. Электроны ускоряются в промежутке анод-катод ( d ) на расстоянии, равном средней длине свободного пробега, набирают энергию, достаточную для ионизации атомов. Происходит ионизация атомов, в результате появляется еще один электрон и ион. Ион движется к катоду, а два электрона - к аноду. В следующий акт ионизации образуются 4 электрона и 2 иона и т.д. Появляется так называемая лавина. Ионы, бомбардируя катод, вызывают дополнительную ионно-электронную эмиссию с катода, увеличивая число частиц в последующей лавине.

83

hv

Ионы, ускоряясь к катоду, способны ионизировать атомы. Все эти процессы обеспечивают развитие разряда. Если под действием света с катода идет ток I е к, а в результате многих лавин в цепи анода установится ток I a , возникает вопрос какая К А связь между ними. Таундсенд ввел коэффициент объемUa ной электронной ионизации α, показывающий, сколько ионизаций совершает электрон на 1 м пути в газе. α - первый коэффициент Таундсенда. β - второй коэффициент Таундсенда, это коэффициент объемной ионной иониd зации, показывающий сколько ионизаций совершает ион на 1 м пути в газе. ИсслеРис.6.1 - Схема развития несамо- дования показали, что этот коэффициент стоятельного разряда . не велик, и мы его не будем учитывать. γ - третий коэффициент Таундсенда, коэффициент ионно-электронной эмиссии, показывающий сколько электронов выбивает из катода один ион, пришедший на него. В результате Таундсенд получил уравнение газового усиления: αd

где

e , I a = I eк 1 − γ ( eαd − 1)

I eк - ток фотоэмиссии с катода; I а - ток разряда .

6.2. Условие возникновения самостоятельного разряда При выводе уравнения газового усиления предполагалось, что из-за малых значений γ и небольших значений α d величина γ ( eαd − 1) < 1 . Это значит, что знаменатель уравнения представляет конечную положительную величину. Если уменьшить ток I е к, то будет уменьшаться и анодный ток. При I е к=0 будет и I a =0. Это характерно для несамостоятельного разряда. Если при I е к= const увеличивать ионизирующую способность электронов (изменяя давление и напряженность электрического поля), то I a будет увеличиваться за счет увеличения менателя

1 − γ ( eαd − 1) .

αd

e

Однако,

в числителе и за счет уменьшения знапока

выполняется

неравенство

84

γ ( eαd − 1) < 1 , анодный ток будет, если есть ток эмиссии, т.е. разряд остает-

ся несамостоятельным. Если, увеличивая α, выполнить условие γ ( eαd − 1) = 1 , то весь знаменатель равен нулю и при I е к=0 появится неопределенность. При малых I е к уравнение дает большие I a . Физически это означает, что ток I a будет и при I е к=0. Лавины настолько мощные, что эмиссия электронов из катода под действием ионной бомбардировки обеспечивает разряд. Таким образом, γ ( eαd − 1) = 1 - условие перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный. Условие: разряд становится самостоятельным, если один из выходящих из катода электронов порождает такое количество ионов, которое приходя к катоду вновь выбивает из него не менее одного электрона. Виды разрядов

Uа

hv

A К

Rб

+ Еа 1

2

3

4

5

6

7

8 ln I a

а) б) Рис.6.2 - Электрическая схема (а), вольт-амперная характеристика разрядов (б) На схеме рис.6.2 показан диод (катод-анод), на катод падает поток света ( hv ), между катодом и анодом приложено напряжение, которое можно изменять при помощи Rб. Жирная точка в диоде показывает, что это прибор ионный (он наполнен газом). Если менять напряжение Еа, то можно получить полную ВАХ разрядов. По оси Х показано изменение Iразряда - Ia; по оси Y - Ua. Можно выделить 8 областей на характеристике. 1 - режим объемного пространственного заряда, 2 - насыщения. Эти области соответствуют режимам обычного диодного вакуумного промежутка и подчиняются тем же законам. Надо отметить, что ток фотоэмиссии невелик и измеряется в микроамперах.3 - режим газового усиления, образуются лавины, ток растет. Это темновой несамостоятельный разряд. Ток измеряется сотнями микроампер. Этот разряд горит в ионном фотоэлементе. 4 - режим перехода из несамостоятельного разряда в самостоятельный. Ток растет, а напряжение разряда падает. Режим

85

неустойчивый, ибо динамическое сопротивление отрицательное. 5 - режим самостоятельного тлеющего разряда. Ток - мА, причем ток растет при постоянном напряжении между катодом и анодом. 6 - область аномального тлеющего разряда. Ток растет с ростом Ua. 7 - переходная область из тлеющего в самостоятельный дуговой. 8 - самостоятельный дуговой разряд, Ua≈ Ui, ток может достигать сотен килоампер. Прибор, как правило, работает в условиях одного разряда, а обеспечивает это Rб, которое не дает перескакивать из одной области характеристики в другую. Балластное сопротивление обязательно в схемах ионных приборов. Каждый тип разряда обеспечивает работу целого класса приборов, мы остановимся на тлеющем разряде.

6.3. Свойства тлеющего разряда (рис.6.3)

Uа а б

Uз

Uа

d с

Uг К

I1

I2 а)

А

I раз d кп

lcт

d ап

б) Рис.6.3 - Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда (а), распределение потенциала между электродами в тлеющем разряде(б) Точка (а) на ВАХ - это точка зажигания (U з ), после зажигания разряда напряжение падает, а ток возрастает. Участок ВАХ (бс) - область горения нормального тлеющего разряда. Напряжение в этой области равно напряжению горения (U г ). Как правило U з >U г . Причем и U з и U г зависят от давления, рода газа, материала электродов, геометрии электродов, расстояния между катодом и анодом. Значит и U з и U г - параметры приборов, а вот ток разряда растет от I 1 до I 2 при почти постоянном напряжении. Кроме постоянного U г в тлеющем разряде на участке (б-с) остается постоянной плотность тока на катоде. Ток разряда растет за счет увеличения рабочей катодной поверхности (светящейся поверхности катода). Если в точке (б) будет светиться малая часть катода, то в точке (с) будет светиться весь катод. Это важно для понимания работы индикаторных приборов. Напряжение между электродами распределяется тоже неравномерно. Можно выделить три об-

86

ласти (рис.6.3, б). Около катода область d кп - катодного падения. В этой области падает почти все приложенное между катодом и анодом напряжение, здесь электроны и ионы ускоряются, это самая важная область разряда. Вторая область lcт - столб плазмы, в этой области напряженность поля почти не изменяется от точки к точке. Это область квазинейтральной плазмы, которая состоит из электронов, ионов и атомов. Причем все они двигаются хаотически, а ni ≈ ne , поэтому плазма нейтральна. В этой области интенсивно идет процесс возбуждения, а он всегда сопровождается выделением света, область светится. Третья область d ап - анодного падения. Величина анодного падения может быть положительной относительно плазмы, может быть равной потенциалу плазмы и может быть отрицательной относительно плазмы, и составляет обычно единицы вольт. Потенциал горения тлеющего разряда составляет сотни вольт (100÷200 В), ток разряда измеряется в мА.

6.4. Индикаторные панели Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) называют матричными, т.к. они представляют множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных элементов. ГИП делятся на 2 группы: 1) постоянного тока с внешней адресацией и с самосканированием; 2) переменного тока. ГИП постоянного тока изображена на рис.6.4. 1 5 4 3

1 - подложки прозрачные, диэлектрические; 2 - катоды в виде полос металла, нанесенных на подложки распылением; 3 - диэлектрическая матрица; 4 - отверстия связи; 5 - полоски металла-аноды.

2 1 Рис.6.4 - ГИП постоянного тока Отверстия связи совмещены с местами пересечения электродов. Пространство между подложками заполнено газом, цвет свечения зависит от газа.

87

Uк

Есм Ua

Ra Ra

Ra Ra

Рис.6.5- Схема включения ГИП постоянного тока с внешней адресацией Эта ГИП с внешними резисторами в цепях столбцов (Ra) .Uа - напряжение строк и Uк - напряжение столбцов. По столбцу все ячейки включаются одновременно. Ток в ячейках, подключенных в строках, может ограничиваться разными резисторами и они могут включаться одновременно. Эта ГИП не обладает внутренней памятью и работает в режиме регенерации изображения. Нормальное формирование изображения в схеме обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу промежуток пробивается, т.е.

Е с м+ U к + U a ≥ U з , а при подаче импульсов только по строке или столбцу разряд не зажигается.

Е с м+ U a < U з ;

Е с м+U к < U з .

ГИП с самосканированием обеспечивает устойчивое зажигание разряда от импульса к импульсу.

88

10 9 8 6 7 6 2 3

5 1 4 а)

б)

Рис.6.6 - Устройство ГИП с самосканированием: а - вид сбоку; б - вид сверху; 1 - прозрачная, диэлектрическая подложка; 2 - канавки; 3 - аноды сканирования; 4 - дежурные электроды; 5 - катод сброса, он один и не имеет отверстий связи; 6 - катоды; 7 - отверстия связи; 8 - диэлектрическая матрица с отверстиями связи; 9 - индикаторные аноды; 10 - диэлектрическая подложка. Сейчас изготовляют ГИПС 222х7. В этой панели 222 катода и 7 анодов. 9 8

Еаи

Rн

6

4

6 Rн Ед

Rн

5 3 Uкс

Uк1

Uк2

Uк3

Еас

Uк1

Рис.6.7 - Электрическая схема ГИПС Цифры, показанные на схеме, соответствуют электродам на рис.6.6. Дежурные электроды (4) имеют отдельные выводы, запитаны через Rн., от источника питания Ед. Между дежурными электродами горит постоянно разряд с током в несколько микроампер. Рядом с дежурными электродами расположен катод сброса (5), он имеет отдельный вывод (Uкс). Катоды (222) подсоединены к трем шинам. Катоды 1,4, 7, 10 и т.д. имеют выводы Uк1; катоды 2, 5, 8, 11 и т.д. имеют вывод Uк2; катоды 3, 6, 9, 12 и т.д. имеют вывод Uк3. Ано-

89

ды сканирования и индикаторные аноды имеют выводы и подсоединяются к источникам питания через Rн. Uкс t1 Uк1

t2

t1 t2

t3 t3

t4 t4

t5 t5

t6 t6

t7 t7

t t

Uк2 t Uк3 t Uаи

t

Рис.6.8 - Импульсы напряжений, подаваемых на электроды Напряжения в виде прямоугольных импульсов подаются в определенные отрезки времени. В течение времени t0 − t1 подается отрицательный импульс на катод сброса, около катода сброса расположен дежурный разряд, его электроны помогают зажечь разряд на катод сброса. Во время t1 − t2 подается импульс напряжения на катоды Uк1 (1, 4, 7 и т.д.). Разряд зажигается на первый катод, ибо около него находится катод сброса, и соответственно электроны, помогающие зажечь разряд. Во время t2 − t3 разряд переходит на катод 2, t3 − t4 на катод 3, t4 − t5 на катод 4 и т.д. на все 222 катода сканирует разряд, происходит шаговое перемещение разряда. Когда разряд доходит до последнего катода, чтобы начать сканирование, надо снова подать импульс на катод сброса. При этом движение сканирующего разряда не видно оператору, он находится со стороны индикаторных анодов. Для формирования изображения используется индикаторный разряд, возникающий в отверстиях диэлектрической матрицы при подаче положительных импульсов Uаи на аноды индикации. Выборка индикаторной ячейки основана на том, что разряд возникает в ячейках, если совпадают два события: на анод индикации поступает импульс Uаи , а разряд сканирования находится в том же столбце, что и данная ячейка индикации. В системе индикации, так

90

же как при сканировании, разряд одновременно происходит только на один катод. Наиболее часто эти ГИПы применяются для воспроизведения буквенноцифровой информации. ГИП с самосканированием работает в режиме регенерации изображения, что ограничивает информационную емкость индикаторного поля. Можно применить ГИП с запоминанием информации после снятия сигналов выборки. Это ГИП переменного тока, также с матричной структурой, образованной перпендикулярными электродами. Они отличаются от ГИП постоянного тока тем, что их металлические электроды покрыты тонким слоем диэлектрика. Каждая ячейка ГИП переменного тока представляет собой структуру металл-диэлектрик-газ-диэлектрик-металл (МДГДМ). Из-за наличия емкостей через ячейку может протекать только переменный ток. Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующих работу ГИП переменного тока, приведены на рис.6.9. В рабочем состоянии между системами вертикальных и горизонтальных электродов приложено знакопеременное поддерживающее напряжение Е п , меньшее напряжения возникновения разряда ( Е п < U з ). Возбуждение разряда в ячейке “запись” производится подачей на катод отрицательного импульса напряжения (интервал t1 − t2 ) , амплитуда которого достаточна для пробоя. В результате протекания тока “i” емкость структуры МДГДМ заряжается до U з1 , значение приложенного к газовому промежутку U г падает и первый импульс разрядного тока прекращается. Еп t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t t

Uк t i Uаи

Uз1

Uз Uз2

Рис.6.9 - Диаграммы напряжений и токов

t

91

После этого газовый промежуток возвращается к непроводящему состоянию, благодаря чему на емкостях сохраняется накопленное напряжение U з1 (t2 − t3 ). Во время (t3 − t4 ) к промежутку прикладывается положительное поддерживающее напряжение. В сумме с напряжением U з1 , сохраняющимся на емкостях, оно достаточно для повторного возбуждения разряда. В интервале t3 − t4 протекание тока приводит к перезарядке емкости до U з противоположной полярности. При этом на ячейке напряжение меняется 2

на ∆ U з . Итак, пока к ГИП приложено поддерживающее напряжение, в 2

ячейке, возбужденной импульсами записи, существуют серии разнополярных импульсов тока разряда (t5 − t6; tn − tn+1). Наличие емкостей в структуре МДГДМ каждой ячейки обеспечивает электрическую развязку и возможность параллельного существования разряда в любом числе ячеек. Однако в ГИП переменного тока, как и в любой матричной системе, выборка одновременно может осуществляться только для ограниченного числа ЭО (например, ЭО строки или столбца). Для прекращения разряда на данную ячейку (на ее строку или столбец) подают импульс “Стирание” U к с амплитудой, меньшей чем при записи (tn+2 − tn+3). Такие импульсы вызывают более слабую перезарядку емкостей ячеек, чем при записи. Конечное значение напряжения на емкости U с ост оказывается близким к нулю. Очередной импульс поддерживающего напряжения не может вызвать повторного пробоя и серия разрядов в ячейке прекращается.

6.5. Тиратроны тлеющего разряда В тиратронах тлеющего разряда на анод и сетки подается положительный относительно катода потенциал. При некоторых соотношениях напряжений на аноде и на сетках зажигается самостоятельный тлеющий разряд между катодом и анодом. На рис.6.10 представлена вольт-амперная характеристика разряда. После зажигания разряда напряжение на приборе уменьшается от напряжения зажигания (U з ) до напряжения горения (U г ). При дальнейшем увеличении напряжения на входе, напряжение на тиратроне почти не изменяется, а ток разряда увеличивается от I 1 до I 2 . Рост тока обеспечивается за счет увеличения эмиттирующей поверхности катода (закон Геля) при постоянной плотности тока с катода. После того, как вся поверхность начинает эмиттировать, разряд переходит в аномальный ( I > I 2 ).

Ua

92

Uз

Uг I1

I2

Рис.6.10 - Вольт-амперная характеристика разряда В режиме аномального горения ток разряда увеличивается за счет увеличения его плотности с катода, что сопровождается увеличением напряжения на разряде. Напряжение, требуемое для зажигания разряда, зависит от материала электродов, геометрии электродов, давления и рода газа , заполняющего прибор. При подаче на любую из сеток тиратрона напряжения, достаточного для зажигания разряда, можно зажечь тлеющий разряд в промежутке катод-сетка. Токовое управление Сетка в тиратронах тлеющего разряда управляет моментом зажигания разряда между катодом и анодом, а погасить разряд в тиратроне при помощи сетки нельзя. В схеме с токовым управлением на сетку зажигается подготовительный разряд. График пусковой характеристики тиратрона приведен на рис.6.11. А

С

К

93

Рис.6.11 - Структурная схема тиратрона с токовым управлением

Uз

I c1 Рис.6.12 - Пусковая характеристика тиратрона Плазма подготовительного разряда используется как источник электронов для основного разряда. В подготовительном разряде сетка тиратрона выполняет роль анода. Ток подготовительного разряда устанавливается небольшим - 10÷50 мкА. Часть электронов плазмы подготовительного разряда уходит на сетку, создавая в ее цепи ток, а часть проходит через отверстия сетки, ускоряется полем анода и способствует зажиганию разряда на участке катод-анод. Чем больше ток подготовительного разряда, тем больше ток в цепи сетки и, соответственно, больше электронов участвует в развитии разряда, что ведет к уменьшению напряжения зажигания . С момента зажигания разряда на анод сетка теряет свои управляющие свойства и погасить разряд можно только снижением напряжения на аноде до величины, меньшей, чем напряжение горения. В процессе горения разряда на анод сетка окружена оболочкой заряженных частиц (если сетка положительна - электронами, если отрицательна - ионами). Поле зарядов в оболочках компенсирует поле сетки. Поле сетки не проникает за пределы оболочки и поэтому сетка теряет свои управляющие свойства. Заряды из оболочки уходят на сетку, на смену им приходят заряды из плазмы, поэтому, пока есть оболочка, в сеточной цепи есть ток. Электростатическое управление Другой вариант системы управления применяется в тиратроне с двумя сетками, структурная схема которого приведена на рис.6.13. Распределение потенциала в запертом тиратроне с электростатическим управлением показано на рис.6.14.

94

А К

С1

С2

А

С2

Ua

С1

U с1

Uн = 0 Рис.6.13 - Структурная схема тиратрона

U с2

Рис.6.14 - Распределение потенциала в запертом тиратроне

В тиратроне сетка первая С1 выполняет только функцию анода подготовительного разряда, а вторая сетка С2 управляет моментом зажигания разряда в тиратроне. В таких тиратронах сетка первая С1 имеет большую проницаемость (увеличены отверстия в ней), при горении на ней подготовительного разряда возрастает поток электронов, проходящих в промежутке С1− С2. Этот поток превышает тот минимум электронов, который необходим для развития разряда в анодной области тиратрона. Однако, если на вторую сетку С2 подано отрицательное относительно С1 напряжение смещения, то на участке С1− С2 электроны тормозятся, разряд на участке катод-анод не развивается (тиратрон заперт). Разряд промежутка катод-анод зажигается только при уменьшении напряжения смещения на С2 , когда электроны после С1 попадают в ускоряющее поле С2 и А. Такой способ открывания тиратрона, когда отрицательное поле в промежутке С2− С1 заменяется положительным, называется методом электростатического управления моментом зажигания тиратрона. Пусковая статическая характеристика тиратрона с электростатическим управлением представлена на рис.6.15. Начальный участок на статической характеристике, проведенный пунктиром, соответствует не зажиганию разряда между анодом и катодом, а паразитному разряду, возникающему между анодом А и сеткой второй С2 , расположенной более близко к аноду, чем катод. При горении паразитного разряда сетка вторая С2 выполняет роль катода. При развитии паразитного разряда С2 отрицательна относительно плазмы и относительно анода. По мере повышения напряжения на С2 повышается напряжение на аноде. Когда потенциал С2 достигает потенциала плазмы, в анодную область начинают проникать электроны, способные зажечь основной разряд катод-анод. Дальнейшее увеличение потенциала С2 ведет к дополнительному ускорению электронов и разряд основной развивается при меньшем напряжении на аноде (падающий участок пусковой характеристики).

95

U аз

U c2 Рис.6.15 - Пусковая характеристика тиратрона При снятии вольт-амперных характеристик на участках: катод-первая сетка, катод-вторая сетка, катод-анод получают типичные вольт-амперные характеристики самостоятельного тлеющего разряда, которые отличаются только количественно.

7. ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных световодов с малыми потерями послужили основой для быстрого развития оптической связи. Свойства оптической связи: 1) высокая информационная емкость оптического канала, поскольку частота световых колебаний в 103... 105 раз выше, чем в радио диапазоне. Малое значение длины волны λ световых колебаний обеспечивает высокую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах; 2) острая направленность светового излучения с углом расходимости 0,1° и менее позволяет концентрированно передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства, в малогабаритных устройствах лазерный луч может направляться на фоточувствительные площадки микронных размеров; 3) длина световых волн меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать излучение, имеет размеры порядка длины волны. Поэтому и оптические волноводы (световоды) обладают меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ - волноводами;

96

4) передача информации осуществляется фотонами, а это электрически нейтральные частицы. Фотоны не взаимодействуют между собой и с внешними электрическими и магнитными полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы; 5) возможность двойной - временной и пространственной модуляции светового луча. Это позволяет обеспечивать параллельную обработку информации - непременное условие создания высокопроизводительных вычислительных комплексов; 6) возможность оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывающие устройства вооружают вход информационной системы оптоэлектронным глазом. Визуализация электрических сигналов на выходе делает систему удобной для использования. Оптоэлектронный прибор использует для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона. Приборы образуют несколько групп: 1) оптоизлучатели: лазеры и светодиоды; 2) приемники излучения: фоторезисторы и фотоприемники; 3) управляющие излучением: модуляторы, дефлекторы, управляемые транспаранты; 4) отображение информации: индикаторы, индикаторные панели; 5) электрической изоляции - оптроны; 6) оптические каналы связи и оптические запоминающие устройства: волоконно-оптические световоды, запоминающие (постоянные и реверсивные) среды. Все оптоизлучатели делятся на источники когерентного (лазеры) и некогерентного (светоизлучающие диоды) излучения.

7.1. Лазерное усиление Лазер - генератор излучения, когерентного во времени и в пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в стационарное состояние, при этом испускается еще один фотон, энергия которого будет равна энергии вынуждающего фотона. Когда создана система возбужденных активных атомов (лазерная активная среда) и через нее пропускается излучение, то возможно усиление излучения, если появление вынужденных фотонов больше, чем потери на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения называется лазерным усилением.

97

ε2

переход без излучения 6

1

2

3

4

ε1

Ен Рис. 7.1 - Квантовые переходы в лазерном веществе

Рассмотрим процесс лазерного усиления. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (накачки) Е н часть электронов с нижних уровней ε 1 переходят на более высокие уровни, а затем оказываются на уровне возбужде(рис. 7.1). Возвращения ε 2 ние этих электронов уровня ε 2 на ε 1 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны 1,23 λ= , ε 2 − ε1 где λ - в мкм; ε - в эВ.

Процесс перехода может идти по разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны (1,2 на рис. 7.1). Такой процесс перехода не связан с вынуждающими фотонами и приводит к некогерентному излучению. Одновременно имеется вероятность вынужденных переходов (3,4 на рис.7.1). Такие переходы связаны с действием вынуждающих фотонов. При этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязанно и так, что испускаемые фотоны не отличимы от тех, что их вызвали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом вынужденное излучение - это когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах, совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением. Лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение. Лазерное усиление возможно, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе больше приобретает энергии за счет лазерных переходов, чем отдает ее из-за поглощения.

7.2. Населенность и инверсия населенности “Населенность” уровня энергии - это число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана:

98 − N2 =e N1

ε 2 −ε 1 kT

,

где N2 - населенность возбужденными атомами (в состоянии ε 2 ); N1 - населенность невозбужденными атомами (в состоянии ε 1 ) (рис.7.1). При этом величина   ε − ε1  ∆N = N 2 − N 1 = N 1  ex p − 2  − 1    kT  отрицательна, и в веществе нормальная населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше, чем невозбужденных. При этом вещество находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно. Когда ∆N > 0 , что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов. Среда, в которой осуществляется инверсия населенностей, называется активной средой. Итак, усиление вынужденного излучения или лазерное усиление требует: 1) инверсии населенностей ( N 2 > N 1 ); 2) подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.

7.3. Генерация излучения Для того, чтобы лазерный усилитель превратить в лазер - генератор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи. В качестве ПОС в лазере используются оптические резонаторы. Простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество. Для вывода излучения зеркала делают полупрозрачными. Лавинообразный процесс возникновения лазерного излучения (фотонной лавины) в оптическом резонаторе изображен на рис. 7.2.

1 99

2

2

1

2

2 3

Рис. 7.2 - Образование фотонной лавины в оптическом резонаторе: 1 - активная среда; 2 - зеркала оптического резонатора; 3 - отраженные от зеркала фотоны Итак, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор создает условия для самогенерации излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. По своим качественным показателям (когерентность, концентрация во времени и в пространстве) энергия лазера уникальна. В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают следующие виды накачки лазера: 1) оптическая накачка - возбуждение лазера оптическим излучением; 2) накачка лазера электрической энергией; 3) электронная - накачка электронным пучком; 4) химическая - накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.

7.4. Порог генерирования лазера Лазерный пучок - это не просто пучок света. Это поток упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. При этом плотность энергии лазерного излучения огромна: она в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 1010 Дж/см3). Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем: E( x ) = E 0 ex p K a − K Q x ,

[(

)]

100

где Е( х ) - энергия излучения вдоль оси х; Е 0 - энергия излучения при х = 0 ; Ка - линейный коэффициент лазерного усиления, значение которого пропорционально энергии накачки; К Q - коэффициент потерь излучения в активной среде. Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид: 1 1 1 , KQ = + ln χ 0 l ре з K1 ⋅ K2 где

1

χ0

- коэффициент поглощения излучения в активной среде;

lрез - длина оптического резонатора; К1 ,К2 - коэффициент отражения зеркал резонатора. При некотором значении энергии накачки Е н , которое называется порогом генерирования лазера, К а > K Q , что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения (генерация). Итак, порог генерирования лазера - это энергия Е н поступающая на вход питания лазера, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте. Направленность лазерного излучения характеризуется расходимостью лазерного излучения, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора. Расходимость Q p оценивается: Q p = λ l ре з .

В любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся по частоте и распределением электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. Спектр излучения лазера состоит из набора мод. Основные параметры лазера 1. Частота лазерного излучения ( ν с р ). 2. Ширина линии лазерного излучения - расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме.

101

3. Расходимость лазерного излучения Q p - плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. 4. Время готовности лазера tгот - время необходимое для достижения лазером эксплуатационных параметров с момента его включения. 5. Энергия и мощность лазерного излучения. 6. Эффективность лазера характеризуется КПД, который равен отношению энергии и средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. Режимы работы лазеров 1. Режим непрерывного генерирования. 2. Режим импульсного генерирования. 3. Режим импульсно-периодического генерирования В импульсном режиме за примерно 0,01 нс мощность лазера достигает 100 млн.кВт.

7.5. Лазеры с электронной накачкой Это полупроводниковые лазеры. На полупроводник воздействует поток электронов высокой энергии (десятки и сотни кэВ). Электроны накачки, проникая в глубь кристалла, возбуждают 5 электроны валентной зоны и часть их 2 1 4 переходит на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. Эти возбужденные электроны передают энергию другим атомам решет3 ки - возникает лавина, ослабевающая по мере удаления от поверхности в глубь полупроводника. Рис. 7.3 - Лазер с электронной Выполнен лазер в виде элекнакачкой: тронно-лучевой трубки. Поток элек1 - когерентное излучение; тронов с энергией 20 кэВ направля2 - отражающие поверхности; ется на плоскую грань полупровод3 - подложка; ника. В тонком поверхностном слое 4 - полупроводник; электронный поток создает большое 5 - поток электронов число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон). Образующиеся носители собираются у дна зоны проводимости (электроны) и потолка валентной зоны (дырки) и рекомбинируют. Когерентное излучение выходит из полупроводниковой пластины в плоскости перпендикулярной направлению потока электронов. Грани образца (отражающие поверхности) служат зеркалом открытого лазерного резонатора. Толщина активного слоя

102

зависит от энергии электронов и может достигать десятых долей миллиметра. Электронная накачка позволяет получать системы с мощностью в импульсе 1 МВт. Лазер с электронной накачкой применяется для проекционного широкоформатного цветного телевидения (S→10 м2) и быстродействующих голографических запоминающих устройств.

7.6. Газовый лазер Газовые лазеры находят применение в оптоэлектронике прежде всего потому, что они обладают высокой степенью когерентности, малой расходимостью излучения и высокой направленностью излучения. Газоразрядные лазеры работают на разряженных газовых средах. Активной средой газоразрядного лазера является газоразрядная плазма. Используется два типа разрядов: тлеющий и дуговой. Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый. Он работает на тлеющем разряде. Разряд вызывает возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения, что обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны λ=0,633 мкм. 1

2 резонатор

Qб

А

К +

3

Лазерное излучение

−

Рис.7.4 - Газовый лазер Основным элементом такого лазера является кварцевая трубка 3, заполненная гелий-неоновой смесью (рис. 7.4). Внутри трубки имеются электроды (А и К), к которым подводится напряжение, возбуждающие и поддерживающее разряд в газе. Трубка заканчивается в торцах двумя окнами, наклоненными к оси трубки под углом Брюстера (Qб). При таком наклоне значительно уменьшаются потери излучения при прохождении окон, а также число генерируемых частот, так как окно пропускает только колебания, поляризован-

103

ные в плоскости падения. 1 - глухое зеркало, 2 - полупрозрачное зеркало. Зеркала образуют резонатор. Оптический резонатор формирует и волновой фронт излучения. В результате многократного прохождения между зеркалами усиливаться будут только волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Эти волны вовлекают в процесс излучения частицы, расположенные на их пути. Поэтому излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, т.е. имеет почти плоский волновой фронт (является узконаправленным). Волны, распространяющиеся под углом к оси, не доходят до зеркал и покидают активную среду, не получив усиления. Газовые лазеры работают почти во всем оптическом диапазоне, достигая мощности 5 МВт в импульсе.

7.7. Модуляторы Модуляция излучения является непременным условием эффективного использования лазеров и других генераторов света в оптоэлектронике. Лишь с помощью модуляции возможен высокоскоростной ввод полезной информации в световой луч. Модулироваться могут амплитуда, частота, фаза и направление вектора поляризации. Применительно к лазерам выделяют внутреннюю и внешнюю модуляцию. Внутренняя модуляция осуществляется в самом излучателе за счет изменения режима возбуждения (полупроводниковые лазеры) или изменения добротности резонатора (газовые лазеры). В оптическом диапазоне для модуляции интенсивности и частоты излучения используют электрооптический, акустооптический или пьезоэлектрический эффект, а для модуляции фазы и поляризации - магнитооптический или электрооптический эффект. Частотную модуляцию можно обеспечить на основе эффекта Зеемана или Штарка, либо изменением длины резонатора. Внешняя модуляция лазерного излучения осуществляется с помощью специальных устройств - модуляторов. Рассмотрим модулятор, работающий на основе электрооптического эффекта. Сущность этого эффекта заключается в изменении поляризации оптического излучения под воздействием электрического поля.

104

Электрооптическая ячейка поляризатор

анализатор

U неполяризованный луч

поляризованный луч

~ модулирующее наряжение

Эллиптический Поляризованполяризованный ный линейнолуч модулированный луч

Рис.7.5 - Структурная схема модулятора Электрооптический эффект вызывает амплитудную модуляцию излучения следующим образом (рис.7.5). Неполяризованный луч падает на поляризатор и линейно поляризуется. В электрооптической ячейке, в качестве которой используется анизотропное вещество (кристалл ниобата лития), линейно поляризованный луч расщепляется на два линейно поляризованных луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, на так называемые обыкновенный и необыкновенный лучи. Эти лучи имеют разные коэффициенты преломления и, следовательно, разные скорости распространения. После выхода из ячейки, складываясь, они создают излучение, уже поляризованное эллиптически. Кристалл электрооптической ячейки находится под воздействием электрического поля, определяемого напряжением U. При изменении напряжения изменяются показатели преломления обоих лучей, что ведет к изменению разности фаз между лучами и, таким образом, к изменению эксцентриситета эллипса. Пропуская далее луч через анализатор, плоскость поляризации которого скрещена с плоскостью поляризатора, на его выходе получаем изменяющееся вместе с напряжением линейно поляризованное излучение, которое по волоконному световоду передается к приемнику.

7.8. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) Известно, что с уменьшением длины волны информационного канала улучшается качество связи, повышается помехоустойчивость. В оптике скоро стало ясно, что открытые линии лазерной связи не надежны. Даже на нескольких километрах атмосферные явления могут нарушать связь. Основа современных ВОЛС - волоконные световоды.

105

передатчик

КУ

Л

М

оптический кабель

Р

приемник

ФП

У

ДКУ

Рис. 7.6 - Структурная схема ВОЛС Волоконно-оптическая линия связи включает в себя следующие элементы (рис. 7.6): входное кодирующее устройство КУ, передатчик, оптический кабель, ретранслятор Р, приемник, выходное декодирующее устройство ДКУ. Кодирующее устройство преобразует исходную информацию в форму, удобную для передачи. Главная часть передатчика - лазер Л. Закодированная в электрическом сигнале информация поступает на модулятор М, который управляет интенсивностью излучения лазера. Модулированный оптический сигнал передается далее по оптическому кабелю. В месте приема с помощью фотоприемника ФП оптический сигнал будет вновь преобразован в электрический и усилен в усилителе слабых фотосигналов У. Ретранслятор служит для восстановления уровня передаваемого на большие расстояния сигнала. Особенности таких линий связи: 1) высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий и от межканальных взаимонаводок; 2) малые габариты и масса из-за низкой плотности всех исходных материалов (нет тяжелых экранирующих оболочек); 3) широкий диапазон рабочих частот (до 1 ГГц), по одной линии оптической связи может одновременно передаваться 1010 телефонных разговоров и 106 телепрограмм; 4) секретность передачи информации; излучение в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отвода оптической энергии без разрушения кабеля практически невозможно; 5) потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой цветных металлов (медь, свинец) материалами с неограниченным сырьевым ресурсом (стекло, кварц, полимеры); 6) простота изготовления и эксплуатации ВОЛС. Передача оптической энергии по волоконно-оптическому световоду обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения.

106

n2 n1а)

ϕ>ϕ0

б)

Рис. 7.7 - Распределение излучения в волоконных светодиодах: а- в двухслойном волокне; б - в селфоке Рассмотрим, как проявляется этот эффект в цилиндрическом двухслойном световоде. Пусть материал внутренней жилы имеет показатель преломления n1, а материал внешнего слоя (оболочки) n2 (рис. 7.7,а). При этом n1 > n2 , т.е. материал жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в световод под малым углом по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях: в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще есть полное внутреннее отражение, определяется выражением

A0 = sinϕ 0 = n12 − n22 . Величина А0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углом ϕ > ϕ 0 (внеапертурные лучи) при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и преломляются. Часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода. Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В таких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии (рис. 7.7,б). Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Эти световоды называют селфоками или градиентными световодами.

107

Потери излучения при прохождении через световод должны быть минимальными. Количественно эти потери определяются значением ослабления оптического сигнала В: 1 B = 10 lg P вх , l Р вых где P вх - мощность входного оптического сигнала; Р вых - мощность выходного оптического сигнала; l - длина световода. Единицей измерения ослабления оптического сигнала служит децибел на километр (дБ/км). Современные световоды имеют высокую чистоту волокна - ослабление сигнала составляет 0,5 дБ/км. В оптических кабелях световоды дополняются элементами, повышающими эластичность и прочность кабеля. Световоды покрываются индивидуальной тонкой защитной пленкой, исключающей взаимные наводки между волокнами. Затем жгут световодов объединяется общей оболочкой, сочетающей эластичность и жесткость. Все защитные оболочки являются полимерами.

7.9. Фотоприемники Приемниками оптического излучения являются приборы, предназначенные для обнаружения и изменения электромагнитного излучения оптического диапазона и преобразования его в электромагнитную энергию. В основе действия фотоприемников лежит фотоэффект - процесс полного или частичного освобождения заряженных частиц в кристалле в результате поглощения фотонов. Фотоэлектронная эмиссия используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях, передающих телевизионных трубках, электронно-оптических преобразователях. Эти фотоприемники рассмотрены в главах 4 и 5. Процесс частичного освобождения заряженных частиц в кристалле без выхода их за пределы кристалла в результате поглощения энергии фотонов называется внутренним фотоэффектом. Полупроводниковые фотоприемники, основанные на изменении фотопроводимости под действием света, называют фоторезисторами. Фотодиодом называется фотоприемник без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода. Фоточувствительный элемент фотодиода является основой элементарной ячейки большинства сложных фотоприемников, используемых в современных оптоэлектронных приборах: фототранзисторов, фототиристоров, многоэлементных матриц и т.д. Рассмотрим работу фотодиода.

108

hν

n

сигнал

Rн U + Рис.7.8 - Схема включения фотодиода На рис.7.8 показана схема включения фотодиода. В фотодиоде этой конструкции поток излучения падает на базовую n- область и направлен перпендикулярно p-n - переходу. Базовую область изготавливают такой толщины, при которой большинство образовавшихся неосновных носителей заряда достигает перехода. Фототок, протекающий через диод, зависит от величины светового потока (см. гл.2.9) и практически не зависит от приложенного напряжения, так как фотодиод работает в режиме насыщения фототока. Световые импульсы в фотодиоде преобразуются в электрический сигнал, который снимается с сопротивления нагрузки. После усиления этого сигнала и демодуляции его детектором получаются низкочастотные сигналы, несущие полезную информацию. Фотодиоды обладают сравнительно низким уровнем шумов, что позволяет использовать фотодиоды для измерения малых потоков излучения.

8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1979. 2. Батушев В.А. Электронные приборы. - М.: Высшая школа, 1980. 3. Каганов И.Л. Ионные приборы. - М.: Энергия, 1972. 4. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю.В. Средства отображения информации. М.: Высшая школа, 1985. 5. Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фото-электронные приборы. - М.: Высшая школа, 1982. 6. Василевский А.М., Тихонов В.В. Оптическая электроника - Л.: Энергоиздат, 1990.