книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

имеющих форму цилиндров с отверстиями в дне (диафрагмами). Во втором случае фокусирование осуществляется фокусирующей катушкой 3 (рис. 72, б), надеваемой на горловину трубки..

Электростатическое фокусирование луча происходит в элек­ трическом поле между двумя анодами А х и А2 (рис. 73, а). На электрон е, влетающий в поле (точка А, рис. 73,6), под углом а действует сила, направленная в каждой точке поля по касатель­ ной к силовой линии. После разложения вектора напряженности

электрического поля на участке ано-

—да Л, получаем две составляющие: продольную, составляющую поля Ех

ипоперечную Е2. Продольная составляющая Ех действует на элект­ рон с силой F\ = —еЕь ускоряющей

его полет вдоль оси трубки. Попе-

Центральная

Рис. 73. Электростатическая	Рис. 74. Принцип фокусировки электрон-
фокусировка луча		ного луча катушкой
речная составляющая действует		на электрон с силой F2 = —еЕ2,
•прижимающей его к оси трубки.		Поэтому электрон, влетевший в

электрическое поле фокусирующей системы под некоторым уг­ лом а к оси, по мере своего движения будет отклоняться к оси трубки. При этом, чем больше а, тем больше сила, прижимаю­ щая его к оси трубки.

На участке второго анода (в точке В) картина поля иная. Продольная составляющая поля Е х по-прежнему ускоряет элек­ трон вдоль оси трубки, однако поперечная составляющая Е2' вы­ зывает отклонение электрона от оси трубки. Но так как элект­ роны проходят участок второго анода (рассеивающий участок) с большей, скоростью, чем участок первого анода (собиратель­ ный участок), то на рассеивающем участке траектории искрив­ ляются меньше. В результате электрон будет приближаться к оси и пересечет ее в точке Ф; к этой же точке будут стремиться и другие электроны. Точка Ф — фокус электростатической лин­

80

зы. Изменяя разность	потенциалов между анодами, можно из­
менять конфигурацию	силовых линий поля и тем самым пере­
дать фокус вдоль оси;	можно переместить его на экран трубки,

где в этом случае получится яркое пятно малого диаметра. Для осуществления фокусировки электронного луча магнит­ ным полем на горловину трубки надевают катушку, ось которой совпадает с осью трубки, и через катушку пропускают постоян­ ный ток; при этом образуется магнитное поле, показанное на рис. 74. Пусть в точку А этого поля влетает электрон со ско­ ростью v и под углом а. Напряженность магнитного поля разло­ жим в'этой точке на две составляющие: осевую Hz, направлен­ ную вдоль оси трубки, и радиальную (поперечную) # г, лежа­

щую в плоскости, перпендикулярной оси.

В результате взаимодействия электрона с радиальной состав­ ляющей магнитного поля на него действует сила F = —ev0Hr, направление которой определяется по правилу левой руки. Под действием ее электроны получают боковое отклонение, поэтому в центральную область поля электроны влетают, имея добавоч­ ную боковую составляющую скорости.

В центральной области Нг~^>Нг, поэтому можно считать, что здесь существует лишь осевая составляющая поля Hz. Взаимо­ действие боковой составляющей скорости с осевой составляю­ щей поля приводит к появлению силы, прижимающей электрон к оси. В третьей области магнитное поле вновь имеет значитель­ ную радиальную составляющую Нг. Но направлениевектора Иг в этой области противоположно вектору Нтв первой области. Поэтому сила, действующая на электрон в боковом направле­ нии, будет направлена противоположно боковой силе, действую­ щей в первой области. В результате этого электрон движется по спирали. Так как все электроны вылетают из отверстия анода, находящегося на оси, то, описав петлю спирали, они, вновь по­ падают на ось. Таким образом, электроны, вылетающие из от­ верстия анода под разными углами, но имеющие одинаковые составляющие скорости вдоль оси трубки (а последние опреде­ ляются анодным напряжением, одинаковым для всех электро­ нов), через равные расстояния встречаются на оси, т. е. фоку­ сируются. Фокусов может быть несколько, экран должен нахо­ диться в одном из них (лучше в первом). Изменяя ток в катуш­ ке, можно перемещать фокус вдоль оси.

Передвижение сфокусированного светового пятна по экрану осуществляется отклоняющей системой? Для отклонения луча, как и для фокусировки, применяют электрические и магнитные поля.

Электростатическая система ртклонения состоит из двух пар горизонтально и вертикально отклоняющих пластин (рис. 75, а). Если к двум пластинам YY приложить напряжение, то электрон отклонится в сторону положительно заряженной пластины. На­ личие двух пар взаимно перпендикулярных пластин YY и XX

81

дает возможность отклонить электронный луч в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Магнитное отклонение луча осуществляется двумя парами катушек аа' и вв', расположенных под^ прямым углом друг к другу на баллоне трубки (рис. 75, б).

Вертикально расположенные катушки аа' своим магнит­ ным полем вызывают перемещение, электронного луча по гори­ зонтали, а горизонтально расположенные катушки вв' — по вер­ тикали.

Рис. 76. Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением:

а— устройство; б — условное 'обозначение

Взависимости от применяемого способа отклонения и фоку­ сировки электронного луча электронно-лучевые трубки подраз­ деляют на два типа:

82

— трубки с электростатическим управлением, в которых для фокусировки и отклонения используется электрическое поле

(рис. 76);

Рис. 77. Электронно-лучевая трубка с магнитным управлением:

а— устройство; б — условное обозначение

—трубки с магнитным управлением, в которых для фоку­

сировки и отклонения используется магнитное поле (рис. 77).

§ 8. Ионные приборы

Наряду с электровакуумными приборами широкое примене­ ние в радиотехнике нашли газоразрядные или ионные приборы. По устройству они во многом напоминают электронные лампы, но их характерной особенностью является наличие в пространст­ ве анод — катод не только электронов, но и ионов. Это обуслов­ лено тем, что колба газоразрядного прибора заполнена инерт­ ным газом (аргоном, неоном, криптоном) или парами ртути При пониженном давлении.

При прохождении электрического тока через газ или пары происходит разряд, который может быть несамостоятельным или самостоятельным.

Несамостоятельный разряд может иметь место только При одновременном действии сил электрического, поля с дополни­ тельными факторами (например, фотоэлектронная или термо­ электронная эмиссия и т. п.).

Самостоятельный разряд происходит в приборе с холодным катодом. Для его возникновения необходима хотя бы незначи­ тельная предварительная ионизация газа или пара в между­

83

электродном пространстве, что обычно имеет место при воздей­ ствии космических лучей, радиоактивного излучения или све­ товых лучей.

Напомним, что ионизация — это	расщепление молекул газа
па заряженные частицы —ионы.	напряжения «а (рис. 78,	а)
Под действием приложенного
эти заряды начинают двигаться— ионы к катоду, электроны		к

аноду. При определенном значении иа скорость движения элект­ рона будет такова, что, сталкиваясь с атомами газа, он выби­ вает из него электроны, т. е. ионизирует его. Такая ионизация называется ударной.

Д

а

Рис. 78. Газоразрядный прибор

Выбитые электроны движутся к аноду и, сталкиваясь с ато­ мами газа, ионизируют их. Количество носителей электричества (ионов и электронов) возрастает и ток увеличивается. Образую­ щиеся при ионизации положительные ионы движутся к катоду и, если их энергия достаточна, выбивают из катода вторичные электроны.

Одновременно с ионизацией в приборе происходит и ее об­ ратный процесс — рекомбинация электронов и ионов. При этом выделяется энергия в виде квантов света определенной частоты п газ начинает интенсивно светиться.

Возможны три разновидности самостоятельного разряда: темный, тлеющий и дуговой.

На рис. 78, б изображена вольт-амперная характеристика, соответствующая различным видам разряда и переходным фор­ мам от одного вида разряда к другому. Здесь же показано на­ пряжение зажигания и3, при котором возникает самостоятель­

ный разряд.

На участке ОА по мере увеличения ыа ток ia возрастает не­ значительно, процесс ионизации протекает неинтенсивно, поэто­ му свечение газа отсутствует. В приборе имеет место темный

разряд.

При напряжении зажигания и3 (точка А) возникает ударная ионизация и прибор зажигается. После зажигания напряжение нисколько уменьшается, а ток увеличивается (участок АБ), так

84

как с усилением процесса ионизации уменьшается сопротивле­ ние прибора. При этом происходит перераспределение напря­ жения между прибором и сопротивлением R0rp (рис. 78,а). На­ ступает режим тлеющего разряда, при котором разряд поддер­ живается за счет эмиссии электронов с катода под ударами по­ ложительных ионов. Эти электроны, двигаясь к аноду, вызы­ вают ионизацию нейтральных атомов и поддерживают разряд в газе.

При малом токе в цепи ионизация поддерживается электро­ нами, выбиваемыми не со всей поверхности катода, а только с его малого участка, который светится. При увеличении тока све­ тящийся участок катода увеличивается, количество вылетаю­ щих из него электронов и количество электронов, полученных в результате ионизации, возрастает. Плотность тока при этом (т. е. величина тока, приходящаяся на единицу площади като­ да) не изменяется. Этим объясняется то, что при возрастании тока напряжение не увеличивается.

Напряжение, установившееся между электродами газораз­ рядного прибора в рабочем режиме, называется напряжением горения.

Когда большая часть газа в приборе ионизируется и тлею­ щий разряд охватит всю поверхность катода, дальнейшее уве­ личение тока требует увеличения напряжения (участок СД). Этот режим называется аномальным тлеющим разрядом. При последующем увеличении тока тлеющий разряд перерастает в дуговой, характеризующийся значительным уменьшением напря­ жения на электродах прибора и резким ростом тока (участок

ДЕ).

Дуговой разряд происходит либо вследствие интенсивной бомбардировки катода положительными ионами, при которой последний нагревается и с его поверхности начинается термо­ электронная эмиссия, либо вследствие автоэлектронной эмиссии, обусловленной электростатическим полем, создаваемым близко подошедшими к катоду положительными ионами. Иногда он — результат совместных действий обеих эмиссий. Дуговой разряд с холодным катодом получил название автоэлектронной дуги.

К приборам, работающим в режиме тлеющего разряда с хо­ лодным катодом, относятся неоновые лампы, стабилизаторы на­ пряжения (стабилитроны) и разрядники.

Неоновая лампа является газосветной лампой с тлеющим разрядом. Два ее электрода имеют форму дисков, расположен­ ных на небольшом расстоянии друг от друга (рис. 79, а). Если подвести достаточное напряжение, в лампе возникает тлеющий разряд и образуется свечение оранжево-красного цвета. С уве­ личением приложенного напряжения свечение усиливается: во избежание дугового разряда последовательно с лампой вклю­ чают ограничительное сопротивление R0rp (рис. 79,6).

85

Стабилитроны — это двухэлектродным ионным прибор с ак­ тивированным катодом, имеющим большую поверхность

(рис. 80, а ).

Схема включения стабилитрона показана на рис. 80, б. Соп­ ротивление Rorp подбирают таким образом, чтобы при номиналь­ ном напряжении источни­

ка t/ном ток соответство­ вал примерно средней точ­ ке рабочего участка ха­ рактеристики стабилитро­ на (рис. 80,в).

Рис. 79. Неоновая лампа		Рис. 80.	Стабилитрон
Напряжение	на стабилитроне и нагрузки R„ равно
		aR = и — iR0Tp,
где ток / равен	сумме	токов, проходящих	через нагрузку iH и

стабилитрона i'c t -

Предположим, что напряжение источника и немного увели­ чилось. При увеличении напряжения источника сопротивление стабилитрона уменьшается, в результате чего ток, идущий через стабилитрон, увеличивается. За счет этого увеличивается паде­ ние напряжения на сопротивлении R0гр, а напряжение на наг­ рузке ц стабилитроне остается практически неизменным.

При уменьшении напряжения источника ток через стабилит­ рон уменьшается, за счет чего падение напряжения на сопро­ тивлении Rorp уменьшается, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке остается практически неизменным.

Газовые разрядники являются приборами дугового разряда, включаются без ограничительных сопротивлений и на длитель­ ное прохождение тока не рассчитаны. Простейший газовый раз­ рядник представляет собой наполненный инертным газом бал­ лон, внутри которого помещены два электрода (рис. 81, а).

Разрядники применяются для защиты различных устройств от повышенных напряжений в антенных переключателях.

Если напряжение, подведенное к защищаемому устройству, превысит напряжение зажигания разрядника; в нем начнется

86

ионизация, перерастающая в дуговой разряд. Поэтому при всех перенапряжениях нагрузка шунтируется малым сопротивлением дугового разряда разрядника, чем предохраняется выход ее из строя (рис. 81,6).

Кроме рассмотренного разрядника применяют разрядники с предварительным поджигом; устройство такого разрядника

приведено на рис.	81, в. Для	работы	такого	разрядника	по­
дается постоянное	напряжение	между	одним	основным м	рас­

положенным от него в непосредственной близости дополнитель-

<ЕЗ

а	Дисковые^	Основные
		электроды
	выводы

о

и

<)

—е

. Поджигающий электрод

€~У

6

Рис. 81. Разрядники

ным поджигающим электродами. Если напряжение между ос­ новными электродами отсутствует, между поджигающим и ос­ новным электродами проходит малый ток; при этом газ иони­ зируется только на участке между этими электродами. С появле­ нием напряжения между основными электродами разрядник срабатывает мгновенно благодаря наличию предварительной ионизации. Это позволило применять такие разрядники в стан­ циях сантиметрового диапазона, где ко времени возникновения

ипрекращения ионизации предъявляются жесткие требования.

Кприборам несамостоятельного разряда относится тира­ трон — трехэлектродная лампа с накаленным катодом, баллон

которой наполнен парами ртути, инертным газом или водоро­ дом. На рис. 82, а и б показаны условное изображение и уст­ ройство тиратрона. По своим свойствам тиратрон значительно отличается от вакуумного триода; для выяснения этих отличий рассмотрим его анодно-сеточную характеристику (рис.' 82, в).

Сетка тиратрона служит для управления величиной напря­ жения зажигания; при большом отрицательном напряжении на ней тиратрон заперт и г'а= 0. При постепенном уменьшении отри­ цательного напряжения на сетке анодный ток медленно воз­ растает (участок АВ). При некотором напряжении на сетке, называемом напряжением зажигания, скорость электрона под действием поля анода' увеличится настолько, что начинается

87

ионизация. Тиратрон зажигается, ток резко растет (участок АС). Образовавшиеся положительные ионы устремляются к катоду и сетке. Ионы, устремляющиеся к сетке, нейтрализуют ее отри­ цательный потенциал, сетка теряет свое управляющее действие. Поэтому дальнейшее изменение сеточного напряжения не вызы­ вает изменения анодного тока (участок СД). Погасить тиратрон можно, лишь уменьшив анодное напряжение.

Рис. 82. Тиратрон

При большем анодном напряжении («"„>«'.,) зажигание ти­ ратрона произойдет при более отрицательном напряжении на сетке. Эта зависимость выражается пусковой характеристикой тиратрона (рис. 82, г).

После снятия анодного напряжения происходит нейтрализа­ ция всех атомов и сетка вновь получает возможность воздейст­ вовать на электроны.

Тиратроны способны пропускать большой анодный ток, по­ этому они применяются в схемах управления электродвигате­ лями и для регулировки величины выпрямленного напряжения

вмощных выпрямителях. Водородные тиратроны применяются

вимпульсных схемах.

Г л а в а 5

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

§ 1. Проводимость полупроводниковых материалов

Полупроводниковыми называются приборы, работающие за счет диффузии (или дрейфа) носителей электрического заряда внутри твердого тела.

К полупроводникам относится большое количество различ­ ных материалов, удельная проводимость которых измеряется в пределах от 5,001 до 1010 Ом-см. В настоящее время материа­ лами для изготовления полупроводников являются германий, кремний, серое олово, селен, а также некоторые сплавы и окислы.

Удельная проводимость полупроводников не является ста­ бильной величиной и зависит от влияния внешнего электриче­ ского поля, температуры, освещенности, от внесенных в полупро­ водник примесей и других факторов. Это объясняется строением полупроводника.

Атомы в полупроводнике расположены в виде кристалличе­ ской решетки (рис. 83). Каждый атом связан с соседними ато­ мами с помощью пары валентных электронов, находящихся на

общей	орбите и принадлежащих обоим атомам. Такая связь
атомов	называется	ковалентной. В каждом отдельно взятом
атоме	электроны	имеют определенную энергию. Электроны

атома в соответствии с их значениями энергии распределяются

по энергетическим уровням.		в атоме находится
На каждом	энергетическом уровне
не более двух электронов, которые различаются между			собой
направлением	собственного вращения	относительно	своей

оси.

Верхнюю зону энергетических уровней отдельного атома со­ ставляют валентные электроны, которые в твердом теле и осу­ ществляют взаимосвязь атомов друг с другом. Эта зона назы­ вается валентной. Выше валентной зоны находится «запрещен­ ная зона», затем зона проводимости (рис. 84, а). Чтобы элек­ троны из валентной зоны могли переместиться через «запрещен-

89