Лабораторная работа №1 «Исследование свойств и характеристик электровакуумного диода» Цель работы

Экспериментальное изучение законов отбора катодного тока в электронных лампах (диодах); оценка побочных явлений, сопровождающих отбор катодного тока (Эффекта Шоттки, «островкового» эффекта), и определения основных параметров в исследуемых лампах

Сведения, необходимые для выполнения работы

Катодным током в вакуумных электронных приборах называется ток электронов, эмитированных катодом и преодолевших минимум потенциала вблизи него. Он протекает по выводу катода и может быть измерен с помощью измерителя тока (например, миллиамперметра) включенного в цепь катода. Катодный ток обычно меньше тока эмиссии и, лишь в крайнем случае, равен ему. В диоде, где электронный поток распространяется от анода к катоду без потерь электронов, катодный ток равен анодному, поэтому закономерности отбора катодного тока можно изучать, анализируя изменения анодного тока.

Рис. 1 Статические характеристики диода

Если измерить зависимость анодного тока I_a от анодного напряжения U_a при некотором напряжении канала катода U_n^’ , то её графическое изображение будет иметь вид кривой представленной на рисунке 1.а. Главной особенностью этой кривой , обычно называемой статической анодной характеристикой, является наличие двух участков с различной крутизной нарастания анодного тока. Первый из них (крутой) соответствует интервалу изменения анодного напряжения 0 ≤ U_a ≤ U_a^” = U_{a нас} и тока 0 ≤ I_a ≤ I_a^” , второй (пологий) - неравенству U_a > U_a^” и изменению тока от I_a до I_a^”. При более высоком напряжении канала (U_н^” > U_н^’) анодная характеристика диода имеет аналогичный вид, но отличается более высоким уровнем анодного тока на пологом участке.

Если же изменить I_a от U_н при двух значениях U_a (например, U_a1 и U_a2) то получим кривые, приведенные на рисунке 1б, которые называются эмиссионными характеристиками диода. Эти характеристики похожи на анодные тем, что так же имеют два участка: круто нарастающий при U_н ≤ U_н2 и пологий при U_н > U_н2 . Повышение анодного напряжения с U_a1 до U_a2 в основном сказывается на повышении уровня тока на пологом участке и меньше влияет на крутизну нарастающего участка.

Наличие двух участков характеристик с различными законами отбора катодного тока объясняется спецификой электрического поля в диоде.

В вакуумном диоде, как и во всяком другом электронном приборе, в общем случае электрические поля создаются двумя источниками: поверхностными зарядами, возникающими на электродах при подключении к ним источников ЭДС, и пространственными зарядами – заряженными частицами, возникающими и движущимися между электродами. В диодах с простейшей формой электродов (плоской, цилиндрической, сферической), в которых изменение потенциала является функцией одной координаты, поля поверхностных зарядов легко рассчитать по известным из теории поля формулам для распределения потенциала между обкладками соответствующих воздушных конденсаторов. Например, в плоско - параллельном диоде и цилиндрическим диоде с внутренним катодом:

, ,

где х и х_а – текущая продольная координата и расстояние анод – катод; r, r_a и r_k - текущая радиальная координата, радиус анода и радиус катода; U_a – потенциал анода. Расчет полей пространственных зарядов U_ρ(x), так же как и расчет суммарного поля U(x)= U_δ(x)+ U_ρ(x), даже в столь простых диодах оказывается намного сложнее.

Для иллюстрации качественной стороны распределения потенциалов. U_δ, U_ρ и U в идеальном плоском диоде с накаленным катодом на рис. 2 приведены соответствующие кривые для четырех значений анодного напряжения: 0, U_a^’ , U_a^’’ и U_a^’’’, ранее отмеченных на рис. 1, и напряжения канала U_н = U_н^’. На этом рисунке катод и анод диода обозначены буквами К и А, расстояние между электродами х_а. Распределение потенциала, созданное поверхностными зарядами, показано пунктирными прямыми, одна из которых, соответствующая U_a=0, совпала с осью Х. распределение потенциала, созданное отрицательным пространственным зарядом электронов, показано кривой U_ρ. Наконец, результирующее (суммарное) распределение потенциала изображено сплошными кривыми, из которых самая нижняя, соответствующая U_a=0, совпадает с кривой U_ρ.

Рис. 2. Распределение потенциалов между электродами диода

Из анализа приведенных кривых следует, что в идеальном плоском диоде с накаленным катодом электрическое поле характеризуется нелинейным распределением потенциала. При этом только в случае больших положительных анодных напряжений (U_a ≥ U_a^’’) все точки междуэлектродного пространства будут иметь положительные потенциалы. Если же анодные напряжения невелики (U_a < U_a^’’), то вблизи катода всегда имеется область отрицательных значений потенциала, которая обусловлена нескомпенсированным действием поля пространственного заряда электронов. При этом минимум потенциала U_м оказывается в плоскости, расположенной на расстоянии х_м от катода. Величины U_м и х_м зависят от U_a и U_н при U_н = U_{н ном} и U_a=0 они имеют максимальные значения (U_м – десятые доли вольта, х_м – сотые доли миллиметра). С повышением U_a обе эти величины уменьшаются, достигая нуля при U_a = U_{a нас}

В соответствии с указанным характером изменения электрического поля между электродами изменяются и условия отбора катодного тока. При небольших анодных напряжениях U_a < U_{a нас} область отрицательного потенциала вблизи катода, играющая роль потенциального барьера для эмитированных катодом электронов, снижает величину катодного тока по сравнению с током эмиссии. Ибо потенциальный барьер смогут преодолеть и составить катодный ток лишь те электроны, у которых энергия, связанная с нормальной составляющей их нормальной скорости, . Остальные же электроны, отразившись от барьера, возвратятся на катод. С изменением U_a от нуля до U_{a нас} высота барьера меняется от максимальной величины до нуля и вследствие этого катодный ток возрастает от некоторого минимального значения до величины, равной эмиссионному току или току насыщения I_a^’’.

Снижение катодного тока по сравнению с током эмиссии, вызванное нескомпенсированным действием поля отрицательного пространственного заряда электронов вблизи катода, получило название эффекта ограничения тока пространственным зарядом, а условия отбора катодного тока при U_a ≤ U_{a нас} названы режимом пространственного заряда. Условия отбора катодного тока при U_a > U_{a нас}, характеризующиеся тем, что поле отрицательного пространственного заряда в диоде полностью скомпенсировано полем положительных поверхностных зарядов, называются режимом насыщения. В этом режиме катодный ток равен току эмиссии и его изменение при помощи анодного напряжения возможно только за счет эффекта Шоттки.

Эффект Шоттки – это увеличение тока эмиссии термокатода под действием внешнего ускоряющего электрического поля вблизи катода вызванное снижением поверхностного потенциального барьера и, следовательно, понижением работы выхода. На рис. 1.1.а эффект Шоттки проявляется на пологом участке анодной характеристики в вилле повышения анодного тока от I_a^’’ до I_a^’’’ при увеличении U_a от U_a^’’ до U_a^’’’, а на рисунке 1.1.б на нарастающем участке эмиссионных характеристик в виде приращения тока от I_a1^’ до I_a2^’

Каждый из рассмотренных выше режимов отбора катодного тока описывается своим математическим выражением. В режиме пространственного заряда таким выражением в приближенном виде является известный закон 3/2.

,

где G - первеанс идеального плоского диода, определяется выражением:

,

где первеанс цилиндрического диода с внешним анодом, определяется выражением:

В приведенных выражениях е и т - заряд и масса электрона, ε₀ диэлектрическая постоянная, F_a - площадь анода, r_a - радиус анода и β_a² - функция отношения r_а к радиусу катода r_k , которая приводится в учебниках в виде графика или таблицы. В ука­занном режиме распределение потенциала в названных диодах описыва­ется выражениями

и

где r - радиальная координата, отсчитываемая от r_k и

В режиме насыщения с учетом эффекта Шоттки:

где F_k - площадь катода, А - постоянная для выбранного матери­ала катода, еφ₀ - работа выхода. T - абсолютная температура като­да, Е- напряженность внешнего электрического поля, к - постоян­ная Больцмана, α - коэффициент, учитывавший материал катода и состояние его эмитирующей поверхности. Для гладких металлических поверхностей α≈0.44; для оксидного катода - значительно больше, в связи с чем, эффект Шоттки проявляется намного заметнее.

Анализ режимов и закономерностей отбора I_к в лампах с сетками показывает, что они аналогичны рассмотренным выше. Это означает, что отбор I_k в любой лампе с сетками происходит так же, как и в некотором эквивалентном диоде, у которого анод расположен в плоскости первой сетки и имеет потенциал V_a1, вызывающий в диоде такой же I_k какой в реальной лампе вызывает совместное действие потенциалов всех электродов. Поэтому для любой лампы закон степени 3/2 имеет вид

при условии, что шаг первой сетки h меньше расстояния от нее до катода x_c1 (т.е. h< x_c1)

Для всех ламп:

,

где F_c1 - площадь поверхности сетки, K_ф - коэффициент формы электродов (для плоских электродов K_ф=1);

Рис. 3. Кривые распределения потенциала в плоском диоде при разных значениях анодного потенциала.

Если измерить и построить на графике зависимость катодного тока I_к диода от анодного напряжения U_a для двух значений напряжения накала катода U^’_н и U^’’_н > U^’_н, то они будут иметь вид кривых, изображенных на рис. 4. Сложная форма этих кривых указывает на то, что с увеличением U_a изменяются условия отбора катодного тока. Для конкретизации этих условий предположим, что нижняя кривая снята при том же напряжении накала U^’_н, при котором были построены кривые распределения потенциала на рис. 3, и что точки U_{a гр} и U_{a нас} на рис. 3 и 4 соответствуют одним и тем же значениям U_a. Тогда на рассматриваемой кривой рис. 4 четко обозначатся три участка (I, II, III), соответствующие трем областям распределения потенциала на рис. 3 и, следовательно, трем разным условиям отбора катодного тока.

Рис. 4. Кривая катодного тока в диоде в зависимости от анодного напряжения.

Условие отбора на участке I, когда U_a < - U_{a гр}, получило название режима начальных токов. В этом режиме катодный ток составляет очень небольшую часть эмиссионного тока I_кгр<< I_T), определяемую наиболее быстрыми термоэлектронами, способными преодолеть тормозящее электрическое поле, действующее на всем протяжении междуэлектродного пространства диода.

Условие отбора катодного тока на участке II, соответствующее интервалу анодного напряжения U_{a гр} < U_a < U_{a нас}, называется режимом ограничения катодного тока пространственным зарядом, или коротко — режимом пространственного заряда. В этом режиме I_к будет также составлять только часть эмиссионного тока I_T, определяемую электронами, преодолевшими потенциальный барьер U_M на расстоянии х_M от катода. Но, поскольку при этом значения U_M и х_M в среднем невелики по отношению к U_a и х_a увеличением U_a стремятся к нулю, катодный ток в этом режиме будет характеризоваться соотношением I_к < I_T. Совмещение друг с другом нарастающих участков характеристик, снятых при разных значениях напряжения накала, указывает на то, что катодный ток в режиме пространственного заряда практически не зависит от напряжения накала.

Рис. 5. Кривые катодного тока в диоде в зависимости от напряжения накала катода.

На участке III рассматриваемой характеристики диода условие отбора катодного тока соответствует значениям анодного напряжения U_a > U_{a нас} и называется режимом насыщения. В этом режиме все точки междуэлектродного пространства диода имеют положительный потенциал, поэтому электроны по выходе из катода сразу оказываются в ускоряющем поле и достигают анода. Следовательно, уже при U_a = U_{a нас} катодный ток становится равным току эмиссии, т. е. I_к = I_T, и в дальнейшем ограничивается температурой катода.

На рис. 5 приведены две экспериментальные кривые — зависимости катодного тока диода от напряжения накала катода U_н при двух значениях анодного напряжения: U^’_а и U^’’_а > U^’_а. По форме они близки к катодно-анодным характеристикам, поскольку также имеют круто нарастающие и пологие участки. Однако на рис. 5 нарастающие участки соответствуют режиму насыщения, поскольку при малых значениях U_н ток эмиссии мал, и поэтому создаваемое эмитированными электронами поле пространственного заряда будет полностью компенсировано полем положительно заряженного анода. На этих участках катодный ток равен току эмиссии с учетом эффекта Шоттки, т. е. I_к = I_TЕ. Тот факт, что нарастающие участки характеристик, снятых при разных U_a, не совмещены друг с другом, указывает на различную степень проявления эффекта Шоттки: чем выше U_a при заданном значении U_н, тем сильнее он проявляется. Об этом свидетельствует различие катодных токов I_TЕ^’ и I_TЕ^” при U_н1. С повышением напряжения накала ток эмиссии и плотность пространственного заряда между электродами возрастают. В результате этого при некотором значении U_н > U_н2 поле анода уже не сможет полностью компенсировать поле пространственного заряда; вблизи катода появляется отрицательный потенциальный минимум, который ограничивает нарастание катодного тока и устраняет эффект Шоттки, поэтому кривая I_k = f(U_n) уплощается и наступает режим пространственного заряда. Таким образом, эффект ограничения катодного тока пространственным зарядом выражается в прекращении нарастания катодного тока при увеличении напряжения накала.