В узкой части баллона располагается катод 1. Он изготавливается из никеля и имеет форму цилиндра, торцевая поверхность которого покрыта оксидным слоем для уменьшения работы выхода электронов. Катод накаливается подогревателем 2, помещенным в тонкостенную керамическую трубочку. В непосредственной близости от катода размещается управляющий электрод 3, имеющий форму цилиндра с отверстием по оси. На управляющий электрод подается небольшой отрицательный потенциал, благодаря чему он выполняет роль управляющей сетки и дает возможность регулировать яркость изображения. При больших отрицательных потенциалах на управляющем электроде количество летящих от катода электронов невелико, а с уменьшением отрицательного потенциала количество электронов увеличивается. Таким образом можно изменять плотность электронов в луче и зависящую от нее яркость свечения люминофора. Управляющий электрод также позволяет сфокусировать электроны, летящие в разных направлениях от катода, в одну точку А, называемую первым фокусом электронного луча. За точкой А электронный луч начинает расходиться. Для того чтобы собрать электроны в узкий пучок и сообщить им большую скорость, на пути электронного луча помещаются два анода — фокусирующий и ускоряющий. Фокусирующий анод 4 выполняется в виде цилиндра с перегородками, в которых по оси имеются отверстия. На фокусирующий анод подается положительный потенциал порядка 300—1000 В. За фокусирующим анодом располагается ускоряющий анод 5 с потенциалом 800—5000 В, который сообщает электронам большую скорость и направляет электронный луч таким образом, чтобы второй фокус электронного луча находился в центре экрана (точка Б). В этом случае на экране электронно-лучевой трубки появится светящаяся точка диаметром около одного миллиметра. Электроны, летящие от катода, имеют скорость несколько тысяч километров в секунду, поэтому с поверхности люминофора выбивается значительное количество вторичных электронов. Чтобы предотвратить появление возле люминофора значительного объемного заряда с большим отрицательным потенциалом, который нарушает нормальную работу электронно-лучевой трубки, внутренняя поверхность конической части баллона покрывается замешанным на воде угольным порошком. Этот слой носит название аквадага. Аквадаг 8 электрически соединяется ускоряющим анодом и имеет благодаря этому высокий положительный потенциал, притягивающий вторичные электроны. Аквадаг имеет матовую поверхность и препятствует возникновению световых бликов внутри электронно-лучевой трубки.
Внутренняя поверхность передней части стеклянного баллона 9 покрыта специальным составом 10, называемым люминофором, который имеет способность светиться, под ударами электронов. В зависимости от химического состава люминофора цвет свечения может быть синим, белым, зеленым и голубым. У некоторых типов современных электронно-лучевых трубок поверхность люминофора, бомбардируемая электронным лучом, покрывается тончайшим прозрачным слоем алюминия, что повышает яркость изображения.
Мы рассмотрели устройство электронно-лучевой трубки, в которой фокусирование луча в одну точку достигается с помощью электрического поля (электростатическое фокусирование). У некоторых типов электронно-лучевых трубок фокусирование луча осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого катушками, которые закрепляются на горловине электронно-лучевой трубки (магнитное фокусирование).
Для получения изображения на экране электронно-лучевой трубки луч должен перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Управление электронным лучом производится отклоняющими пластинами, которые расположены за ускоряющим электродом. Для горизонтального отклонения луча служат пластины 6, которые называются горизонтально отклоняющими, для вертикального отклонения — вертикально отклоняющие пластины 7.
Направление и степень отклонения луча зависят от потенциала этих пластин, т. е. от напряженности электрического поля между ними. Отклонение электронного луча с помощью электрического поля, созданного пластинами, называется электростатическим отклонением. У некоторых типов электронно-лучевых трубок для вертикального и горизонтального отклонения луча используется магнитное поле, создаваемое катушками, расположенными под углом 90° одна к другой. Такое отклонение луча называется магнитным отклонением.
Электронно-лучевые трубки, применяемые в телевизионных приемниках, называются кинескопами.
ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Ионизация газа
В идеальных условиях молекулы газов являются электрически нейтральными, т. е. не несут электрического заряда, но в действительных условиях в результате воздействия естественной радиоактивности окружающего пространства, космического излучения, световой и тепловой энергии и т. д. молекула или атом газа может потерять электрон. При этом создаются два заряда: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион. Ионы могут иметь не только положительный, но и отрицательный заряд. Отрицательный ион образуется из нейтрального атома или молекулы газа при присоединении к ним свободного электрона.
Процесс образования ионов в объеме газа называется ионизацией.
Ионизация газа может быть вызвана повышением его температуры, воздействием световых или рентгеновских лучей, действием электрического или магнитного поля и т. д. Если на ионизированный газ внешние факторы перестают действовать, то положительные и отрицательные ионы восстанавливаются в нейтральные частицы. Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией.
Рассмотрим процесс ионизации газа. В стеклянном баллоне, наполненном разреженным инертным газом, расположены металлические анод и катод, причем анод соединен с положительным полюсом источника постоянного тока через резистор г, а катод подключен к отрицательному полюсу источника (рис. 10, а). Конструкция источника тока позволяет плавно изменять величину напряжения от нуля до некоторого максимального значения.
Процесс ионизации характеризуется вольт-амперной характеристикой (рис. 10, б). При отсутствии напряжения между катодом ианодом свободные электроны и ионы, которые всегда имеют место в объеме газа в результате воздействия внешних факторов, находятся в беспорядочном движении и ток в цепи равен нулю (точка О). С увеличением напряжения в цепи появляется небольшой ток, вызванный перемещением свободных электронов и отрицательных ионов к аноду и положительных ионов к катоду. Чем больше напряжение, тем быстрее движутся заряженные частицы, тем, следовательно, больше сила тока в цепи. Но сила тока остается незначительной, так как в обычных условиях число свободных электронов и ионов в газе невелико (участок ОА). При некотором напряжении скорость заряженных частиц настолько возрастает, что при столкновении их с нейтральными частицами газа происходит ионизация. Вновь образованные частицы в свою очередь под действием силэлектрического поля приобретают значительную скорость и получают способность ионизировать другие нейтральные частицы. Таким образом, ионизация носит лавинообразный характер. Это явление называется ударной ионизацией. В результате ударной ионизации резко возрастает ток в цепи (участок А Б) и газ начинает светиться. Напряжение, при котором возникает свечение газа, носит название напряжения зажигания U 3. В момент зажигания напряжение между электродами уменьшается, так как возрастает падение напряжения на резисторе г. При дальнейшем увеличении напряжения ток быстро возрастает вследствие расширения области ионизации (участок Б В) и свечение газа становится более интенсивным.
Рис. 10. Ионизация газов: а — схема включения ионного прибора; б — вольт-амперная характеристика.
Когда значительная часть газа ионизирована, для дальнейшего увеличения тока требуется повысить напряжение (участок ВГ). Увеличение тока вызовет резкое возрастание энергии летящих к катоду положительных ионов и благодаря усиленной бомбардировке катода его температура повышается, что приводит к возникновению термоэлектронной эмиссии. При этом количество свободных электронов быстро увеличивается и между электродами начинается дуговой разряд, сопровождающийся большим падением напряжения (участок ГД).
2. Газотрон
Газотрон представляет собой двухэлектродную лампу, но в отличие от кенотрона его работа основана на образовании разряда в ионизированном газе, которым заполнен баллон.
Одним электродом газотрона (рис. 11) служит катод прямого или косвенного накала, покрытый оксидным слоем. Анод газотронов малой мощности изготавливается из металла и обычно имеет форму диска, а анод газотронов большой мощности выполняется из графита в форме чашки, окружающей катод. Баллон газотрона заполняется инертным газом — аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью, а газотронов повышенной мощности — парами ртути.
При включении газотрона его катод эмиттирует свободные электроны. Уже при малом анодном напряжении в анодной цепи потечет ток, однако сила его будет незначительна, так как этот ток обусловлен только движением эмиттированных катодом электронов. Когда анодное напряжение достигнет величины напряжения зажигания, газ ионизируется и происходит зажигание газотрона, причем анодный ток увеличивается толчком, а внутреннее сопротивление лампы резко падает.
В рабочем режиме катод газотрона бомбардируется положительными ионами, и если анодное напряжение возрастает выше допустимого значения, скорость этих ионов увеличивается настолько, что под их ударами происходит разрушение катода. Поэтому повышение рабочего напряжения газотрона свыше номинальной величины недопустимо. К разрушению катода может привести также и недостаточный прогрев его перед началом работы. Плохо прогретый катод испускает малое количество электронов и внутреннее сопротивление газотрона остается значительным, отчего повышается анодное напряжение и увеличивается скорость положительных ионов, бомбардирующих катод. Время прогрева катода мощных газотронов может достигать 30 мин.
Рис. 11. Газотрон:
а — устройство; 6 — условное обозначение.
По сравнению с кенотроном газотрон обладает рядом существенных преимуществ. Главное из них — малое внутреннее сопротивление, благодаря которому мощность, выделяемая на аноде газотрона, во много раз меньше, что дает возможность получить выпрямленный ток в несколько десятков раз больший. Кроме того, газотрон имеет малое падение напряжения и значительно больший кпд.
Однако газотроны имеют и существенный недостаток, который выражается в том, что в них возникает обратный ток. Если газотрон используется в качестве выпрямителя, то полярность анодного напряжения непрерывно меняется и в те моменты времени, когда на аноде будет знак минус, а на катоде плюс часть ионов, не успевших рекомбинировать, создаст обратный ток. Если скорость положительных ионов достаточно велика, то они вызывают вторичную электронную эмиссию анода и обратный ток станет настолько большим, что он может стать равным прямому току. Лампа теряет вентильные свойства и уже не может работать в качестве выпрямителя. Это явление называется обратным зажиганием газотрона.
Тиратрон
Тиратроном называется газонаполненная трехэлектродная лампа. У триода управляющая сетка предназначена для регулирования анодного тока. В тиратроне же сетка имеет другое назначение.
Рис. 12. Тиратрон: а — схема включения; б — анодно-сеточная характеристика.
Рассмотрим работу схемы, приведенной на рис. 12, а. В верхнем по схеме положении движка потенциометра r1 на сетку подается большой отрицательный потенциал, который препятствует перемещению электронов от катода к аноду — тиратрон оказывается запертым и анодный ток отсутствует, что соответствует точке 1 на анодно-сеточной характеристике (рис. 12, б). Уменьшение отрицательного потенциала на сетке (при перемещении движка потенциометра r1 вниз) приведет к появлению незначительного анодного тока (точка 2). Дальнейшее уменьшение отрицательного потенциала сетки вызовет увеличение скорости электронов, ионизацию газа и зажигание тиратрона. В момент зажигания ток резко возрастает до номинального значения (точка 3). С этого момента любое изменение потенциала сетки не влияет на силу анодного тока, так как ее потенциал будет компенсироваться зарядом близко расположенных ионов противоположной полярности.
Таким образом, сетка служит только для зажигания тиратрона в нужный момент времени. Если необходимо прекратить работу тиратрона, то следует либо уменьшить величину анодного напряжения, либо кратковременно разорвать анодную цепь.
Изменяя момент зажигания тиратрона, работающего в качестве выпрямителя, можно плавно регулировать среднюю величину выпрямленного напряжения.
Стабилитрон
В некоторых системах автоматики, в точных измерительных схемах и в ряде других случаев требуется, чтобы напряжение, которое подается на эти устройства, было строго постоянным, или, как часто говорят, стабильным. Так как напряжение источников тока может меняться в зависимости от целого ряда причин, то приходится применять специальные приборы для поддержания постоянного напряжения. Одним из таких приборов является газоразрядная лампа — стабилитрон (рис. 13).
В стеклянном баллоне, заполненном инертным газом, помещен анод 1, представляющий собой никелевую нить. Вокруг анода смонтирован цилиндрический катод 2 из никеля или стали, внутренняя поверхность которого покрыта активным слоем. Если на электроды стабилитрона подать напряжение, то газ в нем ионизируется и через прибор потечет ток, причем его сила будет зависеть от сопротивления газа. Заметим, что сопротивление газа между электродами стабилитрона изменяется в зависимости от приложенного напряжения.