Изучение приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники является важной составной частью подготовки инженеров по специальности “Электронные приборы и устройства”, т.к. именно эти приборы и устройства обеспечивают сегодня рекордные параметры по мощности на предельных частотах, по качеству телевизионного изображения и т.п.

Излагаемые в дисциплине вопросы базируются на материале курса “Вакуумная и плазменная электроника”.

Основной целью дисциплины является ознакомление студентов с основными классами вакуумных и плазменных приборов и устройств, их принципами действия, основными характеристиками и параметрами, методами их расчета и областями применения

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОБЩЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

В ВЭПУ протекают различные физические процессы:

1) эмиссия элек­тронов из накаливаемых, холодных и плазменных катодов;

2) формиро­вание (фокусировка) и ускорение электронного потока (пучка, луча);

3) модуляция плотности электронного потока в лампах;

4) поперечное отклонение электронного луча в ЭЛП;

5) преобразование энергии элек­тронного потока в энергию выходного сигнала;

6) рассеяние остаточной энергии электронов, вызывающее ряд побочных эффектов;

7) нагрев элек­тродов;

8) вторичная электронная эмиссия;

9) побочное излучение (на­пример, паразитное рентгеновское излучение в нерентгеновских прибо­рах)

10) динатронный эффект (в электронных лампах)

11) эффект проходной емкости

При более широком подходе в ВЭПУ можно обнаружить также ряд физических и физико-химических процессов, связанных с остаточными газами: взаимодействие молекул газа с горячими поверхностями электродов и ионизация остаточного газа и, как следствие этого, бомбардировка и разруше­ние активированных катодов положительными ионами, а люминесцирую­щих экранов — отрицательными ионами.

Основные и побочные физические процессы

Все перечисленные процессы в той или иной степени влияют на пара­метры ВЭПУ, включая долговечность и надежность. Однако в основе прин­ципов действия ВЭПУ лежат только некоторые из этих физических явле­ний, называемые необходимыми или основными процессами. В общем случае подобными процессами являются первые шесть из приведенного перечня. Другие физические процессы, такие как модуляция плотности и поперечное отклонение электронного потока, не являются необходимыми для всех ВЭПУ. Например, в рентгеновской трубке не требуется специального управления электронным потоком. Однако в общем случае эти процессы следует рассматривать как основные. К числу побочных (или сопутствующих) процессов относятся перечисленные в пунк­тах 7-11. Они, как правило, снижают эффективность основных процессов и потому являются крайне нежелательными, вредными.

Понятие «побочный процесс» следует рассматривать с учетом функционального назначения прибора, в котором возникает этот процесс. При изменении функции прибора побочный процесс может перейти в разряд основных. Например, рентгеновское излучение является побочным про­цессом во всех ВЭПУ, кроме рентгеновских трубок, в которых оно стано­вится основным. Таким образом, систематизация физических процессов, происходя­щих в ВЭПУ, позволила выявить среди них основные, составляющие принципы действия ВЭПУ.

Если проанализировать названия этих процессов, то нетрудно заме­тить, что, несмотря на функциональные и конструктивные различия ВЭПУ, происходящие в них основные процессы содержат много общего.

Первый из основных процессов следует назвать процессом получения (эмиссии) свободных заряженных частиц (электронов, ионов) без указания типа эмиттера.

Второй из основных процессов следует определить как формирование потока (пучка, луча) заряженных частиц (с заданными электрически­ми и геометрическими параметрами).

Третий - управление потоком заряженных частиц (с целью изменения его параметров).

• К основным процессам относятся также преобразование энергии элек­тронного потока в энергию выходного сигнала (или генерирование выход­ного сигнала) и рассеяние остаточной энергии электронного потока.

Для реализации этих физических процессов конструкции ВЭПУ должны содержать соответствующие базовые узлы:

• эмиттер (катод);

• формирующий (электронно-, ионно-оптический) узел;

• управляющий узел;

• преобразующий узел;

• коллектор (анод, экран, мишень).

Кроме этого, в конструкцию ВЭПУ должны входить дополнительные узлы или конструктивные элементы, предназначенные для нейтрализа­ции побочных процессов, а также для выполнения специальных функ­ций, связанных со спецификой применения ВЭПУ.

Таким образом, анализ принципов действия различных ВЭПУ показы­вает, что они могут быть сведены к некоему единому принципу обобщенно­го ВЭПУ, базовая структура которого показана на рисунке.

Она представ­ляет собой линейно ориентированный граф, вершинами которого являются названия базовых узлов, а ребрами — потоки заряженных частиц, входя­щие в эти узлы и выходящие из них. Пунктирная линия, окружающая этот граф, ограничивает рабочее (вакуумное) пространство ВЭПУ. Для пол­ноты картины функционирования обобщенного ВЭПУ на рисунке показа­ны также линии связи базовых узлов с элементами внешней среды, обеспе­чивающими, с одной стороны, подведение необходимой энергии питания (физическое воздействие, статические и переменные поля), а с другой — отвод энергии, генерируемой ВЭПУ (выходной сигнал, побочные потоки энергии). Из рисунка видно, что функционирование каждого базового узла, по существу, сводится к преобразованию входящего в него потока энергии (заряженных частиц, поля) в поток энергии, выходящий из него. Поэтому всю структуру принципа действия можно разделить не несколько секций, каждая из которых состоит из базового узла В_i и потоков энергии на его входе А _i, А'_i и выходе C _i, C'_i , где i - 1, 2, … 5 — порядковый номер.

Преобразования вида

называются физико-техническими эффектами (ФТЭ).

Таким образом, принцип действии обобщенного ВЭПУ можно рас­сматривать как последовательность определенных ФТЭ, которым мож­но присвоить имена реализуемых ими основных физических процессов: эмиссия, формирование, управление, преобразование, рассеяние. Эти ФТЭ являются обобщенными, не связанными с какими-либо конкрет­ными условиями реализации, поэтому представляют собой, как прави­ло, сложные эффекты. В структурах реальных приборов каждый из них может быть представлен суммой нескольких простейших ФТЭ. различающихся законами природы; некоторые из указанных ФТЭ могут быть совмещены друг с другом (в электроннолучевых приборах, рентгеновских трубках и электронно-лучевых сварочных установках совмещенными оказываются эффекты преобразования и рассеяния), а также не­однократно использованы (в кинескопах дважды используется эффект управления).

Основные положения обощенного подхода к изучению ВЭПУ

1. Вакуумные электронные приборы и электроннолучевые установки – это устройства, работа которых основана на использовании различных физических процессов взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными полями и веществами.

2. Все физические процессы делятся на основные и побочные.

3. Принципы действия ВЭПУ допускают совмещение основных физических процессов во времени и пространстве.

4. Разнообразие ВЭПУ обусловлено существованием различных способов реализации основных процессов и устранении побочных.

5. При реализации принципа действия прибора могут возникать обратные связи.

6. Структура принципа действия обобщенного ВЭПУ инвариантна по отношению к типу энергоносителя, как следствие состав узлов не меняется, а меняется лишь только название.

7. Инвариантность обеспечивает использование двух типов потоков (например, лазертрон – генератор радиоволн, представляет собой комбинацию оптических и ЭВ подсистем, содержит фотокатод и преобразующее устройтство в виде объемного резонатора. Лазер формирует излучение, взаимодействующее с резонатором.).

Все положения обобщенного подхода создают общую ориентированную основу и классификационную базу по способам реализации основных физических процессов

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ И ТЕРМОКАТОДЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Закон термоэлектронной эмиссии

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердо го тела. При нагревании металла скорости и энергии некоторых электронов проводимости увеличиваются настолько, что эти электроны в состоянии преодолеть силы, удерживающие их, и вылететь с поверхности в вакуум.

Уравнение, выражающее основные закономерности термоэлектронной эмиссии металлов, имеет вид:

j_e = AT² e^-ej/kT (1)

где je — ток эмиссии с единицы поверхности катода; Т — абсолютная температура катода; е j — работа выхода; k — постоянная Больцмана; А — универсальная постоянная.

Формула (1) известна под названием формулы Ричардсона—Дэшмэна.

Из характеристики видно, что с увеличением температуры ток эмиссии сначала увеличивается медленно, а затем очень быстро, что свидетельствует об экспоненциальной зависимости je = f ( T ). Распределение скоростей электронов, вылетевших из металлов, подчиняется закону Максвелла.

Влияние ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию

В электронных приборах электроны, испускаемые накаленным катодом, двигаются к аноду под действием ускоряющего электрического поля, которое создается в пространстве между катодом и положительно заряженным электродом. Ускоряющее поле, действуя у поверхности катода, способствует выходу электронов из катода и увеличивает электронную эмиссию. Это явление получило название эффекта Шоттки .

Если обозначить нормальную плотность тока эмиссии через je , то плотность тока эмиссии при учете эффекта Шоттки будет равна:

, (2)

где Е — напряженность ускоряющего поля у катода.

Учет влияния ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию возможен для катодов с гладкой поверхностью, для которых можно точно рассчитать напряженность поля у поверхности. Если катод имеет шероховатую поверхность и, следовательно, около неровностей этой поверхности электрическое внешнее поле будет иметь очень большую напряженность, увеличение тока эмиссии может быть весьма значительным.

Характеристики катодов

Основной характеристикой катода, которая может использоваться для выбора рабочего режима, является зависимость величины тока эмиссии от температуры катода. Так как измерение температуры накаленного катода в условиях эксплуатации ламп затруднительно, то контроль накала катода происходит по показаниям вольтметра или амперметра.

Типы катодов

Классификация катодов

Термоэлектронные катоды, применяемые в электровакуумных приборах, по их физическим и электрическим свойствам можно подразделить на четыре группы:

катоды из чистых металлов;

пленочные катоды;

полупроводниковые катоды;

сложные катоды.

Катоды из чистых металлов

Из чистых металлов в качестве катодов чаще всего используются вольфрам и тантал.

Из вольфрама легко изготавливаются проволоки различных диаметров, начиная от сотых долей миллиметра до 2 мм. Рабочая температура вольфрамового катода колеблется от 2400 до 2600К в зависимости от типа прибора. Эффективность вольфрамового катода изменяется от 2 до 10 мА/Вт. Срок службы катода при нормальных рабочих температурах — около 2–3 тыс. часов. Основным достоинством вольфрамового катода является постоянство его эмиссионных свойств. Вольфрамовые катоды применяются в мощных лампах, работающих при высоком анодном напряжении.

Танталовые катоды работают при температуре 2300–2500 К, но благодаря меньшей работе выхода (4,07эВ) дают большую эмиссию, чем вольфрамовые катоды. Недостатком танталовых катодов является то, что при высокой температуре тантал рекристаллизуется и получающаяся крупнозернистая структура делает катод хрупким и ломким.

Пленочные катоды

Пленочные катоды имеют металлическое основание (керн), на которое наносится пленка металла с меньшей работой выхода. Работа выхода пленочных катодов меньше, чем работа выхода материала его керна. Типичными представителями пленочных катодов являются торированный и карбидированный катоды.

Торированный катод представляет собой вольфрамовую проволоку, поверхность которой покрыта одноатомным слоем тория. Рабочая температура катода — 1800–1900 К. Эффективность — 35–50 мА/Вт. Недостатком торированного катода является неустойчивость эмиссии из-за чувствительности активного слоя к ионной бомбардировке.

Для повышения устойчивости эмиссии торированного катода и возможности применения его при высоких рабочих анодных напряжениях проводят карбидирование торированного катода. Активный слой атомов тория располагается на карбиде вольфрама. Теплота испарения тория с поверхности карбида вольфрама больше, чем с поверхности чистого вольфрама. Поэтому карбиди-рованные катоды могут работать при более высоких температурах. Рабочая температура катода — 1950–2000 К. Эффективность — 50–70 мА/Вт. Карбидированные катоды находят применение в генераторных лампах.

Полупроводниковые катоды

Наиболее распространенным типом полупроводниковых катодов является оксидный катод. Основой катода является металлический керн. На керн нанесено оксидное покрытие, состоящее из окислов бария и стронция. Толщина оксидного покрытия — 20–100 мкм. При активировке катода оксидный слой из диэлектрика превращается в полупроводник с электронной проводимостью.

Рабочая температура оксидного катода составляет 1000–1200 К. Работа выхода еj = 0,3 эВ. Эффективность — 60–100 мА/Вт.

Оксидные катоды могут быть как прямонакальными , так и подогревными.

В импульсном режиме при высоких анодных напряжениях с оксидных ка-

тодов можно снимать большие плотности тока — в несколько десятков ампер с

квадратного сантиметра.

Сложные катоды

Из сложных катодов наибольшее практическое применение в электроннолучевых устройствах технологического назначения получили катоды, изготовленные с использованием боридов редкоземельных металлов. Они представляют собой соединения типа LaBa.

Важным преимуществом лантан-боридного катода наряду с устойчивостью к отравлению и ионной бомбардировке является то, что он не теряет эмиссионных

свойств после пребывания на воздухе.

При рабочей температуре 1920–1970 К лантан-боридный катод позволяет получать плотности тока 6–10 А/см².

ИСТОЧНИКИ ПОЛЕЙ В ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Электроны, вышедшие из катода в вакуум и ставшие свободными, при отсутствии внешнего электрического поля концентрируются вблизи поверхности катода. Для отбора электронов с поверхности катода используются постоянные или переменные электрические поля, которые обеспечивают энергию и направление распространения всей совокупности отобранных электронов, называемой электронным потоком. Таким образом, процесс отбора катодного тока, по существу является начальной стадией формирования электронного потока. Электронный поток можно рассматривать как проводник конвекционного электрического тока.

Существует два источника электрического поля: внешние (поверхностные) заряды, возникающие на электродах при подключении к ним стороннего источника ЭДС, и внутренние заряды, заполняющие междуэлектродное пространство, т. е. совокупный пространственный заряд. Если поле внешних зарядов представить потенциальной функцией U_y (x, у, z), а поле пространственного заряда U_p (x, у, z), то результирующее поле будет определяться суперпозицией этих частных полей: U (x, у, z) = U_y (x, у, z)+ U_p(x, у, z).

Магнитное поле имеет также два источника: электрические токи магнитных катушек (или постоянные магниты) и сам электронный поток, как проводник с электрическим током, вокруг которого образуется магнитное поле. Однако магнитное поле, создаваемое электронным потоком, становится существенным лишь при скоростях электронов, близких к скорости света. Во всех других случаях магнитным полем электронного потока обычно пренебрегают.

ОТБОР КАТОДНОГО ТОКА В ДИОДЕ С ТЕРМОКАТОДОМ

В зависимости от конкретного назначения диодов их электродам придают те или иные формы, среди которых плоская, цилиндрическая и сферическая обычно рассматриваются как простейшие формы. В диодах с такой формой электродов электрическое поле может быть описано с помощью функций одной из пространственных координат.

Электростатические поля в диодах

Электростатические поля в «холодных» диодах (без пространственного заряда) ничем не отличаются от полей в соответствующих конденсаторах. На рис. 1 с помощью электрических силовых линий представлены поля в таких диодах: а — в плоском, б — цилиндрическом и в — сферическом при потенциалах катода U_k = 0 и анода U_k >> 0. Распределение потенциала между электродами таких диодов можно выразить с помощью известных из электростатики функций:

1) плоском диоде

(1)

2) в цилиндрическом диоде с внешним анодом

(2)

3) в сферическом диоде с внешним катодом

(3)

где х и х_п — текущая координата и расстояние катод-анод, r, r_к, r_а — текущая радиальная координата, радиус катода и радиус анода, U_a — потенциал анода. На рис. 2 приведены графики этих функций. В цилиндрическом и сферическом диодах отсчет расстояния r ведется от поверхности катода.

Расчет полей пространственного заряда даже в столь простых по конструкции диодах оказывается намного сложнее, поэтому ограничимся пока лишь качественной иллюстрацией этих нолей на примере плоского диода. Допустим, что в этом диоде катод нагрет до рабочей температуры T, а анод накоротко соединен с катодом (U_a=U_k=0). В этом случае внешнее электростатическое поле в диоде будет отсутствовать (контактной разностью потенциалов пренебрегаем). Тогда электроны, вылетевшие из катода и заполнившие все междуэлектродное пространство в нем, создадут поле, распределение потенциала в котором будет характеризоваться функцией U_p(x), изображенной в виде кривой на рис. 3 а. Особенностью этой кривой является наличие отрицательного минимума потенциала U_M, сдвинутого влево от середины промежутка (x_M<x_a/2). Этот сдвиг объясняется тем, что в левой половине

диода в любой момент времени количество электронов больше, чем в правой (прнанодной), так как из-за разброса начальных скоростей не все электроны, первоначально направлявшиеся от катода к аноду, смогут преодолеть минимум потенциала (потенциальный барьер) и достигнуть анода. Часть из них, имеющая начальную энергию W_x<eU_M, отражается от этого барьера и возвращается к катоду, повышая тем самым плотность пространственного заряда в прилегающей к катоду области. Значение U_M зависит от ширины промежутка х_a,. С уменьшением этой ширины значение U_M уменьшается, поскольку уменьшается объем пространственного заряда между электродами.

Если теперь анод отсоединить от катода и сообщить ему потенциал U_a, то, наряду с полем пространственного заряда U_p(x), между электродами появится внешнее поле U_v(x) (см. рис. 3 б). В сумме они создадут результирующее поле U(x). Кривая U(x) показывает, что в работающем («горячем») диоде даже при U_a > 0 вблизи катода может существовать область отрицательного потенциала, обусловленная некомпенсированным действием поля пространственного заряда электронов, и поэтому движение электронов, вылетевших из катода, имеет сложный характер. Сначала, на участке х_M, они движутся в тормозящем поле пространственного заряда и лишь потом попадают в ускоряющее поле анода.

При изменении анодного напряжения область отрицательного потенциала также изменяется (рис. 4). С увеличением U_а она сужается (кривые 4, 5) и при U_a = U_{a нас} полностью исчезает, стягиваясь в точку с координатами U_M = 0, х_м = 0 (кривая 6). При еще более высоком анодном потенциале (U_a > U_{a нас}) вблизи катода существует только ускоряющее поле (кривая 7). Если же потенциал анода, наоборот, уменьшается, то область отрицательного потенциала расширяется. При этом минимум потенциала U_M

смещается в сторону анода (кривая 3) и при некотором значении U_a = -U_{a гр} оказывается в плоскости анода (кривая 2). При еще более отрицательном потенциале U_a распределение U(x) характеризуется монотонным снижением потенциала в направлении анода (кривая 2). Таким образом, картину распределения потенциала в диоде с накаленным катодом при разных значениях U_a , можно представить в виде трех дополняющих друг друга областей, характеризующих собой различные условия движения электронов от катода к аноду.

Режимы отбора катодного тока

Если измерить и построить на трафике зависимость катодного тока I_к диода от анодного напряжения U_k. для двух значений напряжения накала катода U'_н и U"_к > U'_н то они будут иметь вид кривых, изображенных на рис. 5. 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. 4. и что точки U_{a гр} и U_aнас на рис. 4 и 5 соответствуют одним и тем же значениям U_a. Тогда на рассматриваемой кривой рис. 5 четко обозначатся три участка (I, II, Ш), соответствующие трем областям распределения потенциала на рис. 4 и, следовательно, трем разным условиям отбора катодного тока.

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_{к гр} << I_Т), 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_{а нас}. называется режимом ограничения катодного тока пространственным зарядом, или коротко — режимом пространственного заряда. В этом режиме I_Н 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 и с увеличением U_a стремятся к нулю, катодный ток в этом режиме будет характеризоваться соотношением I_к ≥ I_Т. 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.

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_Т, и в дальнейшем ограничивается температурой катода.

На рис. 6 приведены две экспериментальные кривые — зависимости катодного тока диода от напряжения накала катода (U_M при двух значениях анодного напряжения: U'_a и U"_a > U'_a. По форме они близки к катодно-анодным характеристикам, поскольку также имеют круто нарастающие и пологие участки. Однако на рис. 6 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 Шотткн, т. е. I_K= I_ТE. 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_H, тем сильнее он проявляется. Об этом свидетельствует различие катодных токов I'_ТE = I"_ТE при U_M1. С повышением напряжения накала ток эмиссии и плотность пространственного заряда между электродами возрастают. В результате этого при некотором значении U_H > U_H2 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_H) уплощается и наступает режим пространственного заряда. Таким образом, эффект ограничения катодного тока пространственным зарядом выражается в прекращении нарастания катодного тока при увеличении напряжения накала.

ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ДИОДА

Теоретическое решение задачи отбора катодного тока в диоде в режиме ограничения пространственным зарядом найдено лишь для самых простых конфигураций электродов: плоских, цилиндрических и сферических. Для плоского диода аналитическое решение было получено при следующих физических допущениях:

1) в диоде существует только продольное электрическое поле Е_х = -дU/дх, следовательно, дU/дy = дU/дz = 0;

2. во всем междуэлектродном промежутке диода дU/дх > 0 и лишь на катоде дU /дх|_x=0=0;

3. начальная скорость электронов, эмитированных катодом, υ|_x=0=0

Первое из принятых допущений предполагает рассмотрение идеально плоского диода, в котором отсутствуют краевые эффекты поля и поэтому потенциал, скорость и плотность пространственного заряда зависят только от одной координаты х (одномерный поток). Второе допущение указывает на отсутствие в междуэлектродном пространстве диода точек с отрицательным потенциалом (на рис. 4 этому требованию удовлетворяет кривая 6). При этом, чтобы существовал эффект ограничения катодного тока пространственным зарядом, было введено третье допущение: все электроны, вылетающие из катода, обладают нулевыми скоростями. Благодаря этому, при заданном значении U_a от катода в любой момент времени будет отбираться только определенное количество электронов, поле которых может быть полностью скомпенсировано внешним полем во всех точках междуэлектродного пространства диода. Если по какой-либо причине от катода отойдет большее число электронов, то вблизи него сразу же возникнет область отрицательных потенциалов — динамический потенциальный барьер, и тогда «лишняя» часть электронов, создавшая этот барьер, возвратится на катод и поле вновь будет соответствовать второму допущению.

При выводе закона степени 3/2 в качестве исходной системы уравнений используется следующая:

(4)

где е и m — заряд и масса электрона, υ — вектор скорости электрона, Е — вектор напряженности электрического поля, U — потенциал, J — вектор плотности тока, ρ — объемная плотность пространственного заряда и ε₀ — диэлектрическая постоянная. При вышепринятых допущениях система (4) упрощается и принимает вид

откуда следует, что

(5)

где А = J/ε₀√(2e)/m — постоянная величина, поскольку в установившемся режиме через единицу площади на любом расстоянии от катода проходит одно и то же число электронов.

Граничные условия в диоде с междуэлектродным расстоянием х_a, имеют вид

(6)

Умножая обе части уравнения 5 на 2dU/dx, получаем

Отсюда, принимая во внимание граничные условия (6), получаем

Повторное интегрирование дает выражение

откуда

(7)

а в плоскости анода (х = х_а)

(7а)

Индексы при J подчеркивают, что плотность тока в плоском диоде во всем междуэлектродном пространстве неизменна.

Выражение (7а) получило название «закона степени трех вторых» для плотности конвекционного тока; нередко его называют также формулой Чайльда-Лангмюра, поскольку впервые она была получена этими физиками.

Из равенства плотностей тока, определяемых выражениями (7) и (7а), следует, что в плоском диоде распределение потенциала характеризуется следующим соотношением (лангмюровское распределение):

(8)

Сравнивая (8) с (1), можно оценить влияние пространственного заряда на распределение потенциала в указанном диоде.

Используя (8), можно найти формулы для распределения вдоль оси х напряженности электрического поля Е(х), плотности пространственного заряда ρ(х), скорости электронов υ(х):

(9)

где

(10)

(11)

Интерес представляет также оценка влияния пространственного заряда на время пролета т_а между электродами диода. В общем случае

Подставляя под интеграл выражение (11), получаем

(12)

В случае малого влияния пространственного заряда, когда распределение потенциала между электродами характеризуется линейным законом (1),

(13)

Сравнение выражений (12) и (13) показывает, что действие пространственного заряда в 1,5 раза увеличивает время пролета.

На рис. 7 приведены графики зависимостей (8)-(11), которые наглядно показывают характер изменения указанных величин. Обращает на себя внимание кривая ρ/ρ_а. При х→0 плотность пространственного заряда стремится к бесконечности. Этот физически нереальный результат является следствием принятого допущения о том, что начальные скорости термоэлектронов равны нулю. Поскольку в действительности начальные скорости не равны нулю, то реальное значение ρ(х)/ρ_a вблизи катода будет меньше того значения, которое дает (10).

В связи с этим возникает вопрос: насколько закон степени 3/2 и другие полученные формулы применимы для реального диода при отборе катодного тока в режиме пространственного заряда? На рис. 8 приведена уже известная кривая распределения потенциала в плоском диоде, для которой характерно наличие отрицательного минимума потенциала. Условие (dU/dx)|_х=0 = 0, при котором получено выражение (7а), выполняется в плоскости х = x_м. Следовательно, в этой формуле правильнее было бы заменить величину U_a суммой U_a + U_M, а х_а — разностью х - х_M. Тогда закон степени 3/2 принял бы вид

(14)

Однако расчеты показывают, что в реальных условиях работы электронных ламп величина U_M составляет десятые доли вольта, а х_м — сотые доли миллиметра, поэтому в абсолютном большинстве встречающихся случаев U_M<<U_a и x_M<<x_a. Следовательно, результаты расчетов по формулам (7а) и (14) будут мало различаться.

При расчетах рабочих режимов электронных приборов наибольший интерес представляет не плотность, а сила катодного тока I_к = J_кF, где F — площадь поперечного сечения электронного потока. В рассматриваемом (плоском) диоде она одинакова в любой плоскости от катода до анода, т. е. F = F_к = F_a. Обычно для единообразия обозначений в выражении для катодного тока используется равенство F = F_a. а само выражение с учетом (7а) принимает вид

(15)

Подставляя в (15) значения всех физических констант, получим расчетную формулу для конвекционного тока в плоском диоде

(16)

Эта формула (закон степени 3/2) используется для расчета тока, отбираемого с катода и поступающего на анод диода в режиме пространственного заряда.

Анализ токоотбора в диодах с другими формами электродов показал, что в случае пренебрежения начальными скоростями термоэлектронов сйщая закономерность, описывающая зависимость I_к от U_a, аналогична 16) и может быть представлена в виде

(17)

где — коэффициент формы электродов. Для плоского диода k_ф= 1. Для цилиндрического диода с внутренним катодом

(18)

где r_a и r_к — радиусы анода и катода, х_a = r_а - r_к и βa2 = flnrarк — функция в виде логарифмического ряда. Зависимость β² от r_a/r_к (r — текущий радиус) была рассчитана в широкой области значений r/r_к и в литературе приводится в виде таблицы или графика. Такой график приведен на рис. 9. Правая его ветвь, соответствующая r/r_к > 1, относится к цилиндрическим диодам с внутренним катодом (или внешним анодом); левая ветвь (при r/r_к < 1) — к диодам с внешним катодом. В последнем случае величина β² обозначается со знаком минус, т. е. (-β)².

Если (18) подставить в выражение (17) и учесть, что площадь цилиндрического анода F_a = 2πr_al_а, где l_а — длина анода, то указанное выражение примет следующий вид:

(19)

при этом распределение потенциала в цилиндрическом диоде будет иметь вид

(20)

где β² — величина, зависящая от r/r_к и при r = r_а равная β²_а. Из анализа функции β² следует, что при значениях r_a/r_к ≥ 10 величина β²_a ≈ 1, а при r_a/r_к ≤ 2, что соответствует малым расстояниям между катодом и анодом (при использовании подогревных катодов больших диаметров), функцию β²_a можно аппроксимировать выражением

Если это выражение подставить в (18), то получим k_ф = 1. Следовательно, при указанном условии конвекционный ток в цилиндрическом диоде будет определяться формулой (16), полученной для плоского диода.

На основе цилиндрического диода возможно построение электронных пушек, формирующих клиновидные (сходящиеся) электронные пучки. При этом в качестве катода используется внешний цилиндр диода и из сплошного радиального электронного потока вырезается часть в виде сектора с заданным углом 2θ (рис. 10).

Катодный ток в этом секторе будет определяться выражением

(21)

Для диодов, представляющих собой две концентрические сферы с радиусами r_a и r_к, коэффициент формы

(22)

где α²_а — функция отношения r_a/r_к. Зависимость α²_а, от r_a/r_к приведена в виде графика на рис. 11. Здесь так же, как и на рис. 9, правая ветвь графика, соответствующая r/r_к > 1, относится к диодам с внешним анодом, а левая ветвь (при r/r_к < 1) — к диодам с внутренним анодом; отсюда и разное обозначение этих ветвей: α² и (-α)².

Если (22) подставить в (17) и учесть, что площадь сферического

анода F_a = 4πr²_a, то получим следующее выражение для катодного тока в сферическом диоде:

(23)

при этом распределение потенциала в диоде будет выражаться формулой

При использовании сферического диода для построения электронных пушек, формирующих конические (сходящиеся) аксиально-симметричные пучки с углом схождения 2θ (проекция ее конструктивной схемы аналогична схеме, изображенной на рис. 10), катодный ток будет определяться уравнением

(24)

Таким образом, уравнение (17) дает возможность представить закон степени 3/2 для диода с любой конфигурацией электродов в виде

где

(25)

— конструктивный параметр, называемый первеансом диода.

Полученные выражения для катодного тока и его плотности в диодах относятся к системам с идеальной формой электродов, в которых электроны имеют прямолинейные траектории. Но на практике нередко встречаются неидеальные системы с криволинейными траекториями электронов, например плоский диод с катодом в виде ряда параллельных нитей накаливания или спиральный катод внутри цилиндрического анода. В этих случаях в выражение для первеанса диода (25) вводят соответствующие поправки.

Пушка пирса

Электронная пушка – электронно-оптическая система, формирующая электронный пучок.

Поскольку интенсивный пучок в свободном от электрического и магнитного поля пространстве неограниченно расширяется, формирование устойчивого интенсивного пучка определённой конфигурации возможно лишь при условии компенсации расталкивающей силы. Поэтому электронная пушка должна содержать электроды, создающие вблизи границы пучка распределение потенциала, обеспечивающее равенство нулю нормальной к границе пучка составляющей напряжённости электрического поля. Кроме того, для устойчивости пучка необходимо, чтобы при смещении электронов с границы пучка в любую сторону возникала сила, возвращающая их на границу пучка.

Ограничить расширение пучка можно с помощью продольного магнитного поля (однородного или уменьшающегося в направлении катода) или последовательностью электронных линз (электростатических или магнитных), расположенных вдоль пучка.

О

Рисунок 1 Общая схема системы формирования электронных пучков.

Практически в любом случае систему, формирующую электронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыре основные (рис. 1) области:

II — область пролетного канала (пролетной трубы) 4, в котором могут располагаться резонаторы, например в случае клистрона, или отклоняющие устрой­ства, например в случае сварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости и так на­зываемая поперечно-ограничивающая, «фоку­сирующая» система 5. Конструкции таких систем доволь­но многообразны. В частности, она может представлять собой длинный соленоид. Ее назначение — создать маг­нитное или электрическое поле, препятствующее расши­рению электронного пучка в пролетной трубе. В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допу­стить оседания значи­тельной части тока пуч­ка на стенках трубы, т. е. обеспечить хоро­шее токопрохождение. В частном случае (на­пример, отражатель­ные клистроны) этой системы может и не быть.

III — приемник или коллектор пучка 6, кото­рый может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду в электронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». В последнем случае ос­новной эффект, ради которого создается прибор и фор­мируется пучок, происходит именно на приемнике, на­пример плавка или сварка.

IV область — переходная между пуш­кой и поперечно-ограничивающей системой, поля в кото­рой должны быть такими, чтобы обеспечить согласован­ное действие I и II областей. Как правило, переходная область является важнейшей с точки зрения формиро­вания пучка, хотя, в случае если поле поперечно-ограни­чивающей («фокусирующей») системы простирается до катода пушки, этой области может и не быть.

Основные типы пучков

Конфигурация встречающихся на практике пучков может быть весьма разнообразной. Однако, хотя и не­сколько условно, можно из них выделить пучки наибо­лее типичной формы. В первую очередь это сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение ко­торых имеет вид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2,а), так и коническими, т. е. схо­дящимися (рис. 2,б).

Все больший интерес проявляется к трубчатым пуч­кам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которых представляет собой кольцо (рис. 2,в, г).

Следует указать также на ленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собой прямоугольник, одна сторона которого значительно боль­ше другой. Такие пучки также могут быть параллельны­ми или сходящимися — клиновидными (рис. 2,д,е).

Рисунок 2 Основные типы пучков.

1. Вполне определен­ный, часто возможно бо­лее высокий, микропер-веанс, который в настоя­щее время достигает еди­ниц мкА/в^3/2. Это отра­жает стремление получить пучки с возможно большим током при пониженных напряжениях.

2. Форма пучка должна, возможно лучше соответст­вовать заданной для того, чтобы его можно было про­пустить через пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы

пучка были возможно ближе к ее стенкам.

Принцип построения пушек Пирса

Н

Рисунок 3 Выделение электронных пучков в диодах простой формы.

При этом влияние отброшенной части электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквива­лентным влиянием некоторого электрического поля, ко­торое, будучи созданным в пространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:

8. Распределение потенциала вдоль границы пучка должно остаться прежним, соответствующим распреде­лению поля в выбранном исходном диоде.

9. Напряженность поля, нормальная к границе пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы, приводящие к расширению пучка.

Определив поле, отвечающее этим требованиям, не­обходимо рассчитать или подобрать конфигурацию элек­тродов, из которых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а дру­гой имеет потенциал анода и совпадает по форме с эквипотенциалью, соответствующей анодному напряжению U_a. Тогда указанная система электродов образует тре­буемый электронный пучок с прямолинейными траекто­риями. Такого типа пушки и получили название пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в их основу, иногда называют принципом прямолиней­ной оптики.

Система формирования по принципу Пирса (Электростатическая)

Представим себе сплошной безграничный электрон­ный поток с плотностью тока j, распространяющийся в своеобразном триоде, состоящем из трех электродов (рис. 4,а).

Рисунок 4 Распределение потенциала в ячейке системы электростатического формирования (а) и расчетная форма электродов (б).

При этом потенциалы крайних электродов равны U₁, а потенциал среднего U₀<U₁, причем электро­ды прозрачны для электронов, например, представляют собой сетки. Если теперь отбросить большую часть пучка, оста­вив только требуемых размеров аксиально-симметрич­ный или ленточный пу­чок, то для его формиро­вания необходимо подо­брать форму электродов, создающих на границе пучка поле, удовлетво­ряющее тем же требова­ниям, что и поле в пуш­ках Пирса.

Форма таких электродов представ­лена на (рис. 4,б). Кромка низковольтного электрода подходит к границе пучка под углом 45°, что является характерным для систем данного типа. В такой системе можно получить пучок постоянного сечения. При этом ясно, что при увеличении длины системы будет возрас­тать и необходимая для ее работы разность потенциа­лов (U₁—U₀), что практически ограничивает протяжен­ность пучка.

Д

Рисунок 5 Электростатическая система формирования пучка по принципу Пирса

Магнитная фокусировка

Обширное применение имеют магнитные линзы, образованные неоднородным аксиальносимметричным полем. На рис. 6 даны меридианные сечения некоторых магнитных линз этого класса и форма силовых линий в меридианной плоскости.

М

Рисунок 6 Конструкции магнитных линз

Р

Рисунок 7 Траектория электрона в магнитной отклоняющей системе



По выходе из магнитного поля электрон продолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точке выхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину z = L tga. При малых углах a » tg a; z » La. _

Величина центрального угла a = s/r » l1/r, где s – кривая, по которой движется электрон в поле В. Подставляя сюда значение r, получаем: _

Выражая скорость V0 электрона через напряжение на аноде, получаем: _. Учитывая, что индукция магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков wI, можно записать: _

Отклоняющие катушки с ферромагнитными сердечниками позволяют увеличить плотность потока магнитных силовых линий в необходимом пространстве. Стремясь получить более однородное магнитное поле, края катушки отгибают, а саму катушку изгибают по форме горловины трубки. Витки в катушке распределяют неравномерно: Число витков на краях обычно в 2 – 3 раза больше, чем в середине. Для уменьшения поля рассеяния катушки без сердечника обычно заключаются в стальной экран.

К недостаткам магнитных отклоняющих систем следует отнести невозможность их использования при отклоняющих напряжениях с частотой более 10 – 20 кГц, в то время как обычные трубки с электростатическим отклонением имеют верхний частотный предел порядка десятков мегагерц и больше. Кроме того, потребление магнитными отклоняющими катушками значительного тока требует применения мощных источников питания.

Достоинством магнитной отклоняющей системы является ее внешнее относительно электроннолучевой трубки расположение, что позволяет применять вращающиеся вокруг оси трубки, отклоняющие системы.

Устройства умножения электронного пучка

Электронный умножитель – электронное устройство для усиления потока электронов на основе вторичной электронной эмиссии. Электронный умножитель либо входит в состав некоторых электровакуумных приборов (фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей, ряда передающих телевизионных трубок— Диссекторов, Суперортиконов и др., а также приёмно-усилительных ламп) либо используется как самостоятельный прибор — приёмник электромагнитного излучения (в диапазоне длин волн λ 0,1— 150 нм) или частиц (электронов с энергиями до нескольких десятков кэв, ионов или нейтральных частиц с энергиями до нескольких Мэв). Такие приёмники, обычно выполняемые с незащищенным (открытым) входным окном, называются ЭУ открытого типа. Их используют в установках, работающих в условиях естественного вакуума (при космических исследованиях), и в высоковакуумных измерительных устройствах (сканирующих электронных микроскопах, манометрах, масс-спектрометрах).

Различают ЭУ следующих основных типов: умножительные системы на дискретных электродах — динодах: канальные ЭУ (КЭУ) на непрерывных динодах с распределённым сопротивлением; системы из множества параллельных КЭУ, выполненные на основе т. н. микроканальных плат (МКП). В 60-х гг. 20 в. разработаны вакуумно-полупроводниковые («гибридные») ЭУ, в которых используется эффект размножения электронов в электронно-дырочных переходах.

Бомбардировка вещества потоком электронов вызывает испускание вторичных электронов. Отношение числа выбитых и отраженных электронов к числу падающих электронов называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Широкое распространение в качестве материала вторичных эмиттеров получили сплавы СuМgАl, АlВеSi. Эффективность такого эмиттера определяется тонким слоем оксида щелочноземельного металла (МgО, ВеО), создаваемого путём активировки в окислительной среде.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - это электровакуумные приборы, в которых фототок усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Схематичное изображение ФЭУ приведено на рис. 1, где ФК - фотокатод, Д1 - Д5 - диноды, А – анод

Рисунок 8 Принципиальная схема фотоэлектронного умножителя

О

Рисунок 9 Схема распределенной системы вторичного усиления электронов



Фотоэлектроны выбивают из внутренней поверхности трубки вторичные электроны, которые ускоряются внешним полем и попадая на другие участки трубки, выбивают новые электроны. Трубки с отношением длины к диаметру 50 100 при напряжении 2 2,5 кВ имеют коэффициент усиления К = 10⁴ - 10⁶. Канальные системы не требуют внешнего делителя напряжения, имеют простую конструкцию и малые размеры.

Рисунок 10 Фото-электронный умножитель

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучах) в видимое либо для увеличения (усиления) яркости видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное, осуществляемое с помощью фотокатода, и затем электронного изображения в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране. Излучение от объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с различных участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и экраном, фокусируются с помощью электрического или (и) магнитного поля (образующего электронную линзу) и бомбардируют экран, вызывая его люминесценцию.

О

Рисунок 11 Структурная схема электронно-оптического преобразователя: А — объект наблюдения; О — объектив; Ф — фотокатод; ФЭ — фокусирующий электрод; Э — люминесцентный экран; К — стеклянный или керамический корпус.

1) интегральная чувствительность (ИЧ) — отношение фототока к интенсивности падающего на фотокатод излучения; определяется главным образом свойствами используемого в ЭОП фотокатода; например, у ЭОП с кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодом, применяемого для преобразования изображения в инфракрасных лучах (с длиной волн 0,78—1,5 мкм), ИЧ достигает 70 мка/лм; многощелочной фотокатод (состоит из соединений Sb с Cs и Sb с К и Na), используемый в ЭОП для усиления яркости видимого изображения, обеспечивает ИЧ до 106 мка/лм;

2) разрешающая способность, определяемая максимальным количеством раздельно видимых штрихов изображения на участке экрана длиной 1 мм; лежит в пределах 25—60 и более штрихов на 1 мм; 3) коэффициент преобразования — отношение излучаемого экраном светового потока к лучистому потоку, падающему от объекта на фотокатод; у однокамерных ЭОП составляет несколько тыс., у каскадных — 106 и более.

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫМИ ПОТОКАМИ

Управление электронным потоком — это изменение во времени по заданному закону его параметров, определяющих выполнение основной функций прибора или устройства. В литературе этот процесс часто называют также процессом модуляции электронного потока.

В ламповых усилителях выполнение основной функции (усиление сигнала) связано с модуляцией электронного потока по плотности, в осциллографических и других электронно-лучевых приборах — с модуляцией направления движения потока электронов и т. д. При этом в любом случае модуляция осуществляется с помощью переменных электрических или магнитных полей. Следовательно, способы управления можно классифицировать как по видам (признакам) управляющих полей и условиям, в которых осуществляется процесс управления, так и по названиям измеряемых параметров электронных потоков.

Для выявления способов управления, различающихся признаками полей, проанализируем уравнение движения электронов, связывающее параметры движения с взаимодействующими полями:

Таким образом, все способы управления прежде всего можно разделить на две группы: электрические и магнитные.

Электрические способы управления. Переменные электрические поле по своей природе разделяются на вихревые, создаваемые быстро изменяющимися магнитными потоками, и потенциальные — электрическими зарядами. В пространстве взаимодействия потенциальные поля могут создаваться как поверхностными зарядами, возникающими на электродах при подключении к ним источников ЭДС, так и пространственными зарядами других потоков заряженных частиц, распространяющихся в том же пространстве взаимодействия. При этом поле поверхностных зарядов можно изменять либо путем изменения напряжения на электродах (с помощью источника ЭДС), либо механическим изменением протяженности (емкости) пространства взаимодействия, к которому приложена постоянная разность потенциалов.

Другой классификационный признак управляющих электрических полей связан с их динамикой. Различают переменные поля стоячих и поля бегущих электромагнитных волн. Управление с помощью первых характеризуется, как правило, кратковременным взаимодействием их с электронными потоками, управление же с помощью вторых связано с длительным взаимодействием. Способы управления будут дополнительно различаться в зависимости от того, существуют ли в пространстве управления постоянные электрические и магнитные поля и как они ориентированы. С помощью этих полей, как уже отмечалось выше, задают необходимую форму стационарных траекторий электронов и тем самым обеспечивают эффективное взаимодействие последних с определенной компонентой управляющего поля: продольной, поперечной или азимутальной. Различают следующие варианты условий.

1. Постоянные (статические) поля в пространстве взаимодействия отсутствуют (Ео = Во = 0); движение электронов прямолинейное.

2. Векторы постоянных полей и скорости электронов взаимно параллельны и направлены вдоль оси прибора; движение электронов прямолинейное.

3. Векторы постоянных полей и скорости электронов взаимно перпендикулярны; движение электронов циклоидальное.

4. Вектор скорости_направлен под углом менее 90° к направлению векторов полей; движение электронов спиралевидное.

Пункты 1 и 2 часто объединяются в один пункт.

Магнитные способы управления. Разновидности магнитных способов управления нетрудно установить, исходя из анализа формулы магнитной силы (силы Лоренца) F_M = -e[ v₀ х В₀ ]. Видно, что эта сила зависит не только от величины вектора индукции В₀ , но и от его ориентации по отношению к вектору скорости v_Q , т. е. от угла между этими векторами. Следовательно, изменять силу магнитного поля по определенному закону можно, варьируя либо значение индукции В, либо ориентацию вектора В относительно вектора v₀. Изменять значение В в заданном пространстве (или зазоре) взаимодействия можно либо изменением тока соленоида (если магнитное поле создается магнитной катушкой), либо изменением расстояния между полюсными наконечниками.

Комбинированные способы управления. Наряду с рассмотренными способами управления, когда используются только электрические или только магнитные поля, возможны также и комбинированные способы управления электронным потоком, характеризующиеся одновременным использованием переменных электрических и магнитных полей. Например, в кинескопах модуляция электронного луча по плотности тока осуществляется переменным электрическим полем модулятора, а изменение направления распространения электронного луча, т. е. его сканирование, — переменным магнитным полем магнитных катушек.

Классификационная диаграмма, изображенная на рис. 7.1, построена на основании проведенных рассуждений. На ее периферии указаны некоторые типы вакуумных электронных приборов и ускорителей заряженных частиц, в которых используются те или иные способы управления (модуляции) электронных потоков: ОЭЛП — осциллографическйе электронно-лучевые приборы, ЛУЭ — линейные ускорители электронов, ЛБВО и ЛБВМ — лампы бегущей волны О и М-типов, ЛОВО — лампа обратной волны О-типа.

Диодное управляющее устройство.

Простейшим устройством, реализующим способ управления плотностью катодного тока, является диодное устройство (рис.2). Оно содержит термоэлектронный катод К, сетчатый электрод С и подключенную к этим электродам внешнюю цепь, включающую источники постоянного Е_с и переменного (управляющего) U_c~ напряжений; электронный поток на рисунке показан пунктирными стрелками.

Под действием напряжения управляющего электрода U_c = Ес+ U_c„ плотность катодного тока будет так же, как и в статическом режиме, изменяться в соответствии с законом степени 3/2

Если это выражение переписать в виде

то можно легко заметить, что в диодном устройстве управление плотностью катодного тока осуществляется благодаря одновременному изменению плотности пространственного заряда (p-mod):

и скорости электронов (u-mod):

Следовательно, на выходе из диодного управляющего устройства электронный поток будет иметь как плотностную, так и скоростную модуляцию. Однако поскольку р_с изменяется пропорционально Uc, a v пропорционально U_с^1/2> то можно считать, что управление плотностью электронного потока в диоде осуществляется преимущественно (в основном) за счет изменения р_с, особенно при малом междуэлектродном расстоянии d. Это расстояние сильно влияет на значение дифференциального параметра управления плотностью катодного тока Sj ляется выражением:

КВАЗИЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ

УПРАВЛЕНИЯ ТОКОПРОХОЖДЕНИЕМ

В общем случае управление токопрохождением (δ-mod) сводится к тому, что управляющее поле периодически изменяет условия распространения электронного потока в междуэлектродном пространстве, поэтому в течение каждого периода только часть электронов потока, соответствующая определенному интервалу фаз управляющего поля, достигает заданного электрода. Остальная же часть электронов отсортировывается: либо отражается в обратную сторону, либо отклоняется в боковом направлении и оседает на других электродах.

Возможность управления токопрохождением с помощью электрических и магнитных полей делает этот способ многовариантным.

КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ

МОДУЛЯЦИИ НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

В электронно-лучевых приборах и сварочных установках используются различные квазистатические способы модуляции направления распространения электронных пучков (лучей) без изменения их токов. Для этого применяют как электрические, так и магнитные управляющие поля, обеспечивающие отклонение электронных пучков от исходного положения по тому или иному закону.

Отклонение однородным электрическим полем. Основой простейшего квазиэлектростатического отклоняющего устройства является плоский конденсатор (рис4). На приведенном рисунке длина пластин равна l, а расстояние между ними d; отклонение электронного луча h от оси z определяется в плоскости экрана, удаленного от края пластин на расстояние lо.

При отсутствии отклоняющего напряжения тонкий электронный луч, сформированный электронным прожектором, входит в зазор конденсатора параллельно пластинам со скоростью v₀ =2eU_{0 /m} и распространяется вдоль оси z в средней плоскости зазора. При подведении к пластинам отклоняющего напряжения Uоткл электронный луч смещается в сторону положительно заряженной пластины и по выходе из зазора распространяется по прямой, касательной к траектории в точке ее пересечения с плоскостью, проходящей через выходные края пластин. Внутри зазора касательная пересекает ось z на расстоянии l/2 от краев конденсатора.

Отклонение однородным магнитным полем.

Процесс отклонения (управления) тонкого электронного луча однородным магнитным полем проиллюстрирован рис, 5. Магнитное поле с индукцией В создается отклоняющими катушками в области длиной l, ограниченной пунктирными линиями, за ее пределами В = 0. На рисунке поле направлено на читателя, направление распространения электронного луча показано стрелками.

Первоначально электронный луч, ускоренный в электронной

пушке до скорости v₀ =2eU_{0 /m} ,

где Uо — ускоряющее напряжение, входит в магнитное поле вдоль оси z. Под действием поля луч начинает отклоняться от оси. Поскольку вектор v₀ направлен перпендикулярно вектору В , то, согласно ранее установленной закономерности, траектория электронного луча в поперечном однородном магнитном поле должна стать окружностью радиуса

СКОРОСТНАЯ МОДУЛЯЦИЯЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

И ЕГО ГРУППИРОВАНИЕ В ДРЕЙФОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ. КЛИСТРОННОЕ УПРАВЛЯЮЩЕЕ

УСТРОЙСТВО.

В электронных приборах с квазистатическим управлением соизмеримость времени (или угла) пролета с периодом управляющего поля всегда является вредным фактором, снижающим эффективность работы этих приборов. Этот недостаток в свое время побудил поиск новых способов управления электронными потоками, в которых время пролета играло бы полезную роль. Такие способы были найдены и получили название динамических способов управления. Все они основаны на модуляции скорости электронного потока, которая вызывает процессы, преобразующие однородный по плотности электронный поток в неоднородный. К таким процессам относится прежде всего процесс взаимного смещения или группирования электронов.

В зависимости от того, происходит группирование в пространстве взаимодействия электронов с высокочастотным (управляющим) полем или вне его, различают два основных динамических способа управления: способ скоростной модуляции с последующим группированием электронов в дрейфовом пространстве и способ скоростной модуляции с группированием электронов в пространстве взаимодействия, т. е. в управляющем поле.

На рис.6 схематически изображено простейшее электронное устройство, реализующее клистронный способ управления электронным пучком. На рисунке обозначены: 1 — катод, 2 — прикатодный электрод, 3 — анод, 4 — колебательный контур в виде объемного резонатора, 5 — индуктивная петля связи резонатора с источником управляющего сигнала, 6 — высокочастотный зазор, являющийся пространством взаимодействия, 7 — труба дрейфа, Uо — источник постоянного ускоряющего напряжения, Р_вх — мощность входного сигнала. Электронный пучок показан пунктирными линиями.

Принцип действия клистронного устройства заключается в следующем. При подведении всех необходимых напряжений электронная пулька формирует однородный по скорости и плотности электронный пучок, который с постоянной скоростью. v₀ =2eU_{0 /m} входит в высокочастотный зазор резонатора, В этом зазоре электроны взаимодействуют с переменным электрическим полем, возникшим при возбуждении резонатора входным сигналом Р_вх. В результате на выходе из зазора электроны оказываются промодулированными по скорости. В дрейфовом пространстве, благодаря большому времени пролета, ускореннее электроны догоняют ранее замедленные, вследствие чего к концу этого пространства образуются периодически повторяющиеся уплотнения (сгустки) и разрежения, электронов, которые характеризуют собой неоднородность электронного пучка по плотности.

Лампа бегущей волны

Управляющее устройство и его принцип действия.

На рис. 7 схематически изображено управляющее устройство со спиральной замедляющей системой, дополненное электронной пушкой Пирса. На рисунке обозначены: 1 — катод, 2 — прикатодный электрод, 3 — анод, 4 — металлическая труба, 5 — проволочная спираль, 6 — электронный пучок, 7 — согласованная нагрузка — поглотитель энергии бегущей электромагнитной волны, В — вектор индукции продольного (фокусирующего) магнитного поля, Uo — источник постоянного (ускоряющего) напряжения, Р_вх — источник входного (управляющего) сигнала.

Принцип действия изображенного устройства заключается в следующем. При подведении всех необходимых напряжений электронная пушка формирует однородный пучок электронов, который входит в спиральную коаксиальную линию с постоянной скоростью vo и благодаря продольному магнитному полю без потерь распространяется вдоль оси спирали, В том же направлении со скоростью распространяется электромагнитная волна управляющего сигнала с продольной составляющей напряженности поля Е₂.

На рис. 8 распределение этой составляющей вдоль оси спирали (оси z) представлено в виде синусоиды, а электроны пучка — точками. В начале совместного движения электроны оказываются практически неподвижными относительно волны поля, поэтому на каждый из них действует сила, определяемая фазой поля Е_г, в которой находится электрон. Для определенности будем считать, что на рис. 8 значение Е_г > О соответствует полю, ускоряющему электроны, а Е_г < 0 — полю, тормозящему их. Под действием сил поля электроны начинают смещаться относительно исходных фаз волны и группироваться около электронов, находящихся в точках Е₂ = О, в которых поле изменяется от ускоряющего к замедляющему. В результате на выходе из управляющего устройства появляются уплотнения и разрежения в электронном пучке, он становится неоднородным по плотности. Для того чтобы избежать отражения бегущей волны от открытого конца замедляющей системы, на этом конце устанавливается согласованная нагрузка, поглощающая энергию волны. При этом трубчатая конструкция нагрузки-поглотителя не препятствует выходу сгруппированного электронного пучка из управляющего устройства.

Лекция 12

СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА

Преобразование энергии электронного потока в энергию выходного сигнала является одним из основных функционально значимых физических процессов, лежащих в основе принципов действия различных электронных приборов и устройств. Для осуществления этого преобразования необходимо, чтобы электронный поток взаимодействовал с электромагнитным полем (как, например, в ламповом усилителе) или с веществом (как, например, в электронно-лучевой или рентгеновской трубке). Выбор той или иной среды, с которой должны взаимодействовать электроны, определяется конкретными требованиями к характеристикам выходного сигнала, и в первую очередь его частотой (или диапазоном частот). Для генерирования выходных сигналов в диапазонах частот рентгеновского и светового излучения, как правило, используются взаимодействия электронных потоков с различными веществами — обычно твердыми телами; для получения же сигналов в радиочастотном диапазоне — взаимодействия (Электромагнитными полями, которые возбуждаются самими же электронными потоками.

Известны два общих способа возбуждения электромагнитного поля в преобразующем устройстве: индукционный и радиационный. В настоящей главе рассматривается индукционный способ, при котором модулированный электронный поток наводит (индуктирует) в цепь преобразующего устройства переменный электрический ток, возбуждающий в этом устройстве электромагнитное поле. Такой подход является традиционным и хорошо разработанным в теории вакуумных электронных приборов.

Радиационный способ основывается на концепции излучающего электрона. Согласно классической электродинамике, всякий ускоренно движущийся электрон излучает электромагнитную энергию. Например, заряженная частица, движущаяся в вакууме по окружности, является источником циклотронного, а при релятивистских скоростях — синхротронного излучения. Известны эффекты Черенкова, а также переходного и тормозного излучения. Все эти эффекты активно исследуются с целью создания на их основе новых источников электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и потому представляют самостоятельный интерес, особенно в связи с развитием релятивистской электроники.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА С ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

Под энергетическим эффектом взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем обычно понимают усредненную за период колебания работу, которую поле совершает во всем пространстве (объеме) взаимодействия, т. е. среднюю мощность взаимодействия.

В одномерном приближении формулу для расчета средней мощности взаимодействия можно легко получить из уравнения движения.

Рассмотрим схему преобразующего устройства (рис. 8.1), которое содержит два плоскопараллельных электрода С и А, образующих промежуток (или пространство) взаимодействия протяженностью d, и внешнюю цепь с колебательным контуром L_KC_K, к которому с помощью трансформаторной связи могут подключаться другие элементы цепи. Электронный поток (прерывистые стрелки) входит в пространство взаимодействия через сетчатый электрод С и, распространяясь вдоль оси z, взаимодействует с установившимся в этом пространстве электрическим полем напряженностью Е. Выделим в электронном потоке поперечный слой заряда q_z с постоянной плотностью заряда ρ и объемом dV = Fdz, где F —площадь поперечного сечения потока. Движение этого заряда будет описываться уравнением

m_q ∙ dv/dt = q_z ∙ Е

Если обе части этого уравнения умножить на скорость движения заряда v = dz/dt, то после неважных математических преобразований получим

d/dt∙ (m_q∙ v²/2)=- (q_z/ dt) ∙ Еdz= -q_zEv

Правая часть этого уравнения представляет собой мощность взаимодействия заряда q_z с полем напряженностью Е на пути dz, левая часть — изменение кинетической энергии заряда в единицу времени. Обозначая правую через dP_q и подставляя в нее значение q_z = ρ dV = ρ Fdz, получаем

dPq = - q_z Ev = -pvFEdz = iEdz,

где i=pvF — конвекционный ток.

Такова мощность взаимодействия на участке пути dz. На всей протяженности пространства взаимодействия d она будет равна

Р_q = ∫ i Edz.

Полученное выражение определяет энергетический эффект взаимодействия модулированного электронного потока с переменным электрическим полем в случае, когда величины i и Е являются функциями координаты 2 и времени f, т. е. i(z, О и E(z> t).

ПРОХОЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СКВОЗЬ ВЕЩЕСТВО

Энергия излучения, переданная веществу, - разность между суммарной энергией всех заряженных и незаряженных частиц (без учета энергии покоя), входящих в данный объем вещества, и суммарной энергией всех частиц, выходящих из этого объема, плюс изменение энергий, связанное с массой покоя частиц при ядерных превращениях, происходящих в объеме.

Типы взаимодействия излучения с веществом

Процесс прохождения ионизирующего излучения, несущего большой запас энергии, через вещество, оставляет свой след в виде изменений структуры вещества.

Ионизирующее излучение (радиация) – поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. К ионизирующему излучению относятся потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов, α-частиц и др. заряженных частиц, а также потоки нейтронов, рентгеновское и гамма-излучение.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер). Характер взаимодействия излучения с веществом зависит от его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества. Ядерные реакции с веществом активно происходят при взаимодействии с нейтронным излучением. Для других типов ионизирующих излучений возникновение ядерных реакций маловероятно. В большинстве случаев энергия ионизирующего излучения расходуется главным образом на взаимодействие с электронными оболочками атомов вещества.

Ионизация и возбуждение

Ионизация и возбуждение - первый результат действия излучения на вещество.

Ионизация – превращение атомов или молекул в положительные ионы в результате отрыва одного или нескольких электронов. Ионизации также могут подвергаться положительные ионы, что приводит к увеличению кратности их заряда. Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации. Ионизация происходит при поглощении электромагнитного излучения (фотоионизация), при нагревании газа (термическая ионизация), при воздействии электрического поля (полевая ионизация), при столкновении частиц с электронами, ионами, атомами (столкновительная ионизация) и др. Нейтральные атомы и молекулы могут в особых случаях присоединять электроны, образуя отрицательные ионы.

Возбужденное состояние квантово-механической системы – неустойчивое состояние с энергией, превышающей энергию основного состояния.

Потери энергии движущимися электронами

Прохождение электронов и позитронов через вещество отличается от прохождения тяжелых заряженных частиц. Главная причина – малая масса покоя электрона и позитрона. Это приводит к относительно большому изменению импульса при каждом столкновении, что вызывает заметное изменение направления движения электрона и как результат - электромагнитное радиационное излучение электронов.

Потери энергии движущимися электронами в веществе подразделяются на ионизационные и радиационные.

Лекция 13

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К / ia и К / ib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.

Широкий "континуум" называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).

Рис.2. Зависимость между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером элемента

Длина волны характеристического рентгеновского излучения, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.

Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени. Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались "глубоко вакуумированными" трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов. В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

Рис. 3. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует "электронный прожектор" трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74. Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

Защиту от рентгеновского излучения и гамма-излучения необходимо организовывать с учётом того, что эти виды излучения отличаются большой проникающей способностью. Наиболее эффективны следующие мероприятия (как правило, используемые в комплексе):

2. увеличение расстояния до источника излучения;

3. сокращение времени пребывания в опасной зоне;

4. экранирование источника излучения материалами с большой плотностью (свинец, железо, бетон и др.);

5. использование защитных сооружений (противорадиационных укрытий, подвалов и т.п.) для населения;

6. использование индивидуальных средств защиты органов дыхания, кожных покровов и слизистых оболочек;

7. дозиметрический контроль внешней среды и продуктов питания.

Лекция 17.

Осциллографические электронно-лучевые трубки. Кинескопы. Типы кинескопов. Потенциалоскопы. Типы потенциалоскопов, конструктивные особенности, принцип работы, основные характеристики и параметры.

Осциллографические электронно-лучевые трубки.

Осциллографическая электронно-лучевая трубка предназначена для отображения на люминесцентном экране электрических сигналов. Изображение на экране служит не только для визуальной оценки формы сигнала, но и для измерения его параметров, а в некоторых случаях – для фиксации его на фотоплёнку.

Общие сведения. Осциллографическая электронно-лучевая трубка

представляет собой прибор, в котором под действием электронной бомбардировки люминесцент­ного экрана движущимся сфокусированным электронным лучом происходит преоб­разование электрических сигналов в видимое световое изображение.

Рис. 1. Схема устройства осциллографической электронно-лучевой трубки (ОЭЛТ) :

1 — баллон; 2 — электронно-опти­ческая система; 3 — отклоняющая система; 4 — электронный луч;

5 - люминофорное покрытие эк­рана

Осциллографические трубки предназначены для исследования периодических и непериодических электрических сигналов, определения временных и других функ­циональных зависимостей переменных электрических величин. В общем случае осцил­лографическая трубка (рис. 1) состоит из стеклянного баллона 7, электронно-опти­ческой системы 2, формирующей электронный луч 4, системы отклонения луча 3 и люминофорного экрана 5, на котором создается световое изображение исследу­емого сигнала.

Существует значительное количество типов осциллографических трубок, различающихся по конструкции, электрическим и светотехническим параметрам, по функциональному назначению.

Трубки можно классифицировать по:

• способу фокусировки и отклонения электрон­ного луча;

• количеству электронных лучей;

• цвету свечения и послесвечения экрана и по длительности послесвечения;

• форме и размеру экрана.

По способу фокусировки и отклонения элект­ронного луча ЭЛТ делятся на трубки с:

• электростатической фокусировкой и электро­статическим отклонением;

• электростатической фокусировкой и магнит­ным отклонением;

• магнитной фокусировкой и магнитным откло­нением.

Трубки с магнитной фокусировкой луча отличаются от трубок с электростатиче­ской фокусировкой повышенной разрешающей способностью (более чем в 2 раза). Однако применение осциллографических трубок с магнитной фокусировкой и откло­нением луча связано с дополнительными затратами мощности (порядка нескольких ватт), что неудобно, например, при конструировании осциллографов на полупровод­никовых приборах.

Магнитное отклонение ограничивает частотный диапазон исследуемых сигналов. В конструкциях радиолюбительских осциллографов, как правило, используют трубки с электростатической фокусировкой и отклонением луча, применение которых позво­ляет также существенно упростить схему управления трубкой (по сравнению со слу­чаем магнитного управления). Поэтому в настоящей брошюре приводятся сведения только о трубках с электростатической фокусировкой и отклонением луча.

Осциллографические трубки с электростатическим отклонением подразделяются на две группы: с отклоняющими пластинами и радиальной системой отклонения.

Осциллографические трубки могут быть:

3. однолучевыми;

4. двухлучевыми (в том числе с расщепленным лучом) ;

5. многолучевыми.

Цвет свечения и послесвечения, а также время послесвечения определяются соста­вом люминофора.

Кинескопы. Типы кинескопов.

Общие сведения. Кинескопом называется электронно-лучевой прибор, пред­назначенный для воспроизведения телевизионного изображения. Выпускаются два типа кинескопов - кинескопы для приема черно-белого телевизионного изображения (так называемые "черно-белые кинескопы*0 и кинескопы для воспроизведения цветного изображения ("цветные кинескопы"). В обоих типах кинескопов электронные лучи возбуждают люминофор - вещество, способное светиться под воздействием потока электронов. Яркость свечения люминофора пропорциональна току луча.

Основные части:

• электронная пушка, предназначена для формирования электронного луча, в цветных кинескопах и многолучевых осциллографических трубках объединяются в электронно-оптический прожектор;

• экран, покрытый люминофором — веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов;

• отклоняющая система, управляет лучом таким образом, что он формирует требуемое изображение.

Кинескоп - вакуумированная стеклянная колба, которая выдает изображение на покрытом фосфором экране с помощью луча из электронной пушки. Луч - это поток электронов, испускаемый пушкой, когда нагреватель достаточно горячий, чтобы освободить электроны с катода, которые затем собираются в тонкий электронный пучок с помощью фокусирующего элемента. Отклоняя луч, мы можем получить на экране линию. Модулируя луч по интенсивности, мы можем получить изображение. Кинескоп состоит из колбы, электронной пушки, экрана, покрытого люминофором, отклоняющей системы и других вспомогательных компонентов.

1. Стеклянная колба

Передняя и боковые стенки колбы толстые и прочные, для того, чтобы выдерживать разницу давлений (10Е-6, 10Е-7 мм. Рт. Ст. ) кроме того передняя поверхность экрана подвергается дальнейшей обработке.

Проводящее графитовое покрытие наносится на внутреннюю и внешнюю поверхность колбы, создавая таким образом две обкладки фильтрующего высоковольтного конденсатора емкостью от 500 до1500 пф. Стекло колбы является диэлектриком.

Обычно отношение длины и ширины экрана 3 : 4, а монитор характеризуется длиной диагонали экрана и углом отклонения луча.

2. Электронная пушка

Электронная пушка - компонент, который испускает электроны с поверхности катода. Пушка состоит из нагревателя, катода, модулятора G1 (управляет интенсивностью электронного пучка), ускоряющего электрода G2, фокусирующих электродов G3, (G4) и высоковольтного цилиндрического электрода G5, придающего лучу дополнительную энергию перед попаданием его на фосфорный слой.

Кинескопы подразделяют на: телевизионные, мониторные и проекционные (применяются в видеопроекторах). Мониторные кинескопы имеют меньший шаг маски, чем телевизионные, а проекционные кинескопы имеют повышенную яркость свечения экрана. Они являются монохромными и имеют красный, зелёный и синий цвет свечения экрана.

3. Фосфорный слой (люминофор)

Это гомогенное покрытие передней внутренней поверхности кинескопа фосфоросодержащими материалами с добавками ZnS, CdS, Ag в определенной пропорции. Этот слой покрыт тонкой алюминиевой пленкой, прозрачной для электронов. Анодное напряжение свыше 20 KV подается на это покрытие при работе монитора.

4. Отклоняющая система

Состоит из горизонтальных и вертикальных отклоняющих катушек, имеющих специальную намотку, для создания однородного магнитного поля, обеспечивающего неискаженное изображение. Отклонение пропорционально напряженности магнитного поля, которая в свою очередь пропорциональна току, протекающему в катушках. Другими словами отклонение пропорционально отклоняющему току и квадрату анодного напряжения.

Угол отклонения луча

Углом отклонения луча ЭЛТ называется максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых на экране ещё видно светящееся пятно. От величины угла зависит отношение диагонали (диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ составляет как правило до 40°, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин и обеспечить линейность характеристики отклонения. У первых советских телевизионных кинескопов с круглым экраном угол отклонения составлял 50°, у чёрно-белых кинескопов более поздних выпусков был равен 70°, начиная с 1960-х годов увеличился до 110° (один из первых подобных кинескопов — 43ЛК9Б). У отечественных цветных кинескопов составляет 90°.

При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако:

10. увеличивается мощность, потребляемая узлами развёртки. Для решения этой проблемы уменьшался диаметр горловины кинескопа, что, однако, потребовало изменения конструкции электронной пушки.

11. возрастают требования к точности изготовления и сборки отклоняющей системы, что было реализовано путём компоновки кинескопа с отклоняющей системой в единый модуль и сборки его в заводских условиях.

12. возрастает число необходимых элементов настройки геометрии растра и сведения.

Всё это привело к тому, что в некоторых областях до сих пор применяются 70-градусные кинескопы. Также угол в 70° продолжает применяться в малогабаритных чёрно-белых кинескопах (например, 16ЛК1Б), где длина не играет такой существенной роли.

Обозначение отечественных ЭЛТ состоит из четырёх элементов:

Первый элемент: число, указывающее диагональ прямоугольного либо диаметр круглого экрана в сантиметрах;

Второй элемент: две буквы, указывающие на принадлежность ЭЛТ к определённому конструктивному виду. ЛК — кинескоп, ЛМ — трубка с электромагнитным отклонением луча, ЛО — трубка с электростатическим отклонением луча, ЛН — трубки с памятью (индикаторные и осциллографические);

Третий элемент: число, указывающие номер модели данной трубки с данной диагональю, при этом для осциллографических трубок СВЧ-диапазона нумерация начинается с номера 101;

Четвёртый элемент: буква, указывающая цвет свечения экрана. Ц — цветной, Б — белого свечения, И — зелёного свечения, В — жёлто-зелёного свечения, С — оранжевого свечения, П — красного свечения, А — синего свечения. Х — обозначает экземпляр, имеющий худшие светотехнические параметры по сравнению с прототипом.

В особых случаях к обозначению может добавляться пятый элемент, несущий дополнительную информацию.

Пример: 50ЛК2Б — чёрно-белый кинескоп с диагональю экрана 50 см, вторая модель, 3ЛО1И — осциллографическая трубка с диаметром экрана зелёного свечения 3 см, первая модель.

Потенциалоскопы. Типы потенциалоскопов и их конструктивные особенности. Принцип работы, основные характеристики и параемтры.

Потенциалоскопами называются специальные электронно-лучевые трубки, применяемые для записи, хранения и воспроизведения электрических сигналов, записанных на диэлектрической мишени.

Запись электрических сигналов на диэлектрической мишени электронным пучком основана на использовании явления вторичной электронной эмиссии. Существенная особенность устройства потенциалоскопов по сравнению с осциллографическими трубками — наличие диэлектрической мишени, нанесенной в виде тонкого слоя на проводящее основание (сигнальную пластину) вместо люминесцирующего экрана. В настоящее время широко применяется потенциалоскоп с барьерной

сеткой или вычитающий потенциалоскоп, схема устройства которого показана на рисунке.

Фокусирование и отклонение электронного луча в вычитающих потенциалоскопах могут быть электростатическими или магнитными. Развертка поверхности мишени электронным пучком может быть растровой (типа телевизионной) или спиральной.

Рабочий режим вычитающего потенциалоскопа выбирается так, чтобы коэффициент вторичной эмиссии σ = I2 /I1(где I1—ток первичного электронного пучка, I2— ток вторичных электронов, выбиваемых с мишени) был больше единицы. В этом режиме входные электрические сигналы, подлежащие записи на диэлектрической мишени, подводятся к сигнальной пластине, а нагрузочное сопротивление Rн, с которого снимаются выходные сигналы при считывании электронным пучком ранее записанных сигналов, включается в цепь коллектора, барьерной сетки или сигнальной пластины. При отсутствии входных сигналов поверхность диэлектрической мишени под действием электронного пучка приобретает избыточный положительный заряд. Это сопровождается повышением потенциала поверхности мишени относительно барьерной сетки и возникновением в промежутке «барьерная сетка-мишень» тормозящего электрического поля для вторичных электронов. Вследствие этого ток вторичных электронов с мишени уменьшается. Повышение потенциала поверхности мишени под действием электронного пучка происходит до установления динамического равновесия, при котором ток вторичных электронов, уходящих с мишени, становится равным току первичных электронов в пучке. Это значение потенциала поверхности мишени в состоянии динамического равновесия называется равновесным и обозначается Up. Таким образом, в динамическом равновесии потенциалы всех элементов поверхности мишени достигают значения Up, положительного относительно барьерной сетки (потенциалы барьерной сетки и сигнальной пластины одинаковы и равны ну лю). При этом ток в цепи коллектора I кол постоянен и выходной сигнал Uвых =0.При подаче входных сигналов изменяется электрическое поле в пространстве «барьерная сетка - мишень». Если входной сигнал положительный, то тормозящее электрическое поле для вторичных электронов в пространстве «барьерная сетка-мишень» возрастает, коллекторный ток уменьшается, и на сопротивлении Rн в цепи коллектора возникает положительный сигнал, пропорциональный амплитуде входного сигнала (этот выходной сигнал, получающийся на нагрузке во время действия входного сигнала Uвх, называется сигналом записи Uзап ). При этом за время действия входного сигнала потенциалы точек поверхности мишени, развёртываемых электронным пучком, понижаются по сравнению со значением Up, происходит запись на мишени положительного входного сигнала (рис. 3.25,а).

Рис. 3.24 Схема устройства потенциалоскопа с барьерной сеткой:

1 — катод; 2 — управляющий электрод; 3 — первый анод прожектора; 4 — второй анод прожектора; 5 — отклоняющие катушки; 6 — коллектор; 7 — экранирующая сетка; 8 — барьерная сетка; 9 — диэлектрическая мишень; 10 — сигнальная пластина

Рис. 3.25 Изменение потенциала поверхности диэлектрической ми-

шени под действием, электронного пучка:

а — распределение потенциала на поверхности мишени при записи кратковременных импульсных сигналов (Up — равновесное значение потенциала; а'б' — запись положительного входного сигнала; е'г '— запись отрицательного входного сигнала);б — запись на мишени сложного сигнала; в — изменение потенциала мишени при считывании записанных сигналов (потенциального рельефа) электронным пучком

Таким образом, подведение к сигнальной пластине входных сигналов

приводит к изменению распределения потенциала вдоль развёртки мишени

электронным пучком — на мишени возникает так называемый потенциальный рельеф (рис. 3.25, б). Воспроизведение или считывание записанных на мишени сигналов производится электронным пучком при повторном его движении по участкам поверхности мишени, на которых произведена запись. Если при считывании входные сигналы отсутствуют, то в процессе считывания потенциалы поверхности мишени электронным пучком вновь доводятся (смещаются) до равновесного значения Up (рис.3.25, в). При этом потенциальный рельеф промодулирует вторичноэмиссионный ток коллектора — количество вторичных электронов, улавливаемых коллектором, будет изменяться в соответствии с распределением потенциала на мишени вдоль развёртки. Вследствие этого в выходной цепи потенциалоскопа на нагрузочном сопротивлении Rн возникают сигналы, соответствующие ранее записанным (эти выходные сигналы называются сигналами чтения Uсп). Полярность сигналов чтения противоположна полярности записанных входных сигналов. Если выходные сигналы снимаются с нагрузки в цепи барьерной сетки или сигнальной пластины, то их полярность совпадает с полярностью ранее записанных входных сигналов, но при таком способе снятия выходных сигналов приходится применять специальный способ частотного разделения входных и выходных сигналов.

При считывании записанных сигналов одновременно происхо-дит стирание потенциального рельефа. Следовательно, при последующей развёртке мишени электронным пучком можно произвести новую запись входных

сигналов, а затем их новое считывание. Потенциалоскоп с барьерной сеткой наиболее часто применяется как вычитающее устройство. Принцип вычитания сигналов поясняется рис. 3.26, где uвх1 — входной сигнал положительной полярности, подводимый к сигнальной пластине в момент времени t1; uзап1 — выходной сигнал, снимаемый с нагрузочного сопротивления Rн при записи uвх1; uсп1— выходной сигнал, снимаемый с сопротивления Rн в момент времени t2=t1+Tp при считывании ранее записанного сигнала (Tp — период развёртки мишени);uвх2 — входной сигнал положительной полярности, подводимый к сигнальной пластине в момент времени t2=t1+Tp;u2зап — выходной сигнал, снимаемый с Rн при записи uвх2;uвых= u1сп - u2зап разностный результирующий выходной сигнал, снимаемый с сопротивления Rн в момент времени t2=t1+Tp.

Если бы потенциалоскоп был идеальным вычитающим устройством, то

при подведении на его вход периодически повторяющихся неизменных по

амплитуде и полярности сигналов происходило бы полное их вычитание, начиная со второго периода развёртки. В действительности, в потенцилоскопе, кроме полезных сигналов, создаются еще так называемые остаточные и паразитные сигналы. Вследствие этого «нулевой» разностный сигнал на выходе получается только после n-кратного вычитания одинаковых входных сигналов.

Основные параметры вычитающих потенциалоскопов.

Коэффициент перезаряда η. Коэффициентом перезаряда (коэффициентом первого остатка) называется отношение амплитуд второго U2сп и первого U1сп сигналов чтения при подаче на вход потенциалоскопа (к сигнальной пластине) пачек синусоидального напряжения рабочей амплитуды. Измеряется η в %.

Коэффициент подавления мишени Pм. Коэффициентом подавления мишени (коэффициентом засева)называется отношение амплитуды первого выходного сигнала записи U1зап к амплитуде установившегося остаточного выходного сигнала U0при подаче на вход потенциалоскопа пачек синусоидальных сигналов рабочей амплитуды, т.е.

Динамический диапазон D. Динамическим диапазоном - называется отношение суммы выходных сигналов записи U1зап и чтения U1сп к полному размаху напряжения собственных помех потенциалоскопа 2Uпмакс при подаче на вход потенциалоскопа пачек синусоидальных сигналов рабочей амплитуды, т.е. при заданных типовом рабочем режиме потенциалоскопа и рабочей амплитуде входных сигналов η, Рм, D и ток выходного сигнала Iс зависят от постоянной составляющей тока коллектора Iко (от тока луча)

Характер этой зависимости показан на рис. 3.27. Используя зависимость η, Рм, D и Iс от тока луча, в каждом конкретном случае применения вычитающего потенциалоскопа можно выбрать оптимальный режим вычитания.

Определение плазмы

Плазма (от греч. plásma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Классификация видов плазмы

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Формы плазмы

Математические модели для описания процессов в плазме

Особенности плазмы в газовых разрядах различных типов

Области применения плазмы

Применения плазмы. Высокотемпературная П. (Т ~ 108 К) из дейтерия и трития — основной объект исследований по УТС. Такая П. создаётся путём нагрева и быстрого сжатия П. током (используется также высокочастотный подогрев) либо путём инжекции высокоэнергичных нейтральных атомов в магнитное поле, где они ионизуются, либо облучением мишени мощными лазерами или релятивистскими электронными пучками.

Низкотемпературная П. (Т ~ 103 К) находит применение в газоразрядных источниках света и в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических (МГД) генераторах, где струя П. тормозится в канале с поперечным магнитным полем В, что приводит к появлению между верхним и нижним электродами (рис. 9) электрического поля напряжённостью Е порядка Bu/c (u — скорость потока П.); напряжение с электродов подаётся во внешнюю цепь.

Если «обратить» МГД-генератор, пропуская через П. в магнитном поле ток из внешнего источника, образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полётов.

Плазматроны, создающие струи плотной низкотемпературной П., широко применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия (см. Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазменное бурение). В плазмохимии низкотемпературную П. используют для получения некоторых химических соединений, например галогенидов инертных газов типа KrF, которые не удаётся получить др. путём. Кроме того, высокие температуры П. приводят к высокой скорости протекания химических реакций — как прямых реакций синтеза, так и обратных реакций разложения. Если производить синтез «на пролёте» плазменной струи, расширяя и тем самым быстро охлаждая её на следующем участке (такая операция называется «закалкой»), то можно затруднить обратные реакции разложения и существенно повысить выход требуемого продукта.

20 Слабо и сильно ионизированная плазма

Влияние магнитного поля на свойства плазмы

В магнитном поле с индукцией В на частицы П. действует Лоренца сила; в результате этого заряженные частицы П. вращаются с циклотронными частотами wB = е B/mc по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса rB = u^/ wв, где с — скорость света, е и m — заряд и масса электрона или иона (u^ — перпендикулярная В составляющая скорости частицы; подробнее см. Магнитные ловушки). В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм П.: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы — против неё

Рис. 2. Вращение ионов и элекронов по ларморовским спиралям ослабляет внешнее магнитное поле (диамагнетизм плазмы). Радиус вращения иона с зарядом е > 0 больше, чем у электрона (е < 0). v║ и v^ — параллельные и перпендикулярные магнитному полю В составляющие скоростей частиц.

Колебания и неустойчивости

Колебания и неустойчивости плазмы. Волны в П. отличают их объёмный характер и разнообразие свойств. С помощью разложения в Фурье ряд любое малое возмущение в П. можно представить как набор волн простейшего синусоидального вида (рис. 8). Каждая такая (монохроматическая) волна характеризуется определённой частотой w, длиной волны l и так называемой фазовой скоростью распространения uфаз. Кроме того, волны могут различаться поляризацией, т. е. направлением вектора электрического поля в волне. Если это поле направлено вдоль скорости распространения, волна называется продольной, а если поперёк — поперечной. В П. без магнитного поля возможны волны трёх типов: продольные ленгмюровские с частотой wo, продольные звуковые (точнее ионно-звуковые) и поперечные электромагнитные (световые или радиоволны). Поперечные волны могут обладать двумя поляризациями и могут распространяться в П. без магнитного поля, только если их частота w превышает плазменную частоту wo. В противоположном же случае w < wo преломления показатель П. становится мнимым, и поперечные волны не могут распространяться внутри П., а отражаются её поверхностью подобно тому, как лучи света отражаются зеркалом. Именно поэтому радиоволны с l > ~ 20 м отражаются ионосферой, что обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

Однако при наличии магнитного поля поперечные волны, резонируя с ионами и электронами на их циклотронных частотах, могут распространяться внутри П. и при w < wo. Это означает появление ещё двух типов волн в П., называются альфвеновскими и быстрыми магнитозвуковыми. Альфвеновская волна представляет собой поперечное возмущение, распространяющееся вдоль магнитного поля со скоростью ua = В/ (Mi — масса ионов). Её природа обусловлена «вмороженностью» и упругостью силовых линии, которые, стремясь сократить свою длину и будучи «нагружены» частицами П., в частности массивными ионами, колеблются подобно натянутым струнам. Быстрая магнитозвуковая волна в области малых частот по существу лишь поляризацией отличается от альфвеновской (их скорости близки и определяются магнитным полем и инерцией тяжёлых ионов). В области же больших частот, где ионы можно считать неподвижными, она определяется инерцией электронов и имеет специфическую винтовую поляризацию. Поэтому здесь её называют «геликонной ветвью» колебаний, или «ветвью вистлеров», т. е. свистов, поскольку в магнитосферной П. она проявляется в виде характерных свистов при радиосвязи. Кроме того, в П. может распространяться медленная магнитозвуковая волна, которая представляет собой обычную звуковую волну с характеристиками, несколько измененными магнитным полем.

Т. о., при наличии магнитного поля в однородной П. возможны волны шести типов: три высокочастотные и три низкочастотные. Если температура или плотность П. в магнитном поле неоднородны, то возможны ещё так называемые «дрейфовые» волны. При больших амплитудах возможны «бесстолкновительные» ударные волны (наблюдаемые на границе магнитосферы), уединённые волны (солитоны), а также ряд др. «нелинейных» волн и, наконец, сильноразвитая турбулентность движения П.

В неравновесной П. при определённых условиях возможна «раскачка неустойчивостей», т. е. нарастание какого-либо из перечисленных типов волн до некоторого уровня насыщения. Возможны и более сложные случаи индуцированного возбуждения волн одного типа за счёт энергии волн другого типа.

Эмиссионные свойства плазмы

Механизмы ускорения плазменных потоков

Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, например воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно П. у. относят лишь устройства (рис. 1), в которых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы осуществляются за счёт электрической энергии с помощью одного или нескольких специальных электрических разрядов.

В отличие от ускорителей заряженных частиц, в канале П. у. находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков — положительные ионы и электроны, т. е. не происходит нарушения квази-нейтральности. Это снимает ограничения, связанные с объёмным (пространственным) зарядом (см. Ленгмюра формула), и позволяет получать плазменные потоки с эффективным током ионов в несколько млн. а при энергии частиц ~ 100 эв. При ионных токах ~ 1000 а уже достигнута энергия частиц в несколько кэв.

Из П. у. ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что основная энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому П. у. — это электрические системы, ускоряющие ионы в присутствии электронов, компенсирующих объёмный заряд ионов.

Механизм ускорения. При анализе рабочего процесса в П. у. плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и как совокупность частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления p = pi + pe и действием силы Ампера FAмп (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, FAмп ~ [jB], где j — плотность тока в плазме, В — индукция магнитного поля.

В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрического поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами («электронного ветра»); 3) столкновений ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамическое ускорение ионов). Наибольшее значение для П. у. имеет электрическое ускорение ионов, меньшее — два последних механизма.

Классификация плазменных ускорителей. П. у. делятся на тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.

Среди тепловых П. у. основной интерес представляют неизотермические ускорители, в которых pe >> pi. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов Ti, и сравнительно просто — с «горячими» электронами (Te >> Ti). Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермический ускоритель представляет собой «магнитное сопло» (рис. 2), в котором либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с «горячими» электронами, Te ~ 107—109 К, или в энергетических единицах: kTe ~ 103—105 эв (где k — Больцмана постоянная).

Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое «вытягивает» (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kTe.

Электромагнитные П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса:

а) радиационные ускорители, в которых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 3, а); б) индукционные ускорители — импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 3, б), созданном тем пли иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключенными к источнику напряжения. При амперовом взаимодействии этого тока с внешним (т. е. созданным автономными магнитными системами) или собственным (созданным током, протекающим через плазму) магнитным полем происходит ускорение плазмы. Наиболее изученными и многочисленными являются электродные П. у., которые ниже будут рассмотрены подробнее.

Применения плазменных ускорителей. Первые П. у. появились в середине 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлических плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космических явлений), в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т.д. По мере совершенствования конструкции и достижения новых параметров область применения П. у. будет непрерывно расширяться.

Лекция 21-22

Особенности движения заряженных частиц в плазме

О

Рис. 1

Существенное отличие свойств плазмы от свойств газа нейт­ральных частиц связано прежде всего с воздействием на движение заряженных частиц электрического и магнитного полей. Электри­ческое поле (внешнее поле и поле пространственного заряда) вызы­вает ускорение заряженных частиц в период между столкновения­ми. В среднем за много периодов такое ускорение приводит к появ­лению направленного движения частиц и к увеличению скорости хаотического движения, т. е. к нагреву плазмы. При этом нагрев электронной и ионной компонент оказывается неодинаковым. Электроны приобретают обычно большую энергию, чем ионы. Маг­нитное поле приводит к закручиванию траекторий заряженных частиц в плоскости перпендикулярной полю. При условиях, когда радиус вращения заряженных частиц в магнитном поле (так назы­ваемый ларморовский радиус) много меньше длины свободного про­бега, влияние поля на движение частиц весьма существенно. Их перемещение в направлении, перпендикулярном магнитному полю на расстояния большие ларморовского радиуса, может быть при этом обусловлено столкновениями или дрейфом заряженных частиц, связанным с электрическим полем, с неоднородностью магнитного поля.

Другая важная особенность движения заряженных частиц прояв­ляется в сильно ионизованной плазме, когда определяющую роль играют столкновения заряженных частиц друг с другом. Эта особен­ность связана с тем, что кулоновский потенциал, определяющий взаимодействие между заряженными частицами, медленно умень­шается с расстоянием. Поэтому взаимодействие существенно на рас­стояниях, много больших размеров атомов. Ограничение радиуса действия кулоновских сил связано лишь с экранированием поля взаимодействия в плазме; предельный радиус можно считать равным дебаевскому радиусу экранирования. Поскольку в сферу с радиусом, равным дебаевскому, входит обычно большое количество электро­нов и ионов, взаимодействие заряженных частиц, строго говоря, не сводится к парным столкновениям. Траектория движения час­тицы при учете этих столкновений уже не может быть представлена в виде ломаной линии с четко разделенными периодами столкнове­ний и периодами между столкновениями, а носит более сложный характер (см. рис. 1, б). При анализе приходится учитывать взаимодействие каждой частицы со многими другими, находящимися в дебаевской сфере. Однако поскольку взаимодействие с частицами, находящимися на больших расстояниях (масштаба дебаевского ра­диуса) приводит к отклонению частиц на малые углы, возможна приближенная замена коллективного взаимодействия совокупностью парных столкновений. Она недопустима лишь при больших кон­центрациях заряженных частиц, когда энергия взаимодействия меж­ду ними становится сравнимой с тепловой энергией. При этом свой­ства плазмы существенно отличаются от свойств идеального газа, для которого применима модель парных столкновений.

При рассмотрении движения частиц в плазме в пе­риод между столкновениями практически всегда можно использовать классическое описание движения заряженных частиц (с учетом влияющих на них полей).

Параметры плазмы

В технике и в экспериментальных исследованиях широко ис-_ пользуются различные виды газовых разрядов. Это прежде всего стационарные или импульсные электродные разряды — так называемые тлеющие разряды с холодными электродами, про­исходящие при относительно небольших токах, и дуговые разря­ды, характеризующиеся большими токами и сильным разогревом электродов. Разряды такого типа давно используются в радио­технике, в технике коммутации токов, для обработки материалов. Сравнительно недавно они стали применяться для накачки газовых лазеров. Газоразрядные источники плазмы— плазматроны — в последнее время получили широкое распространение и во многих технологических работах, прежде всего для осуществления высо­котемпературных химических реакций (в так называемой плазмо-химии). При этом наряду с традиционными электродными разря­дами используется плазма создаваемая высокочастотными поля­ми (ВЧ- и СВЧ-разряды), под действием излучения лазеров (лазерные разряды).

Основные параметры плазмы: р — давление газа; а — радиуа плазмы; I — ток разряда; Р — мощность, вводимая в единицу объема плазмы; T_e —электронная температура; Т_а—температура газа; λ_е—длина свободного пробега электронов.

В табл. 1 представлены типичные параметры некоторых видов газоразрядной плазмы.

Параметры газоразрядной плазмы Таблица.1

Примечания. 1. В таблице приводятся ориентировочные характеристики разрядов в некотором типичном режиме. Они могут заметно изменяться в зависимости от режима и газового наполнения. Значения параметров приводятся с точностью до порядка.

2. В таблице р — давление газа; а — радиуа плазмы; I — ток разряда; Р — мощность, вводимая в единицу объема плазмы; T_e —электронная температура; Т_а—температура газа; λ_е—длина свободного пробега электронов.

Излучательные процессы

Излучательные процессы играют важную роль в низкотемпературной плазме и газовом разряде. Во многих случаях излучательный перенос существенным образом влияет на баланс энергии в плазме, а пролета­ющие большие расстояния фотоны осуществляют возбуждение и ионизацию атомов даже в холодных обла­стях газоплазменного объекта. В низкотемпературной плазме наиболее важную роль играют линейчатое, тормозное и рекомбинационное излучение. Циклотронное излучение, весьма существенное в высокотемпе­ратурной плазме. Излучательные процессы тесно связаны с столкновительными.

Рассмотрим излучательные переходы. Их можно разделить на связанно-связанные, связанно-свободные, свободно-связанные и свободно-свободные. Примером последних являются тормозное излучение и тормозное поглощение при движении электрона вблизи атома. Связанно-свободные и свободно-связанные переходы происходят при захвате электрона и фотоионизации атома, соответственно. Связанно-связанные можно разделить на спонтанные и вынужденные. К последним относятся как поглощение фотона, так и его вынужденное излучение, индуцированное пролетающим рядом первичным фотоном. В последнем случае, как известно, излученный фотон имеет ту же фазу, что и первичный. В этом случае мы говорим о когерентном излучении.

Квазиизотермическая плазма высокого давления.

Если газовая смесь находится в состоянии теплового равновесия или близком к нему, то скорости каждой из ее компонентов распределены по закону Максвелла и температуры компонент равны. Плазма, удовлетворяющая условию Т_е = Т_р = Т_g = … =Т (причем Т повсюду одинакова: grad Т= 0), называется изотермической плазмой. В реальных условиях такое полное равновесие не имеет места, т.к. в следствии конечности размеров области, занятой плазмой, в результате диффузии заряженных и нейтральных частиц, излучения и потоков тепла в окружающее плазму пространства возникают разности концентраций и температур между центральными областями и периферией, т.е. тепловое равновесие постоянно нарушается. Однако возможно такое состояние, что при изменении температуры от точки к точке все же в каждой точке температуры компонент плазмы Т_е ,Т_р ,Т_g приблизительно равны. Если при этом выполняются следующие условия: 1) столкновения между электронами и тяжелыми частицами происходят настолько часто, что электроны успевают отдавать избыточную энергию, приобретаемую ими в электрическом поле; 2) процесс ионизации практически уравновешивается обратным ему процессом рекомбинации (лишь небольшая часть зарядов теряется вследствие диффузии); 3) большая часть энергии не выходит за пределы плазмы, то такую плазму называют квазиизотермической. Свойства такой плазмы определяются ее температурой и давлением.

При увеличении давления газа в такой плазме столб разряда отдаляется от стенок, стягиваясь к оси трубки. Отшнуровывание разряда объясняется тем, что температура газа на оси выше, чем у стенок, следовательно плотность газа меньше и ионизация происходит легче. Так же при увеличении давления уменьшается доля энергии электронов, расходуемая на ионизацию и увеличивается расход энергии на нагрев газа.

Нагрев газа до высоких температур приводит к появлению нового механизма генерации зарядов – термической ионизации. В то же время происходит уменьшение средней энергии электронов, которая постепенно сравнивается с температурой газа. Еще одна особенность плазмы высокого давления – уход электронов и ионов к стенке оказывается затруднен, рекомбинация происходит непосредственно в объеме.

ВЧ разряды Е и Н типов.

Ионизацию в плазме можно создать и с помощью высокочастотного электромагнитного поля. Существуют различные способы введения высокочастотного поля в разрядный объём. Один из них основан на электромагнитной индукции: через катушку-соленоид, в которую вставлена диэлектрическая (например, стеклянная) газоразрядная камера, пропускается ток высокой частоты, и внутри катушки индуцируется вихревое электрическое поле. Силовые линии этого поля, а вместе с ними и линии тока в газоразрядной камере образуют замкнутые круговые линии. Такой разряд называется кольцевым, индукционным или разрядом H-типа, что указывает на определяющую роль магнитного поля.

Другой способ возбуждения заключается в том, что высокочастотное напряжение подаётся на электроды, которые могут непосредственно соприкасаться с разрядной плазмой или быть изолированы от неё диэлектриками (стенками разрядной камеры). Система двух электродов ведёт себя по отношению к переменному напряжению как конденсатор, поэтому такие разряды называются ёмкостными или разрядами E-типа. Высокочастотные разряды успешно используются в технике. Индукционные разряды применяются в безэлектродных генераторах плотной низкотемпературной плазмы (в плазмотронах), применяемых, например, для плазмохимического производства чистых веществ. Разряды ёмкостного типа применяются в мощных газоразрядных лазерах.

Лекция 22

Особенности эмиссии частиц и электродов контактирующих с плазмой.

Из всего многообразия поверхностных явлений мы рассмотрим здесь лишь те из них, которые имеют отношение к процессам пробоя газа или могут влиять на состав и параметры низкотемпературной плазмы. Иными словами, нас будут интересовать ионно-электроная, фотоэлектронная, автоэлектронная, термоэлектронная и взрывная эмиссия, десорбция газа с поверхностей и распыление поверхностей бомбардировкой тяжелых частиц.

Рассмотрим кратко процессы, которые могут происходить при газовых разрядах. Первый процесс – это бомбардировка поверхностей тяжелыми частицами. Она может вызывать рапыление материала элек­тродов. Возможные механизмы – физическое распыление (взаимодействие подающего иона с кристалличе­ской решеткой) и химическое (с образованием летучих соединений).

Очень важным для физики газового разряда процессом является вторичная ионно-электронная эмис­сия. Во многих типах разрядов именно коэффициент вторичной эмиссии определяет как условия зажигания разряда, так и и характеристики стационарного разряда. Имеются два механизма выбивания вторичных электронов – кинетическая эмиссия и потенциальная эмиссия. При кинетической эмиссии необходимая для выхода электрона из поверхности энергия есть кинетическая энергия падающего иона. При кинетической эмиссии используется внутренняя энергия падающей частицы. Для иона – это энергия ионизации, которая выделяется при его нейтрализации в твердом теле. Если атом или ион находится в возбужденном, например, метастабильном состоянии, то эта энергия также может быть использована для освобождения электрона из металла.

Имеется несколько механизмов потенциальной эмиссии электрона: 1)К поверхности приближается ион, находящий­ся в основном электронном состоянии. При приближении к поверхности высота потенциального барьера постепенно уменьшается, и один из электронов зоны проводимости металла соверша­ет тунельный переход, в результате которого образуется атом в основном состоянии, а избыточная энергия передается второму электрону металла. В результате появляется свободный электрон. 2)Если к поверхности приближается атом имеющий незаселенный метастабильный уровень с, то возможен процесс, называемый оже-релаксация. На первой стадии процесса электрон из металла тунелирует “по горизонтали” на метастабильный уровень атома. На второй стадии второй электрон металла тунелирует в основное состояние атома, а метастабильный электрон освобождается.

Кинетическая эмиссия электронов, обусловленная ударной ионизацией атомов поверхностного слоя и бомбардирующих частиц, наблюдается когда энергия падающих часиц превышает некоторое пороговое зна­чение, составляяющее 600–700 эВ. Коэффициент вторичной эмиссии растет с энергией, достигая максимума при 100 кэВ для Н⁺ и при нескольких МэВ для тяжелых частиц.

Рассмотрим термоэлектронную, автоэлектронную и взрывную эмиссии. Пер­вые два вида эмиссии в ряде экспериментальных ситуаций проявляют себя совместно, что вызвало появление термина термоавтоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия наблюдается при нагреве твердых тел. Чем больше температура электронов, тем большее их число способно преодолеть потенциальный барьер. Число электронов, испускаемых нагретой поверхностью описывается формулой Ричардсона-Дэшмана

где r₀ – коэффициент отражения от потенциального барьера. Остальные обозначения – обычные.

Автоэлектронная эмиссия возникает, когда на поверхности проводника появляется сильное электриче­ское поле, которое понижает потенциальный барьер настолько, что значительное число электро­нов могут совершить тунельный переход из твердого тела. Автоэлектронная эмиссия может играть определяющую роль на тонких остриях, на которых даже при уме­ренных напряжениях появляются очень большие напряженности поля. При высокой температуре катода эмиссия становится термоавтоэлектронной, причем в зависимости от соотношения температуры и электри­ческого поля доминирует либо термоэлектронная, либо автоэлектронная эмиссия .

Если ток, протекающий через острие, выделяет в нем омическое тепло, приводящее к его испарению, то в этом месте может образоваться плазма, которая в свою очередь может оказаться источником “неограничен­ной” (то есть ограниченной только пространственным зарядом) эмиссии. Это явление называют взрывной эмиссией.

Поведение изолированного электрода в плазме (одиночный зонд).

Рассмотрим явления, происходящие при внесении в плазму уединён­ного проводника - зонда. Пусть электрический потенциал зонда вначале равен потенциалу той точки плазмы, в которую будет помещён зонд. По­ступающие на зонд токи электронов и ионов в этом случае равны

г

Рис.2. Картина распределения потенциала вокруг зон­да.

Катодные области в тлеющем разряде.

Неотъемлемым элементом тлеющего разряда является катодный слой положительного пространственного заряда с сильным полем у катода (Е/р)_к~10³ В/(см∙тор) и значитительным катодным падением потенциала V_к ~ 150-400 В. Именно им обусловлено так называемое отрицательное тлеющее свечение за катодом, откуда и название разряда. Положитительный плазменный столб играет роль проводника, соединяющего катодные части разряда с анодом (рис.3). При уменьшении расстояния между электродами сначала сокращается именно он, потом фарадеево тёмное пространство, а катодный слой не изменяется, и лишь когда не хватает места для него (и отчасти для отрицательного свечения), горение разряда сильно затрудняется.

С

Рис.3. Структура тлеющего разряда в трубке. Показаны распределения интенсивности свечения I, потенциала φ, поля E, плотностей электронного j_е и ионного j₊ токов, плотностей ионов n₊ и электронов п_e, плотности объёмного заряда ρ=e(n₊-n_e).

Тем самым сокращается толщина области d, где должно происходить основное размножение электронов и осуществляется самоподдержание тока. Уменьшение d приводит к наиболее выгодным для размножения условиям, отвечающим минимуму напряжения на кривых Пашена.

Когда ток занимает не весь катод, плотность тока на катоде j_н имеет вполне определённое "нормальное" значение, удовлетворяющее закону подобия:

j_н/p²=(1+γ) μ+pV_н²/4π(pd) _н² ,

где V_н ≈1,1V_{t min} , (pd) _н ≈1,4(pd) _min

Обычно V_н≈150 – 400 B, (pd) _н ≈0,5 – 1 см·тор, j_н/p²≈10 – 500 мкА/см²·тор².

При увеличении тока растет площадь свечения на катоде, а j_н ,V_н остаются неизменными. Такой разряд называется нормальным. Когда свечение занимает весь катод, j и V при росте тока возрастают. Это - аномальный разряд.

Катодные процессы в дуговом разряде.

Отличительная черта дугового разряда - малость катодного падения, V_k~10 B. Разогретый интенсивным потоком ионов катод или его токонесущие участки (катодные пятна) испускают достаточно сильный электронный ток. Плазма положительного столба дугового разряда при атмосферном давлении равновесна, её проводимость определяется температуройрой T. Поле в столбе Е и ВАХ Е(j) определяются балансом энергии: джоулево тепло σ(T)E² выносится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам (если дуга горит в трубке), либо рассеивается в пространстве (дуга в свободной атмосфере). Типичным примером последнего является дуга с угольными электродами в воздухе (рис. 4).

Рис.4. Угольная дуга в воздухе при i=200 A: слева – фотография; справа – измеренное поле температур.

Для мощных (10² - 10³ кВт) электродуговых устройств важнейшей является проблема эрозии электродов, в особенности катода. Даже тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, подвержены разрушению и испарению, в особенности в катодных пятнах, где плотность тока достигает 10⁷ А/см². В катодных пятнах происходит термоавтоэлектронная эмиссия - сочетание действия температуры Т≈3000- 5000 К и полевой эмиссии (Е≥10⁷ В/см). Катодные пятна всегда образуются в вакуумных дугах с металлическими электродами, используемых в вакуумных переключателях. В дугах высокого давления (р≥10 атм) в Hg, Xe подавляющая часть джоулева тепла уносится излучением, что используется для изготовления дуговых ламп. В ряде приборов применяется низковольтная дуга низкого давления (p~ 1 тор, V≈10-20 В, i~ 1 А) с искусственно накаливаемым катодом.

Приэлектродные процессы в высокочастотных разрядах.

ВЧ разряды бывают двух типов: индукционные (ВЧИ) и ёмкостные (ВЧЕ). Безэлектродный ВЧИ-разряд обычно зажигают внутри диэлектрической трубки, вставленной в катушку, по которой пропускается ВЧ-ток (рис. 5, а). В этом случае переменное продольное магнитное поле индуцирует в разрядной плазме кольцевые замкнутые поле Е и токи. ВЧИ-разряды чаще зажигают при р≈1 атм. Плазма ВЧИ-разряда равновесна, подобно плазме столба дуги, Т≈8000- 11000 К. В устройствах небольшой мощности (~1 кВт) тепло отводится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам; в мощных устройствах (~10-10³ кВт) по трубке продувают газ со скоростью и~ 1 м/с. Поток отжимает плазму от стенок и выносит тепло с плазменной струёй. Режим горения оптимален при таких температуре Т, проводимости s(T) и радиусе плазменного столба R, что толщина скин-слоя d = с/(2πσω)^-1/2 , на который ВЧ-поле проникает в проводник, меньше, но сравнима с R~ 1-2 см.

Рис. 5. Способы возбуждения ВЧ-разрядов: а-индукционный; б-ёмкостный; в - ёмкостный безэлектродный (изоляторы заштрихованы).

ВЧЕ-разряд при низких и средних давлениях (p~10^-1 - 10² тор) обычно зажигают, подавая ВЧ-напряжение на плоские электроды. Электроды могут быть и оголёнными, и изолированными от плазмы диэлектрическими пластинами (рис. 5, б, в). Весь разрядный объём в плоском промежутке заполнен малоподвижными ионами. На их фоне электроны совершают дрейфовые колебания, так что граница плазмы, где п_е = п₊ , также перемещается, поочерёдно касаясь одной из твёрдых поверхностей. При этом обнажается ионный слой положительного пространственного заряда около противоположной поверхности. Нехватка электронов в промежутке, отчего и получаются приэлектродные слои, возникает из-за того, что находившиеся вблизи поверхностей электроны в самом начале либо уходят в металл, либо прилипают к изолирующим электроды пластинам.

Существуют две формы горения ВЧЕ-разряда. В a-форме приэлектродные слои практически лишены проводимости и плазменный ток замыкается на электроды токами смещения. Этому режиму соответствуют небольшие плотности тока j~10 мА/см² при p~20 тор. При достаточно сильном общем токе и плотности зарядов в плазме п≥10¹⁰ см^-3 (g-форма горения разряда) происходит таунсендовский пробой слоев и у обоих электродов образуются слои с ионным током и вторичной эмиссией (в т. ч. и с диэлектрика, откуда срываются прилипшие электроны), очень похожие на катодный слой тлеющего разряда. В этой форме разряда ток j~ 10² мА/см², а толщина слоев (при средних давлениях) на порядок меньше, чем в a-режиме, и близка к d_н нормального тлеющего разряда. В этих слоях сочетаются ток проводимости и ток смещения. Когда ВЧ-напряжение подают на единственный электрод, возникает факельный разряд.