Электровакуумные приборы: диод, триод, электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп, рентгеновская трубка

Для того, чтобы вызвать ток в вакуумной трубке, нужно внутрь её внести свободные электроны, т.е. вызвать там термоэлектронную эмиссию. Но как?

Вот если бы один из электродов в вакуумной трубке был нагрет, то тогда проблема прохождения тока через вакуум была бы решена. Но как нагреть электрод внутри герметически закрытой трубки? Оказывается, есть очень простой способ. Нужно этот электрод сделать в виде тонкой проволоки и пропустить через неё ток. Второй же электрод может представлять собой пластину любой формы или цилиндр, окружающий нить накала. И когда мы подаём на второй электрод положительное напряжение, а на нагретую нить отрицательное – то вылетевшие из разогретой нити электроны полетят к положительно заряженной пластине и через вакуум пойдёт ток. Проблема решена, Ток через вакуум идёт. Но идёт он за счёт не своих собственных носителей заряда, которых в нём нет, а за счёт зарядов, внесённых извне. Нагретый электрод получил название катод (внизу), а холодная пластина – анод(сверху).

Возникает вопрос: а зачем нам понадобилось пропускать ток через вакуум, ведь проще пропускать ток через металлический проводник?

Оказывается, пропускание тока через вакуум имеет ряд ценных особенностей. Первая особенность состоит в том, что ток через вакуум проходит только в том случае, если на аноде плюс, а на катоде – минус. Если подать напряжение наоборот: на анод минус, а на катод – плюс, то отрицательный анод будет отталкивать отрицательно заряженные электроны и ток через колбу не пойдёт. Значит, данная вакуумная колба может пропускать ток только в одном направлении. И такая колба получила название в технике двухэлектродная электронная лампа или вакуумный диод. Важнейшее свойство вакуумного диода в том, что онпропускает ток только в одном направлении.За это его и любят специалисты-электронщики. Сразу же нашли ему основные применения:

а) Выпрямление переменного тока(превращение переменного тока в

постоянный);

б) Детектирование радиосигнала(выделение из принятой приёмником

радиоволны полезной информации).

Обнаружено ещё очень важное свойство тока в вакууме: электронами в трубке очень просто управлять. Они реагируют на малейшее электрическое поле. И это свойство также используется на практике.

Если между анодом и катодом ввести третий электрод в виде обычной проволочной сетки, который так и называется сеткой(на схеме изображена пунктиром), то появляется возможность управлять электронным потоком внутри вакуумной колбы. Такая колба получила название трёхэлектродная электронная лампа или вакуумный триод.На рисунке, приведённом ниже, показаны диод и триод (условные обозначения):

Электровакуумные приборы: диод, триод, электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп, рентгеновская трубка - №1 - открытая онлайн библиотека

Когда электроны летят от катода к аноду, а на сетке при этом никакого напряжения нет, то триод работает как диод. Если на сетку подать положительное напряжение, то положительный заряд сетки будет подгонять электроны к аноду и анодный ток при этом будет возрастать. Но если на сетку подать отрицательное напряжение, то сетка будет отталкивать часть электронов и анодный ток при этом уменьшится. А при достаточно высоком уровне отрицательного напряжения сетка вообще не будет пропускать через себя электроны и анодный ток вообще прекратится.

Важнейшим свойством вакуумного триода является то, что малейшие изменения напряжения на сетке вызывают сильные изменения анодного тока.Можно привести шуточное сравнение, что здесь карлик управляет великаном, так как он сидит на сетке. Можно также привести аналогию с водой: сетка в триоде выполняет ту же роль, что кран на водопроводной трубе. В самом деле: лёгкий поворот крана и мощная струя воды будет либо открыта, либо перекрыта.

Таким образом, на практике триод применяется:

а) Усиление электрического сигнала;

б) Генерации тока высокой частоты.

Усиление сигнала используется в различных усилителях, радиоприёмниках, телевизорах, магнитофонах. При этом слабый сигнал подаётся на сетку, а усиленный сигнал снимается с анода.

Генерация токов высокой частоты используется в аппаратах УВЧ-терапии, в радиопередатчиках, генераторах ультразвуковых частот и в других устройствах.

Следует отметить, что в быту вакуумные диоды и триоды называются радиолампами.В настоящее время радиолампы уходят в прошлое и заменяются в технике более современными элементами. Однако, в аппаратах УВЧ-терапии и в мощных радиопередатчиках радиолампы применяются до сих пор.

Если в аноде вакуумного диода проделать небольшое отверстие, то электроны, пройдя через отверстие, полетят дальше узким пучком. На этом принципе работает ещё один электровакуумный прибор, который называется электронно-лучевой трубкой. Она представляет собой трубку, один конец которой представляет постепенно расширяющийся конус. Дно этого конуса покрыто специальным составом, который светится под действием электронов и является экраном. А другой конец представляет собой узкую горловину, в которой находится вакуумный диод, испускающий узкий электронный луч. Иными словами, в узкой горловине находится электронный прожектор.

Электровакуумные приборы: диод, триод, электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп, рентгеновская трубка - №2 - открытая онлайн библиотека

В середине трубки находится две пары пластин, которые отклоняют электронный луч. Одна пара отклоняет луч по горизонтали, другая пара – по вертикали. Они расположены так, как показано на рисунке. Электронный луч, попав на экран, высвечивает на нём точку. Подавая на обе пары пластин переменное напряжение различной формы, можно заставить луч бегать по экрану как угодно. Если луч бегает по экрану достаточно быстро, то, благодаря инерции зрения, бегающая точка воспринимается как сплошная линия. Если, например, на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение пилообразной формы, а на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемое напряжение, то на экране будет отображаться график зависимости величины напряжения от времени. Прибор, который это показывает, называется осциллографом. Данный прибор очень широко применяется в радиоэлектронике для наблюдения на экране формы электрического сигнала. Это, в большинстве случаев необходимо для регулировки и настройки аппаратуры.

Электронный луч в трубке можно отклонять не только электрическим, но и магнитным полем. В этом случае на середину трубки надевают катушки, которые при прохождении через них электрического тока, отклоняют луч своими магнитными полями. Такая электронно-лучевая трубка называетсякинескопом. Прибор, снабжённый кинескопом, способен отображать не только графическую, но и знаковую информацию, а также изображение. Осциллограф, снабжённый кинескопом и отображающий графическую, знаковую информацию и изображение, называется монитором.А монитор широко используется в медицинской технике. Он входит в состав аппарата ультразвуковой локации «Эхо», аппарата УЗИ, кардиомонитора, а также используется для видеонаблюдения за операцией. Если монитор снабдить блоком радиоканала, то получится телевизор.

Можно часто слышать вопрос, почему врачи не разрешают смотреть телевизор с близкого расстояния? Что в этом опасного? На этот счёт существует очень много мнений. Одни говорят, что экран излучает радиацию, другие утверждают, что телевизор излучает рентгеновские лучи и т.д.

А истина вот в чём. Никаких вредных излучений телевизор не излучает. Излучает только видимый свет, который никак не может зрение повредить. Если человек сидит близко к телевизору, то он видит строчную структуру изображения. А глаз пытается воспринять изображение как целостное и это является одним из факторов, утомляющим зрение. Кроме того, просмотр телевизора при ярком экране в тёмной комнате приводит к тому, что сюжет на экране, часто меняя яркость, заставляет глаз постоянно адаптироваться к непрерывно изменяющейся яркости, что также утомляет зрение. К тому же, резкий переход от яркого экрана к темноте комнаты вызывает неравномерное утомление сетчатки глаза. И кроме того, сама частота смены полукадров (50 Гц) также утомляет зрение.

Следующий электронно-лучевой прибор – электронный микроскоп. Он представляет собой большую электронно-лучевую трубку, поставленную вертикально экраном вниз. На горловину трубки надеты несколько катушек, по которым пропускается ток. Эти катушки фокусируют электронный поток и называются магнитными линзами. На пути электронного луча ставится препарат, который рассматривают. Одни участки препарата пропускают электроны лучше, а другие – хуже. С помощью магнитных линз на экране получается чёткое увеличенное изображение препарата. Если обычный оптический микроскоп позволяет получить увеличение не более, чем в 2000 раз, то электронный микроскоп доводит увеличение до 600000 раз! Но работа с электронным микроскопом значительно сложнее, чем с оптическим.

Следующий электровакуумный прибор, рассмотренный нами, называется рентгеновской трубкой.

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный диод специально конструкции. В ней есть катод и анод. Анод ещё называется антикатодом.

+ 50-250 кВ

Электровакуумные приборы: диод, триод, электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп, рентгеновская трубка - №3 - открытая онлайн библиотека

На антикатод подают очень высокое положительное напряжение: от 50 до 250 кВ. Электроны, вылетевшие из катода, приобретают громадную скорость и ударяются об антикатод так, что часть их энергии идёт на создание рентгеновского излучения. Антикатод делают из вольфрама. Но его при этом нужно охлаждать. Поэтому принимаются специальные меры для его охлаждения. Делают охлаждения либо жидкостным, либо антикатод делают быстро вращающимся, чтобы электроны падали не на одно место, а на разные места антикатода. О свойстве рентгеновских лучей и о регулировке рентгеновского излучения будет сказано в следующих лекциях.