книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

КЛЕЙНЕР Э. Ю,

ОСНОВЫ

ТЕОРИИ

ЭЛЕКТРОННЫХ

ЛАМП

Допущено Министерством выс-

шего и среднего специального образования СССР в качестве

учебного пособия для студен­ тов высших учебных заведений по специальности «Электрон­ ные приборы»

МОСКВА

«ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

6Ф0.31 К48

УДК 621.385(075)

Р е ц е н з е н т ы :

Кафедра радиотехнической электроники Ленинградского элек­ тротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина).

Канд. техн. наук Г. С. Берлин.

Клейнер Э. Ю.

К48 Основы теории электронных ламп. Учеб, пособие для специальности «Электронные приборы» вузов. М., «Высш. школа», 1974.

368 с. с ил.

В книге излагаются аопросы теории электронных ламп и родственных им приборов, служащие основой для их электрического расчета; главное вни­ мание уделяется закономерностям токопрохождення как в прикатодном прост­ ранстве, так и в пространстве между двумя положительными электродами;

основные вопросы токопрохождення через вакуумный промежуток при повы­ шенных частотах; рассматриваются флуктуационные процессы в электронных лампах н нх параметры.

30407 —220 6Ф0.31

134—74

001(01)—74

(g) Издательство «Высшая школа», 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Данная книга посвящена вопросам токопрохождения в электронных лампах. Ее содержание соответствует теоре­ тической части курса по электронным лампам, читаемого автором в течение многих лет студентам Московского энер­ гетического института, специализирующимся в области

ются вопросы токопрохождения через лампы с различным числом электродов, начиная от диода и кончая многоэлект­ родной лампой с двумя управляющими сетками; гл. 6 по­ священа важнейшим особенностям работы ламп на повышен­ ных частотах, гл. 7 — флуктуационным явлениям.

Исходя из специфики указанной специализации автор старался излагать материал более глубоко, чем это обычно де­ лается в учебниках по электронным приборам. В связи с этим почти все формулы даются с выводом, за исключением лишь тех случаев, когда выводы связаны с очень громоздкими, чисто формальными преобразованиями. Несколько под­ робнее, чем в других книгах по электронным лампам, рас­ смотрены флуктуационные явления, так как они приобре­ тают все большее практическое значение. В связи с тем что выводы закономерностей этих явлений базируются на тео­ рии вероятностей, для облегчения их разбора в гл. 7 вклю­ чены необходимые сведения из математики.

При изложении материала предполагается, что читатель знаком с основами эмиссионной электроники и электри­ ческих явлений в вакууме и газах.

Вопросы конструирования и инженерного расчета элект­ ронных ламп в книге не рассматриваются; они достаточно полно изложены в соответствующих книгах Б. М. Царева

[Л.01] и Ю. А. Кацмана [Л.0.2].

Автор выражает глубокую благодарность докт. техн. наук А. Д. Сушкову, докт. техн. наук А. Д. Зусмановскому, старш. преп. Г. П. Зыбину, канд. техн. наук Г. С. Берлину, канд, техн, наук А. А. Жигареву и ст.

3

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ

§ 1.1. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

Под электронными лампами понимают группу электровакуумных приборов, у которых в рабочем пространстве создан высокий вакуум и действие основано на использовании потока свободных электронов, изменяемого с помощью электрических или, реже, магнитных полей. Основное назначение электронных ламп — преобразование электри­ ческих сигналов или электрической энергии одного вида в электри­ ческие сигналы или электрическую энергию другого вида.

Рассмотрим устройство электронных ламп на примере миниатюрной приемно-усилительной лампы (рис. 1.1). Основные узлы и детали ее следующие.

1. Система электродов. Она состоит из катода, анода, и, в больши стве случаев, одной или нескольких сеток. Катод, как известно, явля­ ется источником свободных электронов, анод выполняет роль кол­ лектора электронов, а сетки служат для управления анодным током лампы или для придания системе электродов тех или иных дополни­ тельных свойств.

В электронных лампах в настоящее время используются почти всегда термоэлектронные катоды. Работа таких катодов основана на совмещении двух процессов: с одной стороны—эмиссии электронов, с другой — подогрева эмиттирующей поверхности за счет тепла, полу­ чаемого путем пропускания электрического тока через металличес­ кий проводник. В зависимости от того, протекают ли оба процесса в одной и той же детали лампы или в разных, различают две конструк­ ции накаленных катодов:

а) катоды прямого накала; б) катоды косвенного накала.

В первом случае катод представляет собой отрезок проволоки, обыч­ но прямой или петлеобразной формы, по которому проходит ток накала /„ и поверхность которого эмиттирует электроны — ток эмиссии /э (рис 1.2,а).

Во втором случае процессы нагрева катода и эмиссии электронов разделены. Эмиттирующим телом, т. е. непосредственно катодом, здесь служит тонкостенная металлическая трубочка, снабженная с

5

внешней стороны хорошо эмиттирующим покрытием. Подогрев ее обеспечивается специальным телом накала, так' называемым подогре­ вателем, расположенным внутри трубки и изготовленным из металли­ ческой проволоки достаточно высокого электрического сопротивления (рис. 1,2,6). Подогреватель покрыт слоем диэлектрика и тем са­ мым электрически изолирован от катодной трубки. Это дает возмож­

ванных наличием между вольфрамовым керном и поверхностной плен­

6

состоят из металлической подкладки, покрытой тонким слоем окислов щелочноземельных металлов, главным образом бария Работа выхода этих катодов меньше, чем у всех других видов катодов. Так как окси­ дные катоды очень чувствительны к ударам положительных ионов боль­ шой энергии (они при этом быстро разрушаются), то применяют их только в лампах, где исключено появление положительных ионов или анодные напряжения невелики. Практически все маломощные лампы делаются с оксидным катодом. В мощных лампах, которые обыч­ но работают при высоких анодных напряжениях и в которых из-за

щеП поверхности

сильного нагрева во время работы имеется опасность газовыделения из электродов, преимущественно применяются карбидированные ка­ тоды.

Катоды, у которых основой служит вольфрам, изготовляют только прямого накала. Это связано с тем, что вольфрам трудно обрабатыва­ ется и поэтому промышленностью тонкостенные трубочки из него не выпускаются. У оксидных катодов в качестве.подложки кроме вольф­ рама можно использовать и никель, из которого легко изготовляются трубочки. Поэтому оксидные катоды можно делать как прямого, так и косвенного накала. Большая экономичность и возможность вы­ полнения в виде катода косвенного накала сделали в настоящее время оксидный катод основным видом катодов в электронных лампах.

Сетки первоначально изготовляли из крупноячеистой металли­ ческой ткани, обусловившей название. В современных лампах они в большинстве случаев имеют вид спирали из тонкой проволоки, нави-

J

той, для придания системе жесткости, на два продольных стержня, называемых т р а в е р с а м и (рис. 1.3).

Аноды обычно выполняют из тонкой жести в виде короткой и срав­ нительно широкой обоймы круглого, овального или прямоуголь­ ного профиля, внутри которой располагают остальные электроды

лампы.

2. Баллон. Для создания рабочего пространства с высоким вакуу­ мом, система электродов помещается в баллон, из которого в процессе производства лампы откачивается воздух. Баллон должен изготов­ ляться из газонепроницаемых материалов: специальных сортов стекла, керамики или стали. У готовых миниатюрных ламп он имеет вид ци­ линдра с конусообразным выступом на куполе, образующимся в ре­ зультате отпайки стеклянной трубочки, «штенгеля», через которую производилась откачка.

Степень разрежения, достигаемая в баллоне по принятой в настоя­ щее время технологии производства, составляет 10“5 — 10“ “ мм рт. ст. Теоретически желательно было бы наличие абсолютного вакуума, так как перенос зарядов в электронных лампах должен осуществляться только электронами. Наличие остаточной атмосферы приводит к появ­ лению положительных ионов в результате неупругих соударений элект­ ронов с атомами газа. Это резко ухудшает ряд электрических пара­ метров ламп и, как уже указывалось, сокращает срок службы катодов. Остаточное давление порядка 10“6 мм рт. ст. практически еще прием­ лемо, так как при таком давлении средняя длина свободного пробега электронов в лампе приблизительно на два порядка больше размеров баллона, и поэтому вероятность появления положительных ионов очень мала.

3. Ножка. Для подачи на электроды необходимого напряжения служат специальные металлические проводники, проходящие через оболочку лампы— ввод ы . Для сохранения вакуума внутри баллона соединение вводов с внешней оболочкой должно быть герметичным. Для удобства монтажа системы электродов и включения лампы в элект­ рическую схему вводы целесообразно пропускать не через стенку бал­ лона, а через специальную, обычно стеклянную, деталь— ножку, кото­ рая в процессе изготовления лампы герметически сваривается с балло­ ном. Стеклянные ножки бывают в основном двух конструкций:

а) гребешковые; б) плоские.

В гребешковой ножке все вводы обычно расположены в один ряд

4. Крепежные детали. Для фиксации взаимного расположения электродов, положения блока электродов в баллоне и придания конст­ рукции лампы достаточной механической прочности используется группа различных по форме деталей, объединяемых под общим назва­

8

нием к р е п е ж н ы х . В зависимости от назначения эти детали из­ готовляют из металла или диэлектрика, обычно из никеля или специаль­ ных видов слюды или керамики.

Наиболее важны крепежные детали, фиксирующие взаимное рас­ положение электродов. В маломощных лампах для этого обычно ис­ пользуются две слюдяные пластины, на которых в соответствующих отверстиях закрепляются электроды. Слюдяную пластину, располо­ женную со стороны ножки, называют н и ж н е й , а с другого конца системы электродов — в е р х н е й .

5.Газопоглотитель. Для улучшения вакуума, получаемого в ламп

диск нагревается токами высокой частоты до температуры, при которой барий испаряется, его пары оседают на холодной стенке баллона и об­ разуют здесь требуемый слой.

6. Штырьки ножки. Цоколь. Практически важным является воп­ рос о сочленении лампы с электрической схемой, от которой на ее электроды подаются необходимые напряжения. Для соединения со

схемой используются наружные части вводов. Различают два вида сое­ динений:

а) неразборные; б) разборные.

9