Как уже говорилось, лаборатория, где я работал студентом, занималась измерением вакуума в герметичных электровакуумных приборах.
Принцип измерения там вроде бы всегда один и тот же.
Включаем электродную систему прибора, как ионизационный манометр, пропускаем электронный ток от катода к аноду и регистрируем ионный ток на третьем электроде.
Все просто, но только тогда, когда в контролируемом приборе, куда мы идем оценивать давление остаточного газа, есть третий электрод. Что делать, если электродов всего два? Если прибор, в колбе которого нужно измерить вакуум, является диодом? Например, если вы хотите измерить давление в рентгеновской трубке.
Самое простое, что конструкция рентгеновской трубки относится к первой половине 20 века, когда зазор между катодом и анодом был открыт и располагался рядом со стеклянной емкостью.
Рис.
7.1 Рентгеновская трубка с «открытым» зазором между катодом и анодом.
В этом случае делу может помочь прикладной внешний электрод, на который будет подан положительный импульс напряжения, чтобы зарядить внутреннюю поверхность стекла колбы прибора отрицательным потенциалом с помощью электронов, направленных навстречу стекло колбы, что будет влиять на распределение потенциалов между катодом и анодом трубки, уменьшая ток электронов, вытягиваемых из катодной области.
Подавая такие импульсы периодически, можно получить синхронные пилообразные изменения анодного тока лампы, амплитуда которых (скорость нарастания тока в «пиле») будет зависеть от давления остаточного газа ( рис.
7.2) 
Рис.
7.2 Схема метода измерения давления остаточных газов в диодной системе с использованием заряда диэлектрической колбы управляемой лампы.
Следующий метод измерения вакуума в диоде подходит только для приборов с прямонакальным и удлиненным катодом.
Кстати, помню, после армии, на 2-м курсе Рязанского радиоинститута, я как раз сделал импульсный блок питания по этому методу.
Этот метод заключается в том, что вместо постоянного и небольшого напряжения питания на нити катода прямого нагрева (обычно величины порядка 3 В, 6,3 В, 12 В) на нить подается импульсное напряжение.
, значения, достаточного для передачи энергии электронам для ионизации остаточного газа (50–70 Вольт).
Скважность и длительность таких импульсов выбираются исходя из условия нагрева катода до рабочей температуры.
При этом на анод управляемой лампы подается отрицательное напряжение относительно катода для сбора образовавшихся ионов (измерение ионного тока).
В результате использования этого режима электроны из той части катодной нити, которая находится под более отрицательным потенциалом, перелетят в более положительную часть катода.
Энергии части электронов будет достаточно для ионизации газа, и ионный ток, пропорциональный давлению этого газа, будет зафиксирован в аноде лампы, служащем коллектором ионов (рис.
7.3).
Рис.
7.3. Метод измерения вакуума в диодной системе с использованием импульсной подачи энергии на катод прямого нагрева.
На десерт расскажу о самом интересном, на мой взгляд, методе измерения вакуума в диодных структурах, основанном на регистрации явления компенсации объемного заряда электронов объемным зарядом ионов.
Кстати, именно это явление, на мой взгляд, и является причиной того, почему в ламповых усилителях звука не используются всевозможные тетроды и пентоды.
Итак, рассмотрим самый классический диод, состоящий из катода и анода (рис.
7.4), и согласимся, что мы имеем дело с бесконечной плоской системой (для простоты рассуждений).
Рис.
7.4 Распределение потенциала между катодом и анодом в диоде с положительным напряжением на аноде (красная линия), с отрицательным напряжением на аноде (синяя линия), среднеарифметическим значением (зеленая линия).
Сразу оговоримся, что мы рассматриваем диод, у которого катод каким-то образом эмитирует электроны в вакуум (допустим, это термоэмиссионный катод или фотокатод).
В этом случае при отрицательном напряжении на аноде ток через диод не будет, а распределение потенциала между катодом и анодом будет линейным (синяя кривая).
Теперь изменим полярность напряжения на диоде, подав на анод положительное напряжение.
Распределение потенциалов между электродами изменится, но не будет отражать предыдущий вариант (красная кривая).
Дело в том, что «+» на аноде начинает притягивать от катода электроны, имеющие отрицательный заряд и снижающие потенциал пространства между катодом и анодом.
Сильнее всего это делают электроны вблизи катода, так как там их скорость мала и т. н.
Пространственный заряд самый высокий.
Более того, такое влияние объёмного заряда электронов приводит к тому, что до анода доходят не все электроны, эмитированные катодом, а лишь часть, определяемая соотношением анодного потенциала к объёмному заряду электронов (если вам интересно подробнее можно погуглить «закон Чайлда-Лэнгмюра», в просторечии называемый «закон степени 3/2», так как в идеальном вакуумном диоде анодный ток пропорционален напряжению на аноде мощности 3/2).
Но все рассуждения из учебников для школьников справедливы для идеального «сферического диода в вакууме», а на самом деле, как я ранее упоминал в своих статьях, в вакуумных устройствах внутри все равно находится разряженный газ, представляющий собой электроны при прохождении через зазор «катод-анод» ионизируют. Если к аноду диода просто подать постоянное положительное напряжение, то влияние образовавшихся ионов (при уровнях давления остаточного газа менее 10 -4 Торр) минимальна и ею всегда пренебрегают. Но, если к аноду диода приложить меандр или просто синусоидальное напряжение переменной полярности так, чтобы на аноде были «+» и «-» через равные промежутки, то в среднем распределение потенциала будет примерно то же, что показано зеленой кривой.
Теперь представьте, что частота напряжения, приложенного к аноду диода, настолько велика, что ионы, образующиеся в зазоре «катод-анод», не успевают заметно сдвинуться за один полупериод (при этом электроны, масса которых в тысячи раз меньше массы ионов, успевающих преодолеть зазор от катода до анода).
Получается, что ион утащит половину периода переменного напряжения к аноду, а вторую половину — к катоду.
В среднем на ион будет действовать потенциальное поле, точно описываемое зеленой кривой.
Те.
в этом случае ион окажется в своеобразной потенциальной яме динамического типа, т.е.
возникнут условия для накопления ионов между катодом и анодом диода (на рис.
7.5 я попытался изобразить разницу в поведение ионов при постоянном напряжении на аноде диода и в случае подачи на анод диода переменного напряжения, достаточного для демонстрации инерционности движения ионов (частота).
Рис.
7.5 Поведение ионов при питании диода постоянным и переменным напряжением.
Что произойдет, если ионы скопятся между катодом и анодом? Ионы начнут компенсировать своим объемным зарядом объемный заряд электронов, движущихся от катода к аноду, и эта компенсация будет весьма существенной, так как масса ионов в тысячи раз превышает массу электронов, соответственно, скорость ионов существенно меньше скорости электронов.
Фактически, каждый дополнительный ион, удерживаемый в динамической потенциальной яме, будет вызывать увеличение электрического тока между катодом и анодом на тысячи электронов в секунду (нарушение вышеупомянутого «закона 3/2»).
Те.
мы также получим эффект усиления полезного сигнала, в отличие от простого измерения электрического тока ионов обычным манометром.
Установив в аноде диода схему измерения постоянной составляющей анодного тока, мы увидим, что после очистки динамической ямы от ионов (что можно сделать, подав на анод кратковременный импульс), это « Постоянная» составляющая будет расти пилообразным образом, а скорость роста будет пропорциональна давлению в диоде, т.е.
будет записываться тот же сигнал, что и показано на рис.
7.2 для другого метода.
Частота анодного напряжения, при которой начинает наблюдаться описанный выше процесс, зависит в первую очередь от геометрических размеров реального вакуумного диода.
Для десятков миллиметров расстояния между катодом и анодом оно будет равно единицам МГц; для долей миллиметра частота, необходимая для образования потенциальной ямы, будет уже порядка сотен МГц.
Следует отметить, что эффекты накопления ионов в яме пространственного электронного заряда могут проявляться и без высокочастотного напряжения в вакуумных устройствах с несколькими сетками при определенных потенциалах на электродах.
Подобные эффекты можно использовать для создания не только вакуумметров, но и других интересных устройств.
И наоборот, в ряде вакуумных устройств, использующих электронный пространственный заряд, необходимо учитывать накопление ионов в таком заряде как вредное для работы.
В заключение хотелось бы выразить благодарность Владимиру Александровичу Коротченко и Виктору Кузьмичу Базылеву, стоящим у истоков упомянутых в тексте методов и изобретений.
Кроме того, спасибо тем, кто дочитал текст до конца и нашел время написать соответствующие комментарии.
Теги: #Научно-популярная #Производство и разработка электроники #вакуум #электровакуумные устройства #вакуумный диод #Измерение вакуума
-
Android-Демосцена
19 Oct, 24 -
Ситуация С Безопасностью Java Ухудшается
19 Oct, 24 -
Анонс: «Осенний Geekfest»
19 Oct, 24
