05В011000 «Физика» мамандығы бойынша оқитын 3 курс студенттеріне арналған

55. 
    Электрондық және иондық приборларда металдар мен шала өткізгіштердің термоэлектррндық эмиссиясы қолданылады. Эмиссияның бұл түрін алғаш рет американ енер тапқышы Томас Альва Эдиссон 1833 жылы тапқан, одан кейін оны И. Ленгмюр, О. Ричардс он, В. Шотки, А. Венельт сияқты ғалымдар кеңінен зерттеген.
    
56. 
    Электровакуумдық приборларда электрондарды эмиттирлеуші электрод (катод) газбен және вакууммен қоршалған. Катодтың температурасының жоғарылауына ка­рай өткізгіштік электрондардың энергиясы артады, яғни олардың шығу жұмысын атқару үшін жеткілікті болуы мүмкін. Катодтан ұшып шыққан электрондар оның айна
    

29-сурет. Қатодтың меншікті электрондық эмиссиясынын, температураға тәуелділігінін, графигі (оң жақта) және осы графикті алуга арналған қондырғының схемасласында электрондық «атмосфера» («электрон бұлты») жасайды, яғни бұл өзімізге белгілі қаныққан буды еске түсіреді. Бұл «бұлттағы» электрондардың жылдамдығы әр түрлі, олардың біразы катодқа қайыра оралады, ал оның орнын жаңадан ұшып шыққан электрондар толтырады, сөйтіп катодтың айналасындағы электрондық «атмосфера» әрдайым динамикалык, тепе-теңдікте болады.

Енді приборда электр ерісін туғызайық: мысалы, егер бұл вакуумдық диод болса, онда анодқа он потенциал береміз (29-сурет). Осы өрістің әсерінен электрондар анодқа қарай ұшады. Ал енді катодтан эмиттирленген барлық электрондар электр ерісі әсерінен оны түгел тастап кететіндей анодтық кернеу берейік, міне, осы кездегі лампыдағы анодтық ток эмиссия тогы (Ід) деп аталады. Тәжірибе эмиссия тогы катод температурасының езгеруіне тәуелді екенін көрсетеді. 29-суретте мұндай тәуелділіктің вольфрам катод үшін графигі керсетілген. Онда температура шамамен 2000° К жеткенше эмиссия құбылысы шын мәнінде байқалмайды. Температура одан әрі ұлғайғанда шығу жұмысына қажетті энергия алатын электрондар саны барған сайын арта түседі, сөйтіп эмиссия тогы (/3) артады. Әдетте эмиссиялық қасиет эмиссиялық токпен емес, меншікті электрондық эмиссиямен сипатталады.

55. 
    Меншікті электрондық эмиссия деп, катод эмиттирлеген электрондар сыртқы электр өрісінің әсерінен түгелімен оны тастап кеткен жағдайда, катод бетінің бірлік ауданынан алынатын эмиссиялық токты айтады. Ол былай анықталады:
    

Катодтың аса маңызды тағы бір характеристика-сы — оның эффективтілігі. Өзімізге белгілі электро-вакуумдық приборлардың қыл сымы электр тогымен қызады. Олай болса әрбір лампы үшін қыздыру тогы мен кернеудің белгілі бір жұмыстық шамасы бар. Демек, олай болса, қыздыру қуаты мынадай болады:

.59, Электрондық лампылардың катодтары, қыздыру тәсілдеріне қарай, тура және жанама болып келеді (30-сүрет).

30-сурет. Тура (а) жэне жанама (б) қыздыру катодтары.

Егер қыл сым бір жағынан катод ролін атқарса, онда бұл тура қыздыру катоды. Тура қыздыру като-дын көп жағдайда айнымалы токпен қыздыруға болмайды, өйткені жылулық инерцияның аздығынан катодтың температур асы периодты түрде өзгереді жэне сондай жиілікпен эмиссия тогы . да өзгеретін болады. Жанама қыздыру катодтарында катод ретінде активтендіруші зат жалатылған никель түтік қолданылады да, түтіктің ішінде жылуға берік изоляциялық материал — алундпен қапталған қыл сым болады. Жанама қыздырылатын катодтарды совет академии А. А. Чернышев 1921 жылы ұсынған.

60. Қарапайым катодтар вольфрамнан (кейде танталдан) жасалған тура қыздыру катодтары. болып табылады. Бұлардың ерекшелігі — эмиссиялық касиеттері тұрақты болады. Вольфрам буы электрондық лампының баллон ішіндегі газ қалдығын жұтып, ондағы вакуумдықты жақсартады. Бірақ вольфрамның шығу жұмысы жоғары, ал жоғары жұмыстық температура кезінде вольфрам буланады да, катодтың қызмет ету мерзімі азаяды.

61. Күрделі катодтар дегеніміз — шығу жұмысын азайту, эффективтілігін арттыру, жұмыстық температураны төмендету, катодтардың қызмет ету мерзімін ұзарту үшін активтендірілген заттармен қапталған, тура және жанама қыздыру катодтары. Активтендірілген катодтар қабыршақты және шала өткізгішті болады.

62. Қабыршақты катод — цезий, торий, барий, вольфрам карбиді сияқты активтендіруші заттардың бір атомды қабатымен қапталған металл негіз болып табылады. Активтендіруші заттардың валенттік электрондары металл негізге ауысады, өйткені осы электрондардың энергиясына сәйкес келетін металдағы энергетикалық деңгей бос. Қаптаған заттың пайда болған оң иондары мен металдың арасында эмиссияның элек-трондарын шапшаңдататьш электр ерісі пайда болады.



1-сурет. Л — катод; 1 — молибден цилиндр; 2 — қыздыру қыл сымы; 3 — эмиттирлеуші затты қуыс; 4 — борпылдақ вольфрам.

Цезиймен немесе ториймен қапталған катодтар өте сирек қолданылады, ейткені бұл заттар аса қызған катодтың бетінен интенсивті түрде буланады. Ең жаңа барирленген катодтарда (Лемейс ойлап тапқан Л — катодтарда) вольфрамнын, кеуек беті эмиттирлеуші қабыршақ болып табылады (31-сурет), оның астында барий тотығы мен барий бериллаты таблеткасы тұрады. Катодты қыздырған кезде металл барий өзінің қосылыстарынан бөлініп, катодтың бетіне шығады. Карбидтелінген катодтарда қабыршақ қабық вольфрам карбидінен түзіледі, ал вольфрамға торий қосылған.

63. Шала өткізгішті катодтарға ең кеп таралған оксидтік катодтар жатады. Мұндай катод барий, стронций және кальций тотықтары қабатымен қапталған никель немесе вольфрам өткізгіш болып келеді. Оксидтік катодтың жұмыс теориясы әлі жете зерттелген жоқ. Әзірше оксидтік қабатты электронды типтес қоспалы шала өткізгіш болып табылады деуге болады. Оның валенттік электрондарының деңгейі металл өткізгіштің өткізгіштік зонасына жақын орналасады да, сол зонаны электрондармен толтырып тұрады. Шығу жұмысының төмендеуі активтендіруші заттың атомдары бір-бірінен айтарлықтай қашықтықта орналасқаидықтан болуы керек. Жұмыс кезінде барий буланады; ал оның активтендіруші қабаттың бетіндегі концентрациясы оксидтік кабаттың қойнауынан келетін атомдар есебінен қайта қалпына келтіріледі.

64. Т а п с ы р м а: мына таблицаны пайдаланып,түрлі катодтардың артықшылықтары мен кемістіктерін салыстырыңыздар.

65. Егер активтендіруші зат металдан электрондарды тартып алатын болса, онда шығу жұмысы артады. Бұл жағдай катод оттегімен жанасқан кезде болады. Мұндайда, оттегі катодты «уландырды» дейді.

66. Физика курсында біз қарапайым электрондық лампы - диодтың құрылысымен және жұмыс принципімен таныстық. Енді вакуумдағы электр тогының заңдылығын толығырақ қарастырайық.

67. Диодтың вольт-амперлік (анодтық) характеристикасы деп қыздыру кернеуі өзгермеген кездегі анодтық токтың өзгеруінің анодтық кернеудің өзгеруіне тәуелділігінің графигін айтады:



32-сурет. Диодтың вольт-амперлік характеристикасын алу.

32-суретте вольт-амперлік характеристиканы эксперимент жүзінде шығарып алу үшін диодты қосу схемасы және характеристиканың өзі көрсетілген. Анодтық ток пен кернеу арасында тәуелділік теория жүзінде Ленгмюр-Богуславский формуласымен өрнектеледі:

68. Қызған катод электрондар шығарады. Олар катод айналасында теріс кеңістіктік заряды бар өзінше бір «электрондық атмосфера» («электрон бұлты») түзеді. Анодтық кернеу аз болғанда бұл зарядтың өрісі анодтың үдетуші өрісімен ілесіп бара жатқан электрондарға кедергілік эсер етеді. Сондықтан алдымен ток баяу өседі де, характеристикада бүл процесс имек сызықпен өрнектеледі (32,6-суретте 05 участогы). Кейде теріс анодтық кернеу кезінде де аздаған анодтық ток байқалады (АБ участогы), мұны өте жоғары кинетикалық энергиялы электрондар туғызуы мүмкін.

Анодтық кернеу одан әрі артқан сайын, өріс бірте-бірте электрондарды көбірек әкетеді де, катодтың айналасындағы электрон бұлты біртіндеп жойылады және анодтық ток өседі. Ең ақырында катод шығаратын барлық электрондарды epic толық әкеткенде, анодтық кернеудің одан әрі артуы анодтық токты арттырмайды (Г нүктесі), сейтіп қанығу деп аталатын кезең туады. Алайда, шын мәнінде анодтық кернеу артқан кезде ток аз да болса артады (&Д участогы). Характеристиканың жоғарғы иілуі және қанығу аймағында токтьщ артуы катодтың анодтық токпен қосымша қызатындығымен және электрондардың эмиссиясына анод пен катод арасындағы электр өрісінің эсер етуімен түсіндіріледі. Сыртқы өрістің әсерінен шығу жұмысының өзгеруін, осы құбылыстың теориясын талдап шешкен неміс ғалымы В. Шотки есімінен, Шотки эффектісі деп атайды. Оксидтік катодтарда сыртқы шапшаңдатушы өрістің термоэлектрондық эмиссияға (Шотки эффектісі) эсері сондай зор, тіпті қанығу тогы режимі жалпы байқалмайды.

Ол түсінікті де, қыздыру тогы артқанда электрондар эмиссиясы да өседі. Сондықтан қыздыру кернеуінің әр түрлі мәндерінде анодтық характеристикалар тобын (үйірін) аламыз (33-сурет). Одан көргеніміздей, формула (17) характеристиканың тек төменгі бөлігі үшін ғана азды-көпті дұрыс екені байқалады.

69. Триодтың диодтан ерекшелігі сол, мұнда үшінші электрод — тор бар. Электрондық лампыларда тор көбіне спираль сым түрінде литийден, молибденнен, вольфрамнан, осы металдардың қорытпаларынан жасалады. Тор анод пен катодтың аралығына орналасады. Тордың электр потенциалын өзгерте отырып, лампының анодтық тогын басқарады. Сондықтан бұл торды басқарушы деп атайды.

70. Тор мен катодқа ток көзін қосайық (34-сурет). Егер тор он, потенциалды болса, онда көлемдік электр өрісі тор — катод участогында бағыт жағынан анодтық кернеу туғызған өрістің бағытымен бағыттас болады,. сөйтіп катодтан ұшып шыққан электрондар осы екі өріс әсерінен шапшаңдайды да, анодтық ток артады. Электрондардың аз ғана бөлігін тор ерісі ұстап қалады да, торлық токты тудырады. Сонда катодтық ток анодтық және торлық болып екі тармаққа бөлінеді деуге болады. Енді торлық кернеудің полярлылығын өзгертейік. Сонда тор мен катод арасындағы өріс лампыдағы негізгі өріске қарсы бағытталады және анодтық ток азаяды. Торлық теріс кернеу жеткілікті дәрежеде үлкен болғанда, анодтық ток тоқталады, мұндайда лампы «жабық».

Top анодқа қарағаида катодқа әлдеқайда жақын, сондықтан торлық кернеу анодтық токқа анодтық кернеуден анағұрлым күшті эсер етеді.Торлық кернеудің өзгеруі анодтық токқа анодтық кернеудің өзгеруінен неше есе күшті эсер ететінін көрсететін шама триодтың күшейту коэффициенті деп аталады.

Күшейту коэффициенті мына формуламен анықталады:

Күшейту коэффициенті |і=10 болсын. Анодтық кернеуді Д[/а = 20 в өзгерттік. Сонда анодтық ток өзгереді. Ал анодтық токтың мұндай өзгеруін, анодтық кернеуді өзгертпей-ақ, торлық кернеуді не бары:

шамасына өзгертіп-ақ алуға болады екен.

Сонда, торлық кернеуді аз ғана өзгертіп, анодтык токты әлдеқайда кең аумақта басқаруға болады деген қорытындыға келеміз. Анодтық токтың осы қасиеті электрондық күшейткіштерде қолданылады да, оның үш электродты лампы торының оң потенциалында артатындығы пайдаланылмайды (бір айта кететін жай, алда біз күшейткіште лампының кері торлык, кернеуде, торлық токсыз жұмыс істейтінін қарастырамыз).

71. Лампының анодтық тогының анодтық кернеу өзгермеген кезде торлық кернеудің өзгеруіне тәуелділігінің графигі 36,а-суретте көрсетілген. Бұл график анодторлық характеристика деп аталады:

(19)

Характеристиканың төменгі имегі катод айналасындағы электрондық атмосфераның теріс өрісінің әсерінен электрондардың тежелуін көрсетеді, жоғарғы имек және торлық кернеу өскендегі токтың одан әрі артуы Шотки эффектісімен тұсіндіріледі. Анодтық кернеудің түрліше тағайындалған кернеулерінде алынған анод-торлық характеристикалар 36,6-суреттегідей характеристикалар тобын (үйірін) құрайды. Анодтық кернеу неғұрлым жоғары болса, оның катод шығаратын электрондарға тигізетін әсері де соғұрлым күштірек болады да, характеристиканың кескіні де соншалықты тік (жоғары) өрлейді.

72. Торлық кернеу өзгермей, ал анодтық кернеу өзгерген кезде алынған характеристика анодтық характеристика деп аталады (36,6-сурет). 36,6-суретте торлык, кернеудің әр түрлі мәндерінде алынған анодтық характеристикалар тобы (үйірі) керсетілген. Характеристикалар электрондық аппаратураларды есеп-қисаптағанда және конструкциялағанда қолданылады.



14. Газдағы электр разряды

73. Иондық приборлардың баллондары сынап буымен немесе сиретілген инертті газдармен — неонмен криптонмен, ксенонмен, аргонмен — толтырылады. Ьұл газдар прибордың электродтарымен химиялық өз ара әрекеттеспейді.

74. Қалыпты жағдайда кез келген газ іс жүзінде бейтарап атомдар мен молекулалардан тұрады сондықтан да олар диэлектрик. Егер иондайтын болсақ, онда олар өткізгішке айналады. Газдағы электр тогы газдық разряд деп аталады. Егер газдың иондануы сыртқы ионизатордың қыз-дыру, термоэлектрондық эмиссия, радиоактивті сәулеленуәрекеті есебінен пайда болса, онда разряд тә-уелді деп аталады. Егер сыртқы ионизатордың әрекеті тоқтағаннан кейін электр разряды тек электр өрісінің әсершен ғана журетін болса, онда ол дербес болып табылады.

75. Иондық прибордың катоды мен аноды арасындағы кеңістіктегі электрондардың қозғалысы прибор ішіндегі газ атомдарымен және молекулаларымен жиі соқтығысу жағдайында өтеді. Ол соқтығысулар серпімді де, серпімсіз де болуы мүмкін. Серпімді соқтығысулар электрондар жылдамдығы онда шапшаң болмағанда байқалады. Бұл соқтығысулар нәтижесінде соқтығысатын бөлшектер жылдамдықтарының шамасы мен бағыты ғана өзгереді. Серпімсіз соқтығысулар электрондардың жылдамдығы аса зор болғанда орын алады. Электронный, газ атомымен серпімсіз соқтығысуы кезінде атомның қозуы немесе иондануы мүмкін (электронный, кинетикалық энергиясының шамасына қарай). өптеген атомдар қозған күйде өте аз уақыт қана (10""8 сек шамасында) болады да, одан кейін олар кванттар (фотондар) түрінде босаған энергияны шы-ғара отырып, қалыпты күйге келеді. Бірақ қейбір атомдар қозған күйде ұзағырақ уақыт (10*3 — — Ю-1 сек) болуы мүмкін; мұндай күй метастабильді деп аталады. Қозған атомның иондануы сатылы деп аталады. Атап айтқанда, метастабильді атомдардың болуы сатылы ионданудың ықтималдығын арттырады. Бұрынырақ айтып кеткеніміздей, теріс иондардың да түзілуі мүмкін. Иондық приборда ионданған газ газ разрядты плазма деп аталады. Плазмадағы бөлшектер ретсіз жылулық қозғалыс жасайды. Плазмада электр өрісін туғызатын болсақ, онда оң бөлшектердің өріс бағытымен, ал теріс бөлшектердіқ өріске қарсы реттелген орын ауыстыруы басталады. Алайда жылулық қозғалыс реттелгенге қарағанда басым келеді.

Плазмада ионданумен қатар атомдардың нейтралданып, қайта қалпына келу процесі, яғни рекомбинациялануы жүреді. Бұл процесс иондану процесі кезінде жұтқан энергияны фотондар түрінде шығарумен қат-қабат жүреді. Сондықтан газ жарқырайды (неон — қызғылт-қызыл, аргон — күлгін, сынап буы — көк түсті).

76. Соқтығысу арқылы иондану үшін газ бөлшек-терінің жеткілікті шамада кинетикалық энергиясы болуы керек. Зарядталған бөлшектердің электр өрі-сінде кинетикалық энергиясы мынадай болады:

77. Газдың иондануының интенсивтігі артқан сайын оның электр өткізгіштігі күшті артады, сонда иондық прибордың кедергісі соншалықты азаяды, тіпті қоректендіретін ток көзінің қысқа тұйықталып қалуы да мүмкін. Сондықтан газ разрядты приборлар тізбекке арнаулы шектеуші (балластық) резистор мен тізбектеле қосылады.

78. Физика курсында біз электр разрядтарының мынадай түрлерімен таныстық: күңгірт (баяу), солғын, доғалық, ұшқынды, тажды. Иондық приборларда негізінен солғын және доғалық разрядтар пайдаланылады.

5. Солғын разряд

79. Солғын разряд — дербес разряд болып табылады. Оны ішінде едәуір сиретілген газы бар шыны түтіктерден байқауға болады. Түтіктің жоғары кернеу түсірілген екі электроды — аноды мен катоды болады (37-сурет).

Разрядтың құрылымының егжей-тегжейін сөз етпей, оның мынадай негізгі екі бөлігін: катодқа тікелей жанасып тұрған — катодтың қараңғы кеңістігін және разрядтың оң бағаны делінетін жарқыраған газ бағаның бөліп алуға болады. Газдың белгілі бір қысымында оң баған жеке-жеке қатпарларға ыдырауы мүмкін, жарқылдың түсі газдың тегіне байланысты болады. Тәжірибелер түтікке берілген кернеудің негізгі бөлігі катодтық кеңістік аймағына келетінін көрсетеді. Потенциалдың катодта кемуі солғын разрядтың ен. маңызды белгісі болып табылады. Бұл катодтық кемудің маңызы мынада: потенциалдар айырымының көп болуы арқасында газдың он, иондары катод кеңістігінде зор жылдамдық, едәуір кинетикалық энергия алады. Сөйтіп, оң иондар катодты атқылайды да, одан электрондарды жұлып шығарады (екінші реттік эмиссия). Бұл электрондар анодқа қарай ұшады да, он, бағанда газ атомдарымен соқтығысып, оларды иондайды. Сонымен, солғын разрядта электронды-ионды плазма соқтығысу арқылы иондану және он, иондардың катодтан электрондарды жұлып шығару процестерінің нәтижесінде пайда болады. Эмиссияны арттыру үшін катодтарды активтендіреді. Иондық приборларда электр тогы іс жүзінде электрондардың қозғалуы болып табылады, онда иондық ток өте мардымсыз. Әңгіме мынада, бір электронынан айрылған атомға, яғни ионға, электр ерісінде электронға қандай күш эсер етсе (шама жағынан), оған да сондай күш эсер етеді: