Вторичной электронной эмиссией называется явление, при котором поверхность твердого тела, находящегося в вакууме и подвергающегося бомбардировке первичными электронами, сама начинает испускать электроны. Эти электроны и называются вторичными.
Основное применение этот эффект нашёл в различных фотоэлектронных
умножителях и прочих подобных приборах, однако были и классические приёмно-усилительные
лампы, использующие его. Первые приборы этого типа были разработаны за рубежом в 1935 году,
они были сложны в производстве, неустойчивы по параметрам и требовали высоких напряжений
на электродах. Со временем эти проблемы были в некоторой степени устранены, в том числе
и в СССР, где выпуск таких ламп начался уже в 50-х годах.
Преимущества такой технологии казались весьма весомыми;
она позволяла создавать лампы со значительно повышенными крутизной и широкополосностью.
К сожалению, оказалось, что таким лампам присущи и неустранимые недостатки.
В первую очередь это увеличение уровня собственных шумов по сравнению с обычными лампами.
Оно вызвано нестабильностью во времени коэффициента вторичной
эмиссии, что приводит к флуктуациям тока вторичных электронов.
К значимым недостаткам ламп со вторичной эмиссией следует также отнести сложность питания динода. Динодный ток имеет направление, обратное анодному току, что требует применения отдельной цепи стабилизации динодного потенциала, либо использования дополнительного выпрямителя питания, соединенного последовательно с анодным.
Еще одной причиной того, что лампы с вторичной эмиссией не нашли широкого применения, является изменение их параметров во время работы. Длительная электронная бомбардировка вторично-эмиссионного слоя динода со временем приводит к его деградации и снижению эмиссии, а, следовательно, и к снижению крутизны анодного и динодного токов.
В итоге, уже к концу 60-х годов интерес к ним практически иссяк. Ныне они встречаются не так уж часто, что привлекает коллекционеров и просто любителей радиоламп; к тому же они довольно эффектны внешне, благодаря ярким динодам красномедных или золотистых оттенков.
Конструкция и принцип действия
Характеристики и параметры
Производство динодов
Образцы ламп
Первичный электронный поток, вылетающий с катода 1 и ускоряемый полями управляющей сетки 2 (если она положительна) и экранирующей сетки 3, попадает на динод 5. Динодом называется электрод, поверхность которого покрыта веществом с коэффициентом вторичной эмиссии >1 (обычно 2...6). Режим работы лампы выбирается таким, чтобы потенциал динода был на несколько десятков вольт ниже потенциала анода 6. Поэтому вторичные электроны попадают в ускоряющее поле анода и движутся к нему. Для предотвращения попадания первичных электронов на анод перед ним поставлены специальные траверсы 4, соединенные с катодом и направляющие первичный электронный поток непосредственно на динод.
С целью получения высоких коэффициентов вторичной эмиссии в качестве материалов для изготовления вторичных эмиттеров применяются активированные сплавы тяжелых металлов (тантал, никель, медь, золото и т. д.) с добавлением 2—5% легких металлов (магний, бериллий и др.). Одним из лучших и наиболее распространенных материалов для изготовления динодов является бериллиевая бронза (содержание бериллия до 2—3%). Так, динод лампы типа 6В2П и первый динод 6В3С изготавливаются из бериллиевой бронзы, а второй динод 6В3С — из магниевой бронзы.
Помимо требования обеспечения высоких коэффициентов вторичной эмиссии материал динода должен сохранять эмиссионные свойства при повышенных температурах и в условиях интенсивной бомбардировки первичными электронами, так как мощности, рассеиваемые динодами, сравнительно велики. На работоспособность динода отрицательно влияют продукты испарения с электродов, и в особенности такие, как металлический барий и никель, имеющие низкий коэффициент вторичной эмиссии.
Условно можно считать, что лампа с вторичной эмиссией состоит из двух частей: пентодной, в которой динод выполняет функцию анода и диодной, образованной анодом и динодом, выполняющим в ней функцию вторичного катода.
В пентодной части протекает первичный катодный ток, в диодной — ток
вторичных электронов. При правильном выборе режима работы лампы все вторичные
электроны, выбитые из динода, достигают анода. Поэтому можно считать, что ток динода
представляет собой разность катодного и анодного токов лампы. Так как в обычном режиме
работы лампы с вторичной эмиссией значение коэффициента вторичной эмиссии
больше единицы, то динодный ток имеет отрицательный знак, что соответствует его направлению от динода
во внешнюю цепь.
Поверхности анодов ламп со вторичной эмиссией малы по сравнению с поверхностями анодов обычных ламп, поэтому допустимые мощности рассеивания на них ограничены. Вместе с тем необходимо отметить, что мощность рассеивания на аноде лампы со вторичной эмиссией, в отличие от обычной лампы, не определяется величиной произведения тока анода на напряжение анода, так как вторичные электроны, из которых преимущественно состоит ток анода, ускоряются сравнительно невысокой (порядка 100 В) разностью потенциалов между анодом и динодом.
При включении в динодную цепь нагрузочного сопротивления Rд (см. рис.) потенциал динода Uд становится выше напряжения источника питания Ед на величину падения напряжения на нагрузке. При увеличении напряжения Ес на управляющей сетке лампы увеличивается динодный ток и потенциал динода; таким образом напряжение, снимаемое с динодной нагрузки, находится в фазе с напряжением на управляющей сетке. В этом заключается первая особенность ламп с вторичной эмиссией, отличающая их от обычных ламп. Эта особенность широко используется при построении схем двухтактных усилителей, фазоинверторов, а также для создания положительной обратной связи между динодом и управляющей сеткой в одноламповых генераторах.
При построении схем генераторов на лампах с вторичной эмиссией часто также используют еще одну их особенность, состоящую в том, что анодный ток лампы в N раз больше катодного. Это позволяет получить генерацию в одноламповой схеме путем создания положительной обратной связи между анодом и катодом.
Большое преимущество ламп с вторичной эмиссией перед обычными лампами заключается также в более высокой широкополосности. Физически коэффициент широкополосности представляет собой произведение коэффициента усиления однолампового усилительного каскада с реостатной нагрузкой на средних частотах (на которых можно не учитывать междуэлектродные емкости лампы) на верхнюю граничною частоту полосы пропускания каскада (т. е. на ту частоту, на которой действие междуэлектродных емкостей приводит к снижению коэффициента усиления на 30%). Знание величины коэффициента широкополосности лампы позволяет судить о ее способности усиливать напряжение высокой частоты.
Умножение катодного тока в лампе с вторичной эмиссией равносильно такому же увеличению анодно-сеточной крутизны по сравнению с обычными лампами. При этом повышение анодно-сеточной крутизны в лампе с вторичной эмиссией не сопровождается увеличением междуэлектродных емкостей (так как расстояния между электродами остаются неизменными), чем и объясняется её более высокая широкополосность. Это важное достоинство ламп с вторичной эмиссией в сочетании с таким их свойством, как наличие двух противофазных выходов (анодного и динодного) позволяет эффективно применять такие лампы при создании широкополосных усилительных схем.
Так как лампа с вторичной эмиссией имеет два выходных электрода, то при рассмотрении характеристик и параметров такой лампы их удобно разбить на три группы.
К первой группе характеристик относятся зависимости анодного тока от напряжений на управляющей сетке и на аноде лампы, ко второй группе — зависимости динодного тока от напряжений на управляющей сетке и на диноде, к третьей группе — зависимости анодного тока от напряжения на диноде и динодного тока от напряжения на аноде.
На рисунке приведены зависимости анодного тока от напряжения на
управляющей сетке при различных напряжениях на диноде. Напряжения на аноде и
экранирующей сетке лампы поддерживаются постоянными.
При достаточно малом напряжении на диноде весь первичный поток электронов, эмиттируемый катодом, достигает анода. Работа лампы в этом случае ничем не отличается от работы обычного пентода.
С увеличением напряжения на диноде все большая часть первичных электронов попадает на динод и выбивает из него вторичные электроны. Вследствие этого увеличиваются анодный ток и крутизна по первой сетке. Это увеличение продолжается до тех пор, пока напряжение на диноде не достигает значения примерно равного половине напряжения на аноде лампы.
Дальнейшее увеличение потенциала динода приводит к уменьшению анодного тока из-за возникновения около динода пространственного заряда. Это происходит потому, что при увеличении потенциала динода разность потенциалов между анодом и динодом уменьшается, т. е. ослабляется действие ускоряющего поля, заставляющего вторичные электроны двигаться к аноду. Часть электронов, не обладающая необходимой энергией, не доходит до анода и образует около динода пространственный заряд. Вновь вылетающие из динода вторичные электроны начинают теперь испытывать отталкивающее действие этого пространственного заряда. В результате анода достигают лишь те электроны, которые обладают энергией, достаточной для преодоления противодействия пространственного заряда; остальные электроны возвращаются на динод. При напряжении на диноде, близком к напряжению на аноде, ток вторичных электронов почти прекращается, и анодный ток резко снижается.
Возникновение пространственного заряда снижает крутизну. Это приводит к перегибу анодно-сеточных характеристик при положительных напряжениях на сетке. При больших напряжениях на диноде этот перегиб наступает раньше. В лампе 6В1П, например, он начинается при напряжениях на сетке близких к 2—3 В.
На рисунке приведены зависимости анодного тока от
анодного напряжения при постоянных напряжениях на диноде и экранирующей сетке.
При анодных напряжениях, значительно меньших динодного, анодный ток практически
отсутствует, так как на вторичные электроны, выбиваемые с динода, ускоряющее поле
анода не действует, и они возвращаются на динод. Небольшой анодный ток появляется
при напряжении анода Ua1 немного меньшим напряжения на диноде. Этот ток обусловлен прямым
попаданием на анод части первичных электронов, вылетающих с катода лампы. При
дальнейшем повышении анодного напряжения вторичные электроны, эмиттируемые динодом,
начинают испытывать действие ускоряющего поля между анодом и динодом, и анодный ток
сильно возрастает.
Такое увеличение анодного тока продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде не достигает значения Ua2, при котором поле анода начинает влиять на поток первичных электронов. Еще большее увеличение анодного напряжения приводит к перераспределению первичного катодного тока между анодом и динодом в сторону уменьшения числа первичных электронов, попадающих на динод. В результате происходит некоторое снижение тока вторичных электронов и, следовательно, перегиб анодных характеристик. Чем меньше отрицательное напряжение на управляющей сетке, тем при меньших анодных напряжениях наступает перегиб характеристик. Внутреннее сопротивление лампы по анодной цепи определяется также, как и для обычных ламп. Произведение крутизны на внутреннее сопротивление называется коэффициентом усиления по анодной цепи.
Рассмотрим зависимость динодного тока от напряжения на
управляющей сетке при различных напряжениях на диноде и постоянных напряжениях
на аноде и экранирующей сетке. Так как за положительное направление динодного тока
условились считать направление его из внешней цепи в динод, то при построении
динодных характеристик на положительной оси токов мы будем откладывать
результирующие значения динодного тока, обусловленные первичным электронным потоком,
а на отрицательной — вторичным электронным потоком.
При небольших напряжениях на диноде Uд1, значительно меньших анодного, тока вторичных электронов нет. Динодный ток, обусловленный лишь первичными электронами, мал, так как большая часть первичного тока перехватывается анодом.
При постепенном увеличении динодного напряжения из динода начинают выбиваться вторичные электроны, и, когда вторичный ток станет больше первичного, ток динода изменит свое направление. Одновременно меняет свой знак и крутизна динодного тока по первой сетке (становится отрицательной). Это означает, что при увеличении напряжения на управляющей сетке увеличивается ток вторичных электронов. При напряжении на диноде Uд2, равном примерно половине анодного, динодный ток достигает максимальной величины. Дальнейшее увеличение напряжения на диноде приводит к ослаблению действия ускоряющего поля анод-динод и к снижению вторичного тока.
При увеличении напряжения на управляющей сетке возрастает плотность электронного потока, и увеличивается плотность пространственного заряда около динода. Это приводит к снижению тока вторичных электронов и к перегибу динодно-сеточных характеристик. При напряжении на диноде Uд3, близком к анодному, ускоряющее поле анод-динод снижается до нуля, вследствие чего вторичные электроны не могут преодолеть отталкивающее действие пространственного заряда и возвращаются обратно на динод. Поэтому динодный ток снова меняет свой знак и величина его определяется только первичным электронным потоком. Крутизна становится положительной.
Обратимся к динатронным характеристикам - зависимостям динодного тока от динодного напряжения при различных напряжениях на управляющей сетке и постоянных напряжениях на аноде и экранирующей сетке.
При малых значениях напряжений на диноде небольшой первичный динодный ток
существует только при положительном напряжении на управляющей сетке, когда плотность
первичного электронного потока достаточно велика. В случае отрицательных напряжений
на управляющей сетке динодный ток при малых значениях напряжений на диноде равен нулю.
С увеличением напряжения на диноде появляется вторичный электронный ток, а следовательно, и отрицательный динодный ток, который заметно увеличивается с увеличением напряжения на диноде вплоть до некоторого значения Uд.макс. Крутизна нарастания динодного тока зависит от напряжения на управляющей сетке. С увеличением отрицательного напряжения на управляющей сетке крутизна нарастания динодного тока в функции от динодного напряжения падает.
Дальнейшее увеличение напряжения на диноде приводит сначала к снижению отрицательного динодного тока, а затем к изменению его знака.
Внутреннее сопротивление динодной цепи лампы определяется как отношение приращения напряжения на диноде к вызванному им приращению динодного тока при постоянных напряжениях на остальных электродах. Как следует из динатронных характеристик, знак сопротивления зависит от режима работы лампы. При Uд меньших Uд.макс положительным приращениям динодного напряжения соответствуют отрицательные приращения тока динода, т. е. сопротивление оказывается отрицательным. При превышении Uд.макс приращения динодного тока, а следовательно, и знак сопротивления становится положительным. Произведение крутизны динодного тока по первой сетке на внутреннее сопротивление динодной цепи с называется коэффициентом усиления по динодной цепи лампы со вторичной эмиссией.
Зависимость анодного тока от динодного напряжения
(см. рис.) похожа на динатронные характеристики, если на них изменить направление
динодного тока. Исключение составляют участки характеристик при напряжениях на диноде
Uд < Uд1 (где динодный ток равен нулю, а анодный обусловлен током первичных электронов)
и при Uд > Uа (где анодный ток снижается до нуля, а динодный меняет свое направление).
Крутизна анодного тока по динодному напряжению определяется как отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на диноде при постоянных напряжениях на остальных электродах лампы и имеет положительное значение при Uд < Uд.макс и отрицательное при Uд > Uд.макс.
Зависимость динодного тока от напряжения на аноде показана
на следующем рисунке.
При напряжениях на аноде, меньших чем напряжение на диноде, тока вторичной эмиссии нет,
и динодный ток имеет положительное направление. Поле анода при этом не оказывает
почти никакого влияния на первичный электронный поток, поэтому в некоторых пределах
характеристика имеет плоский участок.
Как только напряжение на аноде станет соизмеримым с напряжением на диноде, появляется ток вторичной эмиссии, и характеристика динодного тока начинает круто спадать. При некотором значении анодного напряжения Ua0 ток первичных электронов, попадающих на динод, уравнивается током вторичных электронов, покидающих динод, и динодный ток уменьшается до нуля. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к росту отрицательного значения динодного тока. При Ua > Ua1 происходит перераспределение первичного электронного потока между анодом и динодом, вследствие чего дальнейшего роста динодного тока не наблюдается.
Крутизна динодного тока по аноду определяется как отношение приращения динодного тока к приращению напряжения на аноде при постоянных напряжениях на диноде и экранирующей сетке лампы и представляет собой отрицательную величину.
Процесс изготовления динодов сложен и требует тщательного выполнения многочисленных технологических операций.
Исходный материал — лента из бериллиевой бронзы — подвергается отжигу в водороде для придания ему необходимых механических свойств. Прочный слой окиси бериллия удаляется с рабочей поверхности ленты путем полировки. Из подготовленной таким образом ленты вырубаются и формуются диноды. Дальнейшая обработка динодов включает последовательное травление в нескольких растворах и операции промывки.
Жесткие требования предъявляются к условиям хранения динодов; в частности, длительное пребывание их на воздухе приводит к резкому уменьшению коэффициента вторичной эмиссии.
Наиболее ответственной операцией является активировка вторичного эмиттера. Один из эффективных способов активировки динодов, изготовленных из бронзы, состоит в окислении их с помощью газового разряда в атмосфере нейтрального газа с точно дозированной примесью кислорода. Этот процесс производится в собранной лампе, что приводит к окислению других деталей пакета лампы. Последнее обстоятельство является крайне неприятным, так как выделяющийся из деталей в процессе эксплуатации кислород приводит к отравлению термокатода. После окисления динода все другие электроды прогреваются электронной бомбардировкой с целью возможно более полного очищения их от окислов.
В отечественной системе обозначений электровакуумных приборов для ламп со вторичной эмиссией выделена буква "В". Таковых ламп выпускалось всего три типа:
Источники:
1. Мельцер В.Г. Лампы с вторичной эмиссией и их применение.
М.-Л., Издательство "Энергия", 1964 (Массовая радиобиблиотека. Вып. 514).
2. И.Г. Бергельсон, Н.К. Дадерко, Н.В. Пароль, В.М. Петухов. Современные приемно-усилительные лампы. - М., "Советское радио", 1967.
3. Кацман Ю.А. Электронные лампы: Теория, основы расчета и проектирования: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1979.
