Малая интегральная чувствительность фотоэлементов не позволяет эффективно осуществлять регистрацию слабых потоков лучистой энергии без последующего усиления напряжения, получаемого на выходе фотоэлемента. Для этой цели применялись электронные усилители.
Внешние усилители не нужны для фотоприборов с внутренним усилением фотопотока, использующих явление вторичной эмиссии. Электровакуумный прибор, в котором фототок катода усиливается с помощью вторичной эмиссии дополнительных электронов с динодов, называется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Фотоэлектронные умножители были созданы в 1934 г. советским ученым Л.А. Кубецким.
В зависимости от назначения и предъявляемых требований используют одно- и многоступенчатые ФЭУ.
Одноступенчатые ФЭУ имеют однократное усиление и служат для сравнительно небольшого усиления фототока. По конструкции одноступенчатые ФЭУ аналогичны вакуумным фотоэлементам и имеют фотокатод (в котором возникает эмиссия электронов за счет энергии падающего на него света), анод и дополнительный электрод — эмиттер (или динод), создающий усиленный вторичный ток. Диноды имеют большой коэффициент вторичной эмиссии δ > 1. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла колбы, а анодом служит никелиевое кольцо, расположенное перед последним динодом.
Рис. 28.3. Устройство, схема включения и работа многоступенчатого фотоэлектронного умножителя (ФЭУ): 1 — фотокатод; 2 — фокусирующая система; 3 — диноды; 4 — анод
Для получения большого усиления тока в конструкции ФЭУ имеется несколько динодов (многоступенчатая конструкция ФЭУ). Многоступенчатые ФЭУ имеют, кроме катода, анода и умножительной системы динодов, фокусирующую электронно-оптическую систему ФС (рис. 28.3 ). Таким образом, фотоумножители состоят из двух конструктивных частей — электронно-оптической системы входной камеры и динодной системы.
Для создания ускоряющего поля между динодом, катодом и анодом включено напряжение через делитель напряжения (схема включения показана на рис. 28.3). На каждый последующий динод с делителя напряжения подается положительный потенциал больше, чем на предыдущий, в результате создается ускоряющая разность потенциалов между электродами.
Световой поток, попадая на полупрозрачный фотокатод, выбивает из фотокатода электроны (внешний фотоэффект), вызывая фотоэмиссию электронов, пропорциональную падающему световому потоку. Поток первичных электронов с фотокатода, сфокусированный электронной системой (ФС), под действием приложенного с делителя напряжения попадает на динод Д1 и выбивает с него вторичный поток электронов. Вторичные электроны с динода Д1 ускоряются еще большим потенциалом динода Д2 и попадают на него, вызывая новый поток вторичных электронов. Этот процесс повторяется на всех последующих динодах. С последнего динода усиленный поток электронов поступает на анод, создавая анодный ток IА. Так как каждый последующий динод имеет более высокий потенциал, чем предыдущий, а анод — самый высокий, число электронов, летящих к аноду, непрерывно увеличивается и ток анода становится во много раз больше тока фотокатода (в 106 и более раз). Это позволяет измерять очень малые световые потоки (вплоть до 10-5 лм). Абсолютное значение выходного тока фотоумножителя не может превышать 1—2 мА из-за возможной перегрузки, приводящей к переутомлению и разрушению эмиссионной поверхности ближайших к аноду динодов. Выходной ток зависит от анодного напряжения. Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (до 1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ.
Ионные приборы
Ионными (или газоразрядными) приборами называют электровакуумные приборы, электропроводность которых обусловлена электронами и ионами при электрическом разряде в газовой среде. Баллоны этих приборов наполняют инертными газами, водородом или парами ртути.
Как правило, газ в этих приборах находится под низким давлением. Электрический разряд в газе — это совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через газ (или пар). При таком разряде происходит несколько основных процессов: возбуждение атомов, ионизация атомов и рекомбинация электронов.
Возбуждение атомов. Если в какой-либо газовой среде имеются свободные электроны, то они при своем движении неизбежно сталкиваются с атомами или молекулами газа. В результате этих столкновений может быть нарушена устойчивость системы атома или молекулы. При возбуждении атома под ударами электрона один или несколько электронов атома переходят на более удаленную от ядра орбиту, т.е. на более высокий энергетический уровень, не нарушая электронейтральности атома. Такое возбужденное состояние атома длится недолго, обычно 10-7—10-9с, после чего электрон возвращается на свою нормальную орбиту и при этом отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуждении от ударившего его электрона. Излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра.
Для того чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определенную энергию, так называемую энергию возбуждения, например за счет напряжения возбуждения Ud.
Ионизация атома (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона больше той энергии, которой достаточно для возбуждения. Если ударяющий электрон обладает достаточным запасом кинетической энергии, то может произойти отрыв электрона и вместо нейтрального атома образуется положительный ион и свободный электрон. При соударении с нейтральным атомом электрона, имеющего малую кинетическую энергию, может произойти сцепление электрона с нейтральным атомом. В этом случае будет образован отрицательный ион. Вероятность образования отрицательных ионов зависит не только от скорости ударяющего электрона, но и от природы газа.
Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации — воссоединение ионов и электронов в нейтральные атомы. Положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединяться, образуя нейтральный атом.
Поскольку на ионизацию затрачивается энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после ионизации, имеют в сумме энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается выделением лучистой энергии. Обычно при этом наблюдается свечение газа.
В зависимости от степени ионизации газа, приложенного напряжения и тока, протекающего через него, различают следующие виды разрядов: темный (тихий), тлеющий, дуговой, искровой, высокочастотный, коронный.
Если разряд поддерживается внешним ионизатором (например, термоэлектронная эмиссия накаливаемого катода, лучи света, радиоактивное излучение и т.д.), то разряд называют несамостоятельным. Если разряд существует без воздействия первоначального ионизатора, то такой разряд называют самостоятельным.
Различные виды газового разряда можно проследить, изучая работу ионного прибора — его вольт-амперную зависимость, т.е. по вольт-амперной характеристике в двухэлектродном приборе с холодным катодом по схеме, показанной на рис. 28.4.
Если к электродам приложить небольшое напряжение Ua (несколько вольт), то через прибор потечет ток, обусловленный начальной ионизацией (космическими лучами, радиоактивным фоном Земли и т.д. — участок ОА).
С увеличением напряжения Ua ток возрастает и достигает насыщения (участок АБ). При дальнейшем увеличении напряжения Ua происходит увеличение кинетической энергии электронов. Происходит ударная ионизация атомов газа электронами, ток увеличивается (участок БВ). В этом случае происходит газовый разряд, который называется «тихим», несамостоятельным, разрядом. Данный разряд применяется в газонаполненных фотоэлементах для умножения тока начальной ионизации, создаваемого за счет фотоэлектронной эмиссии катода. Свечение газа незаметно. Этот вид разряда предшествует другим видам разряда.
При дальнейшем увеличении тока положительные ионы из-за меньшей подвижности скапливаются в междуэлектродном промежутке и изменяют распределение потенциала между электродами и электрическое поле так, что почти все падение напряжения в приборе оказывается сосредоточенным вблизи катода. Положительные газового разряда ионы, ускоряемые полем у катода, приобретают энергию, достаточную для выбивания электронов из катода.
Рис. 28.4. Исследование газового разряда: а — схема для снятия вольт-амперной характеристики газоразрядного прибора; б — вольт-амперная характеристика
Когда число ионов, попадающих на катод, и их энергии оказываются достаточными для того, чтобы вновь выбитые ими из катода электроны могли поддержать разряд без участия внешнего ионизатора, устанавливается самостоятельный разряд. Характер самостоятельного разряда зависит от ограничительного резистора в схеме (R) и конструкции электродов. При большом сопротивлении R (около 1 МОм) и малой площади поверхности электрода возникает тихий самостоятельный разряд (участок ВГ) или его разновидность — коронный разряд.
Коронный разряд является самостоятельным и происходит в газовой среде с высоким давлением (порядка атмосферного и выше) и возле электродов с малой поверхностью (заостренные) электроды. Повышение тока и напряжения переводит коронный разряд в тлеющий или искровой разряд.
Если R = 10—100 кОм, участок ВГ отсутствует (тихий самостоятельный разряд не возникает), и сразу устанавливается нормальный тлеющий разряд (участок ДЕ). Тогда напряжение на приборе составляет 60—150 В при токах от единиц до десятков миллиампер. Переходная область (участок ГД) — это переходной процесс от тихого разряда к тлеющему, когда происходит нарастание объемного заряда возле катода.
Тлеющий разряд получил название по характеру свечения — только вблизи поверхности катода. Цвет свечения зависит от рода выбранного газа. Катодное тлеющее свечение используется в цифровых и знаковых индикаторах.
Характерной особенностью коронного и нормального тлеющего разрядов является постоянство падения напряжения на приборе при увеличении силы тока. Это свойство разрядов используется в опорных стабилитронах для стабилизации напряжения.
С увеличением напряжения сила тока увеличивается и свечение покрывает всю поверхность катода. В этом случае увеличение тока становится возможным только за счет увеличения энергии ионов. Поэтому падение напряжения в приборе начинает возрастать. Такой разряд называется аномальным тлеющим разрядом (участок ЕЖ). Этот вид разряда используется в газосветных лампах, применяемых в качестве модуляторов света. Изменяя подводимое напряжение или разрядный ток через лампу как управляющий сигнал, можно изменять яркость свечения. На этом принципе основано применение неоновых ламп в фототелеграфии, при записи звука в кино и т.п.
Дальнейшее повышение тока за счет уменьшения R или увеличения Ua может привести к тому, что после точки Ж аномальный тлеющий разряд скачком перейдет в самостоятельный дуговой разряд.
Самостоятельный дуговой разряд характеризуется большими токами (до сотен ампер) и малыми падениями напряжения на приборе (10—30 В). Эмиссия электронов с катода при дуговом разряде происходит за счет создания вблизи катода сильного электрического поля, образованного ионами газа. Такой вид эмиссии называется автоэлектронной эмиссией и возникает, если материал катода легко испаряется при нагреве (ртутные выпрямители, где катодом служит жидкая ртуть).
Эмиссия электронов с катода при дуговом разряде может возникнуть и за счет разогрева катода, тогда она называется термоэлектронной эмиссией.
В ионных приборах с накаливаемым катодом (т.е. существует искусственный внешний ионизирующий фактор в виде нагретого катода) возникает и несамостоятельный дуговой разряд. Применяется такой разряд в тиратронах и газотронах.
Искровой разряд подобен дуговому и представляет собой кратковременный (импульсный) электрический разряд.
Рассмотренные процессы в газоразрядных (ионных) приборах позволяют сделать вывод о широком использовании этих приборов в различных электронных устройствах.
Стабилитроны. Стабилитроны — это двухэлектродные приборы с самостоятельным тлеющим разрядом. Используются для стабилизации напряжения. Конструктивно (рис. 28.5) стабилитрон состоит из стеклянного баллона 7, наполненного смесью инертных газов (Аг + Ne (аргон + неон) или Аг + Не (аргон + гелий). В баллоне находится цилиндрический катод 2, выполненный из никеля или стали, внутри которого помещен анод 3, выполненный из проволоки, свитой в виде цилиндра. Внутреннюю поверхность катода покрывают тонким слоем бария, калия или цезия для уменьшения работы выхода электронов. К краю катода приваривают поджигающий стержень 4. Он способствует снижению напряжения зажигания. Вначале тлеющий разряд возникает между поджигающим стержнем и анодом, а затем, по мере увеличения концентрации ионов в баллоне, переходит на поверхность катода.
Рис. 28.5. Конструкция газонаполненного стабилитрона: 1 — баллон; 2 — катод; 3 — анод; 4 — стержень
Включение стабилитрона в схемах показано на рис. 28.6, а. Последовательно со стабилитроном включают ограничительный резистор (балластный) Rб, ограничивающий ток тлеющего разряда и препятствующий возникновению электрической дуги (дуговой разряд). Ограничительный резистор R6 также служит для гашения напряжения при стабильном напряжении на стабилитроне (U CT), т.е. для выполнения условия UBX = UCT + ΔURб, как в схеме полупроводникового стабилитрона. Резистор RH включается параллельно стабилитрону.
Рис. 28.6. Схема включения (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)
Стабилитрон используется в режиме нормального тлеющего разряда, который характеризуется стабильностью напряжения между электродами при изменении тока через прибор от ICTmin до ICTmах (рис. 28.6, б).
Газоразрядные стабилитроны по сравнению с полупроводниковыми обеспечивают более высокую температурную стабильность работы, но механически менее прочны, громоздки, имеют меньшие токи стабилизированного напряжения. Запрещается использовать их в цепях переменного напряжения и изменять полярность входного напряжения.
Неоновые лампы. Неоновые лампы — простейшие двухэлектродные приборы, в которых для более интенсивного свечения используется аномальный тлеющий разряд. Применяются для световой индикации (сигнальные), свидетельствующей о наличии напряжения в электрической цепи, и для определения электромагнитного поля высокой частоты.
Конструктивно лампы выполняются с симметричной или несимметричной формой электродов, помещенных в стеклянный баллон. Баллон наполняют неоново-гелиевой смесью с небольшой примесью аргона, дающей при разряде оранжево-красное свечение, которое хорошо заметно для глаза человека. Катоды имеют большую поверхность в основном в виде дисков и активируются. Для получения свечения другого цвета (желтого, голубого, зеленого и т.д.) на внутреннюю поверхность баллона лампы наносят слой цветного люминофора. Такие разновидности неоновых (сигнальных) ламп называются сигнальными люминесцентными лампами.
При симметричной конструкции электродов, выполненных в форме дисков, стержней (рис. 28.7, а, б), полярность включения не соблюдается, а при несимметричной конструкции, например анод в виде кольца, а катод в виде диска (рис. 28.7, в), отрицательный потенциал подают на электрод с большей площадью поверхности (катод).
Неоновые лампы с симметричной конструкцией электродов применяют в цепях переменного тока, а с несимметричной — в цепях постоянного тока.
Рис. 28.7. Внешний вид неоновых ламп: а — симметричной конструкции; б — несимметричной конструкции (миниатюрные); в — указатели высокого напряжения и электромагнитного поля высокой частоты
Тиратроны. Тиратрон с холодным катодом — прибор тлеющего разряда, где, кроме анода и катода, имеется один или два управляющих электрода (сетки). Назначение этих электродов — управлять моментом зажигания разряда. Управляющее действие сетки прекращается после зажигания тиратрона. Чтобы погасить разряд, необходимо уменьшить напряжение на аноде так, чтобы оно было ниже напряжения поддержания основного разряда.
Рис. 28.8. Устройство тиратрона с холодным катодом: 1 — катод; 2 — анод; 3 — управляющая сетка; 4 — баллон
Конструктивно тиратроны тлеющего разряда выполнены в виде миниатюрной микроэлектродной лампы (рис. 28.8) со стеклянным баллоном и, как правило, гибкими выводами. Внутри баллона находится цилиндрический никелевый катод 1 и стержневой молибденовый анод 2. Между анодом и катодом имеется проволочное кольцо или цилиндр из никеля, выполняющие задачу управляющей сетки 3. Стеклянный баллон 4 заполнен неоном с небольшой добавкой аргона.
Основными параметрами тиратрона тлеющего разряда являются: время запаздывания возникновения разряда после включения напряжения; сеточный ток зажигания; падение напряжения на аноде- катоде и сетке—катоде; время восстановления рабочего напряжения анода.
Тиратроны тлеющего разряда применяются в схемах формирователей импульсов, в релейных схемах для счета импульсов.
Разрядники. Защитные разрядники применяются для защиты линий проводной связи и аппаратуры железнодорожного транспорта от перенапряжений, которые могут индуктироваться в проводах этих линий при грозовых разрядах или аварийных режимах в соседних линиях электропередачи. Разрядник представляет собой двухэлектродный прибор, наполненный аргоном или водородом при давлении 4—8 кПа.
Различают разрядники с плоскими алюминиевыми электродами типа РА (рис. 28.9, а), расположенными на расстоянии 2-3 мм друг от друга, и с шаровыми из ванадия типа РБ (рис. 28.9, б), активированными барием. Разрядники типа РА — маломощные. Разрядники включают на вводах в технические здания между каждым проводом линии связи и землей параллельно защищаемому объекту (рис. 28.9, в).
Рис. 28.9. Устройство разрядников: а — типа РА; б — типа РБ и схема включения разрядников (в)
При номинальных напряжениях в линиях, не превышающих 250 В (меньше напряжения зажигания), разрядники обладают высоким сопротивлением изоляции и ток не проводят. Когда в проводах линии возникают повышенные напряжения, в разряднике (под действием электрического поля) возбуждается тлеющий разряд, который затем, по мере увеличения напряжения, быстро перерастает в дуговой разряд. С возникновением дугового разряда сопротивление разрядника снижается до единиц-сотен Ом и через разрядник в землю проходит большой ток, вследствие чего напряжение на электродах, следовательно, и на проводах защищаемой линии снижается до безопасного (10—30 В) значения.