Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 18
Текст из файла (страница 18)
электронный поток, выходящий из замсдлщощей 'заноз мы, становится промодулированным по плотности. центром сгустков электронов Новятся электроны типа ), Часть!. Вакуумная и плазменная электроника 92 З.7. Детектирование и преобразование энергии электронного потока З.7.1. Наведение тока при движении электронов в вакууме Вопрос о связи между движением зарядов в вакууме в анод-катодном пространстве и током, протекающим во внешней цепи диода, является принципиальным и лежит в основе физики работы электровакуумных приборов.
рассмсп.рим плоский вакуумный диод, на электроды которого подано напряжение Г. При отсутствии зарядов в диоде на обкладках конденсатора имеются поверхностные заряды н-Оо и -~о. Волн шна заряда определяется по теории Гаусса: поток вектора электрической инлукции В, проходящий через замкнутую поверхность 5, пропорционален полному свободному заряду Ькн заключенному внутри обьема Рн охватываемого этой поверхностью Я. ~Й2у = 4лД = 4л~рзУв, э н где р — объемная плотность свободного заряда.
Итак, величина поверхностного заряда определяется как: г3.63) О = со ЕоЬ', и где Е = — — - напряженность поля внутри диода, 5 —. площадь электродных пластин. о Согласно закону электростатической индукции при внесении в зазор между электродами заряда 9 наводятся поверхностные заряды -9, и у во ) рис.
3.27, а). Величина наведенных зарядов определяется уравнением сохранения зарядов; (З.б4) о7 — 9 — Уз =О. в) в) Рнс. З.ят. Наведение тока вс внешней цепи движущимся зарядом 3 Вакуумная электРоника н точечный заряд распределить в заряд в виде тонкого слоя, то характер электрическог кого поля внутри зазора изменится и судет иметь вид. Изооражен ый а рис 3 27, б. ))апряженности поля в зазоре слева и справа определяются соотношением: ,+Ц -7 Е -Й-7 (3.65) г.„Е сЕ решая это уравнение совместно с (3,64), имеем: х х <Ь=й — гй--Ч~1 — — 1. г77 Отсюда следует, что полные мгновенные заряды на каждой из пластин равны: (3.66) Полный мгновенный ток, регистрируемый во внешней цепи при движении заряда в зазо- ре, определяется величиной: туЯ Щ ЫК 4 сй Й Н Й Тогда ЙЪ л Й г7 где г де т — скорость рассматриваемого заряда.
Полн - ный ток включает в себя две компоненты: ~ф о " . = — — компонента емкостного тока и Й т г7 Нх Н! — — компонента наведенного тока. Величи чина наведенного тока определяется выражением: я с' (3.67) 3накн в эз их уравнениях обусловлены направлением электрических силовых линий по отношению к электРодам. Поскольку к лиоду пРиложено напряжение П, то Е,х+Е,(г7 — х)=П= Е„т, глох--текушая координата заряженного слоя (рис.
3.27, а). Подставив выражения для Ен Ен Ес через соответствуюшие заряды, получим: д. (гу — х) — д,х = 0 . Часть б Вакуумная и плазменная электроника 94 (3.68) При прохождении пучка с модулированным по птютности зарядом, например по гармони- ческому закону р = рс -ь р, Ипот, наведенный ток бузет иметь вид: СЗГ1' 5'Ш вЂ”. 2г~ ип он, <сН 2(о (3.69) сто' где Р' — скорость потока, г( — зазор, — =9 — угол пролета электронов через зазор. 2У'с . е 5!П— 2 Введем обозначение,М = =.
Тогда 0 2 (3.70) 1„„„=,У, еда„,51псзг,, где М вЂ” коэффициент взаилюдейсгвия. 3.7.2. Отбор энергии от электронного потока Основным назначением электровакуумных СВЧ-приборов является преобразование энер- 1.ии постоянного тока в высокочастотную энергию поля.
Рассмотрим некоторыс процессы детектирования электронного потока в приборах энергетического типа. Наведенный ток, проходя по внешнему сопротивлению к, создает на нем падение напра жения соответствующей полярности (рис. 3.28). Электрод, по направлению к которомУ лвигается электрон, оказывается под отрицательным потенциалом.
В момент прохождения электрона создается тормозящее электрическое поле. Кинетическая энергия электрона уменьшается, в результате чего кинетическая энергия электрона при выходе из зазора меньше, чем на входе. Разность между этими значениями кинетиче ской энергии электрона равна энергии, отданной во внешнюю цель и рассеянной на со' противлении. Оставшаяся кинетическая энергия электрона рассеивается на других алек тродах (например. на коллекторе).
Наибольшая величина наведенного тока достигаешься при каллинеарности векторов 6 р. Поэтому для полного отбора энергии электроны должны двигаться вдоль силовь' 15 линий электрического поля. Таким образом, энергия электронов передается во внешнюю цель в процессе нх движси" ия в пролольном тормозящем электрическом поле. Следовательно, возмо.кно разделени и" функций элеи родов.
Одни могут выполнять роль отбора энергии н перслачу ее во внеп1 нюю цепь, а другие -- роль сбора "отработанных" электронов. где г — скорость движения заряла в зазоре диода. Это уравнение получило название уравнение Рано. В общем случае, когда движутся л зарядов, наведенные токи от всех зарядов суммиру- ются: В Вакуумная электроника в) бГ Рис.
Згйв. Схема отбора энергии из электронного потока в — в низкочастотном диапазоне нв рвзистивной нагрузке; б — в высокочастотном диапазоне на согласованной линии В области сверхвысокочастотных колебаний в качестве активного сопротивления используется полый резонатор, сопротивление которого равно обратной величине активной эквивалентной проводимости. Поэтому вполне естественно использовать конструкцию, сочетающую зазор, пересекаемый электронным потоком и полый резонатор с петлей связи для вывода энергии.
Максимальный отбор энергии от электронного потока постигается в случае равенства резонансной частоты и частоты следования электронов или их сгустков. Однако отбор энергии с помощью резонаторов связан с частотной селектнвносгью или узкополосностью резонатора. Для расширения рабочей полосы нужно увеличить связь с нагрузкой. С этой целью используются различные замелляющне системы, например, система сеток, либо спиралей, гребенок и т.
п. Злектронггые сгустки должны проходить каждый зазор в одной и той же фазе в момент максимального тормозящего поля. это означает, что фазовая скорость волны Рй, бегущей по линии, соединяющей зазоры, должна быть равна скорости электронного потока Гэ. Перелача энергии от электронов полю бегущей волны может происходить на большом промежутке замедляющей системы и носит непрерывный характер.
Приооры, реализованные на замедляющих системах, называются приборами с длительным взаимолействием и электронов с электромагнитным полем. П Ревеля системное изучение процессов, связанных с прохождением электронного потока в ва ~~~ууме, с его взаимодействием с веществом детектора или отбором энергии из потока, мож ожно приступать к изу'чению приборов вакуумной электроники. 3.7, 7 З.
Процессы взаимодействия электронов С Веществом детектора Вне ергия электронного потока в любом из известных типов элекгровакуумных приборах пбяза зательно преобразуется либо в информационный си~лап, либо в электромагнитную энергию. Часть!. Вакуумная и плазменная электроника 9б В информационных приборах электронный по~ок несет, прежде всего, информационные сигналы, которые необходилэо расшифровать.
3ти сигналы в дальнейшем можно использовать в усилительных или преобразовательных устройствах, а также можно визуализировать. В любом случае необходимо преобразовать электронный поток в последовательность информационных сигналов. Энергия электронного потока преобразуется в энергию, улобную для конкретного практического использования. Рассмотрим варианты преобразования энергци электронного пучка с целью получения информационного сигнала в процессе взаимодействия. Все зти процессы лежат в области взаимодействия излучения с конденсированными средами (рис.
3.29). 3" Рис. 3.29. Процессы взаимодействия электронов с веществом детектора Каяюдолюминесцевция — это люминесценция, возникщощая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных во внешнем электронном поле. Существует несколько механизмов люминесценции. При возбуждении атомов они пере ходят нз основного уровня Е, на возбужденный уровень Е,. В результате взаимодействия с окружающими атомами часть энергии теряется, и возбужденные атомы перехолят нв метастабильный уровень Еь Излучательный переход с уровня Е, позволяет получи~ь нз лученне, люминесцентная частота которой определяется соотношением (Еэ — Е,)="' (рис.
3,30). Между зоной проводимости н валентной зоной находятся локальные уровни энерги' ия связанные атомами примесей или дефектами решетки. Если переходы между таки" уровнями сопровождаются люминссцснцией, то эти центры называются центрами злом' ' и' несценции. Более сложный механизм люминесценции имеет место в кристаллофосфорах, структУР э которых изображена на рис. 3.3 Е 3. Вакуумная электроника Рис. 3.30. Схема квантовых переходое при элементарных прОцессах люминесценции Рис. 3.31, Схема лереходое при люминесценции крисгаллофосфорае: Е« — еапентная зона; Ес — зона проводимости; Е» — уровни центра люминесценции, Е» — ловушка электронов; Е» — уровень беэыэлучательной рекомбинации Электронный удар переводит электрон из валентиой зоны Ег в зону проводимости Ег, Существуют уровни, характерные для каждого вещества, переход между которыми приводит к явлению люминесценции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
