Měření Emise Elektronů a Principy Elektronek

Elektronka je předchůdce tranzistoru, který zesiluje signál, stejně jako ho zesilovala elektronka a také ho usměrňovala. Nebudu zde popisovat principy elektronky, to se lze dočíst na většině webů, spíš bych chtěl uvést na světlo zajímavjejší typy elektronek. Každá elektronka musí mít katodu, tu buď přímohžavenou a nebo nepřímohžavenou, rozdíl je, že v přímo-hžavené slouží jako katoda přímo (wolframové) vlákno, no a u nepřímo-hžavené je katoda izolovaná od vlákna.

Jelikož tepelná emise elektronů z wolframu je dosti malá, bývá wolfram potahován oxidy kovů, zvláště baria, vápníku a případně i oxidy vzácných kovů či thoria. Samotné mřížky anoda či katoda jsou zhotoveny většinou ze slitin železa, niklu. V baňce se dociluje dobrého vakuua, kromě odčerpání vzduchu, také substancí alkalických kovů a pod. Toť zatím vše, jednotlivé typy těchto elektronek budu popisovat jindy...

Fotonásobiče

Ing. Miroslav Jedlička, CSc., Česká a Slovenská společnost pro fotoniku uvádí, že fotonásobič - někdy též fotoelektrický násobič - je elektronka, která se uplatňuje hlavně při měření velmi malých hodnot světelných veličin, jako je jas, osvětlení nebo světelný tok. Přestože je to elektronka, tedy elektronická součástka pracující ve vakuu, nachází četná využití i v 21. století, kdy byla většina elektronek dávno nahrazena neevakuovanými součástkami.

Přednosti fotonásobičů vycházejí z jejich tří důležitých vlastností: velká plocha pro příjem světla a elektromagnetického záření z jeho blízkého okolí, velmi rychlá odezva a krátká doba průchodu signálu k výstupu, velký zisk a nízký šum. V oboru záření od ultrafialového, přes viditelné (světlo) až k blízkému infračervenému konkurují fotonásobičům především fotodiody, zejména lavinové, a to jen tam, kde je velikost měřeného záření dostatečná a kde citlivá plocha detektoru nebo celkové rozměry mohou nebo musí být malé.

Princip Funkce Fotonásobiče

Funkční princip fotonásobiče je naznačen na obr. 1: světlo vniká do fotokatody nanesené většinou na vnitřním povrchu čelní skleněné desky elektronky a z jejího opačného povrchu orientovaného do vakua uvolňuje elektrony (tzv. fotoelektrony). Tento proces je znám jako fotoelektrická emise [1]. Emitované fotoelektrony jsou urychleny elektrickým polem mezi fotokatodou a elektrodou, které se říká dynoda, a dopadají na ni s energií dostatečnou k tomu, aby z povrchu dynody byly uvolněny tzv. sekundární elektrony (sekundární elektronová emise).

Čtěte také: Jak správně ohlásit emise kotle?

Dynoda je technologicky upravena tak, aby její emitující povrch měl koeficient sekundární emise (poměr emitovaných elektronů k dopadajícím) větší než jedna. Elektrony emitované z první dynody jsou urychlovány a vedeny na druhou dynodu a pak na další dynody, kde se proces sekundární emise postupně opakuje.

Počet elektronů dopadajících z poslední dynody na anodu mnohonásobně převyšuje počet fotoelektronů. Všechny tyto procesy se odehrávají v evakuovaném prostoru - v baňce elektronky. Celkové napětí mezi fotokatodou a anodou je součtem napětí mezi jednotlivými stupni a jeho velikost bývá 1 až 3 kV. Celkové zesílení fotonásobiče udává veličina M, pro niž platí za zjednodušujících předpokladů (všechny elektrony vystupující z předcházející dynody dopadnou na další a koeficient sekundární emise je u všech dynod stejně velký) vztah:

M = δⁿ (1)

kde δ je součinitel sekundární emise (poměr vystupujících elektronů k dopadajícím), n celkový počet dynod. Jako příklad uvažujme devítidynodový fotonásobič s běžnou velikostí δ = 4,5. Celkové zesílení M bude přibližně 10⁶, což je jistě velká hodnota.

Uspořádání a Druhy Násobicích Systémů

Násobicí systémy bývají uspořádány tak, aby počet sekundárních elektronů vystupujících z předcházející dynody a dopadajících na následující byl co největší a aby se při tom doba průletu jednotlivých elektronů od jednoho stupně k druhému lišila minimálně. Základním problémem konstrukcí násobicích soustav je vytvoření takové konfigurace dynod, aby se dosáhlo vhodného průběhu elektrického pole pro urychlení a případnou fokusaci emitovaných sekundárních elektronů a aby se zároveň omezily nepříznivé podmínky pro dopad primárních elektronů.

Čtěte také: Postupy měření emisí 2T

Ty jsou způsobovány tím, že v blízkosti emitujícího povrchu dynody má elektrické pole takový směr, aby zrychlilo emitované sekundární elektrony na další dynodu; právě to může komplikovat účinný dopad primárních elektronů. Je také třeba zamezit vznik záporného prostorového náboje způsobovaného shlukem elektronů, který by ovlivnil lineárnost mezi osvětlením fotokatody a výstupním proudem násobiče.

Dynody jsou vhodně tvarované a zpracované elektrody z plechu nebo sítěk, na kterých bývají naneseny tenké vrstvy vykazující dostatečnou sekundární emisi. V elektronce bývá osm až čtrnáct i více dynod. Průměrná hodnota koeficientu sekundární emise na dynodách fotoelektrického násobiče δ se pohybuje od 3 do 5. Jako materiály se pro dynody používají různé slitiny, např. AgMg, CuBe a NiAl. Avšak teprve když je jejich povrch opatřen oxidy, jako jsou MgO, BeO a Al₂O₃, nebo alkalickými antimonidy, začnou vykazovat dostatečnou sekundární emisi. Zvlášť nadějně se jeví nanesení GaP aktivovaného ceziem na povrchu dynod.

Fotonásobiče se dělí na fokusované a nefokusované - podle toho, zda jsou či nejsou použita elektrická nebo magnetická pole k fokusaci elektronů na následující elektrodu. Některé příklady různých typů násobicích soustav, jak jsou uvedeny např. v katalogu britské firmy Electron Tubes, jsou v tab. 1 [6].

Zvláštní druh násobicí součástky představuje takzvaný kanálek (obr. 2). Na vnitřním povrchu skleněné trubičky (kanálku) je tenká vrstva PbO nebo v případě kanálkové destičky CsI nebo CuI, která zabezpečuje dostatečně velký koeficient sekundární emise a připojení dostatečně velkého urychlovacího napětí podél vnitřní stěny kanálku. Plošná soustava velkého množství kanálků tvoří kanálkovou destičku, která je znázorněna na obr. 3. Kanálek v destičce má vnější průměr asi 10 μm a délku přibližně 0,5 mm.

Různé Typy Fotonásobičů

Na trhu jsou nabízeny desítky různých verzí fotonásobičů. Jedním z hrubých dělítek je tvar nosiče fotokatody a jeho umístění. Ve většině případů je fotokatoda nanesena na vnitřním povrchu skleněného vstupního okénka, které tvoří čelní desku elektronky. U těch fotonásobičů, kde vstupuje záření do elektronky boční stěnou, jako je tomu u typu 2π v tab. 2, je fotokatoda vytvořena na tenké kovové destičce.

Čtěte také: LPG emise Zlín a Fryšták

Fotokatody jsou tenké polovodičové poloprůhledné vrstvy s vodivostí typu P o tloušťce řádově desítek nanometrů. Vhodnými materiály jsou některé alkalické antimonidy a teluridy nebo GaAs a InGaAs aktivované ceziem, nejstarší používaný materiál má složení Ag-O-Cs. Výroba fotokatody je velmi náročná a probíhá ve vysokém vakuu obvykle přímo v baňce elektronky. Zvláštním druhem fotokatod jsou tzv. fotokatody NEA. Jsou to některé polovodivé vrstvy typu P se speciální úpravou povrchu, která u nich způsobí negativní elektronovou afinitu. Tím se podstatně zmenší jejich fotoelektrická výstupní práce a dosáhne se velké citlivosti [14].

Poloha Fotokatody ve Fotonásobiči

Různé tvary fotonásobičů, určené polohou fotokatody, přehledně uvádí např. katalog britské firmy Electron Tubes [6] (viz tab. 2).

Termoemise

Na rozdíl od samostatného výboje při vzniku katodových paprsků, můžeme ve vakuu vytvořit i výboj nesamostatný. Tomuto procesu říkáme emise elektronů z kovů. Katoda ve výbojové trubici je vyrobena z wolframového vlákna a rozžhavená procházejícím elektrickým proudem. Z vlákna katody se díky termoemisi uvolňují elektrony s velkou rychlostí.

V oblasti mezi katodou a anodou tak vzniká záporný prostorový náboj, který ale zabraňuje vystupování dalších elektronů z katody. Jestliže je napětí mezi katodou a anodou dostatečné, pak převládá elektrické pole mezi katodou a anodou a elektrony vytvoří vodivé spojení. Termoemise se využívá v elektronkách nebo častěji v obrazovkách.

Elektronky

Nejjednodušší elektronkou je dioda, jejíž vzduchoprázdná baňka obsahuje jen katodu a anodu. Používá se jako usměrňovače střídavého proudu na stejnosměrný. První prototyp diody vytvořil Thomas Alva Edison, ale patent na ni obdržel v roce 1904 John Ambrose Fleming. Jednalo se o detektor elektromagnetických vln, který se skládal ze skleněné baňky, z níž byl odčerpán vzduch, a v ní byly dvě elektrody tvořené kovovými plíšky, z nichž jedna později nazvaná katoda, byla zahřívaná. Zahřívaná katoda elektrony vyzařovala, kdežto anoda je přitahovala.

Zesilovače, vysokofrekvenční generátory a detektory elektromagnetických vln obsahují třetí elektrodu - mřížku. Pomocí napětí na mřížce lze velmi dobře regulovat anodový proud. Toto zařízení se jmenuje trioda a v roce 1906 ho nezávisle na sobě vynalezli Američan Lee de Forest a olomoucký továrník Robert V. Lieben.

První katodovou trubici s luminiscenčním stínítkem vynalezl v roce 1897 německý univerzitní profesor Carl Braun. V každém vakuovém zařízení, v němž elektrony nabývají před dopadem na elektrody velkou kinetickou energii (při urychlení napětím větším než 10 kV), vzniká rentgenovo záření objevené v roce 1895 Wilhelmem Röntgenem. K emitování rentgenova záření byla sestrojena speciální elektronka - rentgenka.

Vakuové součástky, které pracují na principu emise elektronů - elektronky, byly v posledních 60 letech masivně nahrazovány polovodičovými součástkami. Princip vakuové emise se i tak ještě do nedávné doby používal pro konstrukci vakuových obrazovek, ale i ty však byly v posledních letech nahrazeny technologií kapalných krystalů a plazmatického zobrazení. Elektronky jsou však stále vyráběné v omezeném množství pro speciální účely, zejména pro konstrukci hudebních zesilovačů, a to kvůli svému nezaměnitelnému zvuku. Na trhu se objevují jak elektronkové zesilovače vysokých výkonů pro hudební skupiny, tak i zesilovače pro běžné použití. V obou případech se ale jedná se o kategorii luxusního a drahého zboží.

Vlastnosti Elektronkových Zesilovačů

Základním stavebním prvkem elektronkových zesilovačů je elektronka, která má schopnost zesilovat střídavý signál. Jedná se o vakuový prvek, který pracuje na principu emise elektronů ve vakuu z přímo nebo nepřímo vyhřívané katody. Elektrony dopadají na anodu a jejich tok je řízen systémem kovových mřížek umístěných mezi anodou a katodou.

U elektronkových zesilovačů se používají dvě následující základní zapojení:

• Jednočinné zapojení v pracovní třídě A. V tomto případě je pracovní bod zesilovače nastaven do lineární části VA charakteristiky elektronky. Elektronka zpracovává kladnou i zápornou půlvlnu signálu. Toto zapojení se vyznačuje nízkým zkreslením. Zesilovač má nízkou účinnost, neboť elektronkou protéká vysoký klidový proud. Tímto zapojením je možno realizovat omezený výstupní výkon (asi 30 W), přičemž zapojení vyžaduje kvalitní zdroj napájecího napětí.
• Dvojčinné zapojení Push-Pull. U tohoto zapojení pracují elektronky ve třídě AB, tzn. že koncový stupeň je navržen tak, aby pří nízkých signálech zesilovaly obě elektronky ve třídě A a při vyšších signálech každá elektronka zpracovává jednu půlvlnu signálu. Elektronky musí mít zcela identické vlastnosti, zapojení vyžaduje výstupní transformátor ze zcela stejnými primárními vinutími. Toto zapojení má vždy přechodové zkreslení. Pro dosažení vyššího výstupního výkonu se někdy používá paralelní zapojení Push-Pull.

Pokud srovnáme princip činnosti tranzistorů a elektronek, je zřejmé, že elektronka pracuje s vysokým anodovým napětím a má vysokou vstupní i výstupní impedanci. Z toho vyplývá chování zesilovače při přebuzení.

V případě elektronkového zesilovače dochází postupně k deformaci tvaru sinusového signálu, kdežto tranzistorový zesilovač začne od určitého okamžiku signál ořezávat. S tímto souvisí tvorba signálů vyšších harmonických signálů při provozu, které mají významný vliv na barvu a subjektivní vnímání zvuku.

Předmětem diskuzí jsou úvahy o tom, co vlastně způsobuje výjimečnost zvuku u elektronkových zesilovačů. Je změřeným faktem, že se u elektronkových zesilovačů objevuje vyšší podíl harmonic-kých složek, zvuk má vyšší dynamiku, což se projevuje tím, že se jeví hlasitější.

Mají elektronkové zesilovače harmonické složky rozloženy ve spodní hranici kmitočtového spektra, převažuje druhá harmonická na rozdíl od tranzistorových, které mají harmonické rozloženy v celé části spektra, kde je silně zastoupena třetí harmonická, která je lidskému uchu nepříjemná.

Provedení Zesilovačů a Zvláštnosti pro Konstrukci

Konstrukce elektronkových zesilovačů bývá odlišná od konstrukce současných elektronických zařízení. V důsledku nutnosti použít rozměrné transformátory je nezbytné použít klasické kovové šasi, nejlépe z nemagnetického materiálu. Je třeba počítat s tím, že se celé zařízení zahřívá. Musí být zajištěno dostatečné chlazení systému a použity materiály, které snesou zvýšenou teplotu.

Pro napájení se používá podstatně vyšší anodové napětí, typicky asi 250 V, které omezuje použití SMD součástek. Při návrhu plošného spoje je třeba zajistit větší izolační mezery a je téměř nezbytná nepájivá maska. Z důvodů vyššího proudového i mechanického zatížení se výhradně používá tloušťka mědi 70 μm.

Při konstrukci je třeba dbát na elektrickou bezpečnost, zvláště výstupní transformátory a vazební kondenzátory musí mít dostatečnou izolační pevnost. Při návrhu je třeba věnovat značnou pozornost odstranění síťového brumu. Významnou roli hraje vzájemná orientace síťového a výstupního transformátoru, zvláště u stereofonních verzí, přičemž jeho jádra by měla být předimenzovaná z důvodu menšího magnetického sycení.

Kvalitu zvuku zásadně ovlivňuje konstrukce výstupního transformátoru. Pokud jej chceme navrhnout kvalitní, je třeba při jeho konstrukci dodržet celou řadu zásad. Z důvodů dosažení nízké parazitní kapacity je třeba použít prokládáné vinutí a tenké transformátorové plechy s velkou permeabilitou.

Elektronkové zesilovače se „vylepšují“ moderními elektronickými obvody (Blue- Tooth modul, automatické vypínání zesilovače, pokud není signál, omezení žhavicího proudu při zapnutí termistory NTC apod.). Zesilovače jsou téměř vždy konstruovány tak, aby bylo vidět atraktivní vzhled svítících elektronek a někdy se doplňují fluorescenčním indikátorem (magické oko).

tags: #měření #emise #elektronek #princip

Oblíbené příspěvky:

• Ubytovací zařízení a problémoví hosté
• Spor o Macinku na MŽP
• Jak kreslit odpady v CAD
• Poznávání africké přírody
• Výživa rostlin: ledek vs. kompost