Princip Emise Elektronů

Emise elektronů je proces, při kterém jsou elektrony uvolňovány z látky, nejčastěji z kovu. Tento jev má několik různých mechanismů, včetně fotoelektrického jevu a termoemise. 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.

Fotoelektrický Jev

Fotoelektrický jev (fotoefekt) je jednou ze tří možných interakcí γ záření s elektronovým obalem atomu. Z těchto tří interakcí má foton zpravidla nejslabší energii. Je to fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou. Elektrony emitované z jaderného obalu jsou pak označovány jako fotoelektrony. Za objevitele fotoelektrického jevu je považován Heinrich Hertz, který si při svých pokusech (roku 1887), jejichž cílem bylo experimentální prokázání existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln, všiml, že ozáření jiskřiště ultrafialovým zářením usnadňuje přeskok jiskry - tj. Roku 1899 Joseph John Thomson udělal rozhodující krok k objasnění podstaty jevu.

Fotoelektrický jev nastává, když se celá energie kvanta záření γ předává některému elektronu z elektronového obalu absorbujícího materiálu nebo případně volnému elektronu (např. v kovech). Část energie se spotřebuje na uvolnění elektronu (vykonáním tzv. výstupní práce Wv) a část se přemění na kinetickou energii Ek vzniklého fotoelektronu. (Volné místo po elektronu je zaplněné jiným elektronem, který sem přeskočil z jiné slupky atomového obalu. Při tomto přeskoku se vyzáří energie ve formě charakteristického záření. Místo charakteristického záření může dojít k alternativnímu jevu - energie se předá některému elektronu na vyšší slupce, který se pak uvolní a vyzáří jako tzv. Foton interaguje s elektronem na slupkách K, L a M. Tedy s elektrony, které leží blízko jádru atomu.

Podle představ klasické fyziky by elektronům měla být předána kinetická energie dopadajícího elektromagnetického vlnění. Energie elektromagnetických vln souvisí s intenzitou záření, tzn. energie vyzařovaných elektronů by měla záviset na intenzitě dopadajícího záření. Pro každý kov existuje určitá mezní frekvence f0 taková, že elektrony se uvolňují pouze při frekvenci f0 a frekvencích vyšších. Na frekvenci použitého elektromagnetického záření závisí také energie emitovaných elektronů.

V roce 1905 Albert Einstein vyšel z Planckovy kvantové hypotézy a z představy, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ se chová jako soubor částic (světelných kvant), z nichž každá má svou energii a hybnost. Tyto částice mají zvláštní vlastnosti, především se stále pohybují rychlostí světla a nelze je žádným způsobem zastavit, zpomalit ani urychlit. Podle teorie relativity musí mít nulovou klidovou hmotnost. Světlo při dopadu na povrch látky předává energii povrchovým elektronům zkoumané látky. K uvolnění elektronu z vazby v atomu je potřeba tzv. ionizační energie. Tato nutná energie k uvolnění elektronu může vzniknout, jestliže je vlnová délka světla dostatečně malá. V tom případě může frekvence a energie dosáhnout dostatečně vysoké hodnoty.

Čtěte také: Princip měření emisí

Předáním takové energie elektronům je možné překonat tzv. fotoelektrickou bariéru k uskutečnění výstupní práce. Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům výstupní energii se označuje jako prahová frekvence. Fotoelektrický jev hraje významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta. Rentgenové snímky vznikají na principu obráceného fotoelektrického jevu, kdy se povrch ostřeluje elektrony a uvolňují se paprsky X. Různé tkáně mají jinou absorbci, proto můžeme na snímcích rozeznat struktury. Elektron zcela pohltí foton a Rtg foton zaniká. Absorbce fotoelektrického jevu je na rozdíl od Comptonova rozptylu, který probíhá také, žádoucí.

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.

Základem každé elektronky je skleněná či kovová vysoce vyčerpaná baňka (s případnou příměsí netečných plynů nebo rtuti) a z elektrod. Elektrody jsou katoda, anoda a podle druhu elektronky také několik mřížek. Katoda je nejdůležitější částí elektronky. Katodou může být v podstatě každý kov, který je rozžhavením na cca 800°C schopen emise elektronů. Většina běžně používaných kovů ale vysokými teplotami velmi měkne a ztrácí mechanickou pevnost. Z dostupných kovů se tedy nejlépe hodí wolfram, který má při vysokých teplotách ještě dostatečnou pevnost. Wolframová vlákna se používají hlavně u vysílacích elektronek největších výkonů.

Čtěte také: Ulita a Matematika

Pro běžné zesilovací a usměrňovací elektronky má samotný wolfram malou účinnost a proto se u speciálních elektronek kombinuje s thoriem. Tato kombinace má už poměrně vysokou schopnost emise elektronů, ale je velmi citlivá na přežhavení, kdy se thorium podstatně rychleji odpařuje a katoda tím ztrácí účinnost. Nejvyšším vývojovým stupněm takovýchto přímožhavených katod je wolframové vlákno pokryté kysličníky thoria, barya nebo vápníku.Přímožhavené zesilovací elektronky je nutno žhavit pouze ss napětím, protože st napětí by modulovalo tok elektronů z katody (vlákno se střídavě ohřívá a chladne) a v signálu by se objevil nesnesitelný brum.

Výjimkou jsou elektronky, které se zesilovacího procesu přímo neúčastní, např. usměrňovací diody. Přímožhavené zesilovací elektronky lze žhavit st proudem pouze tehdy, účastní-li se zesilovacího procesu ve dvojčinném zapojení (nf koncový stupeň),kde se v přesně symetrickém výstupním transformátoru brumové složky odečítají (Telefunken). Některé původně přímožhavené výkonné koncové elektronky, které jsou vyráběny dodnes, mají katody upraveny jako nepřímožhavené, tj. žhavicí vlákno v trubičce, které není od trubičky izolováno, ale je dokonce s trubičkou /katodou/ spojeno. Tím je získána potřebná tepelná setrvačnost a zachována kompatibilita při výměně ve starších přístrojích.

Proto byly vyvinuty elektronky s nepřímým žhavením, na malé výjimky dodnes používané. U nepřímožhavené elektronky je žhavicí vlákno vinuto bifilárně (protisměrně) pro potlačení vlastní indukčnosti, izolováno keramickým tmelem nebo kysličníkem hlinitým a vloženo do žáruvzdorné trubičky, zhotovené z niklu s přísadou hořčíku, která je pokryta emisní vrstvou kysličníků barya či stroncia a teprve tvoří katodu. Celek má poměrně velkou tepelnou setrvačnost, umožňuje tedy žhavit vlákno st proudem bez modulace průchozího signálu a navíc je žhavicí vlákno od vlastní katody odizolováno. Teprve tato konstrukce katod umožnila rozvoj zesilovací techniky.

Poslední funkční součástí i té nejjednodušší elektronky -diody- je anoda, která obklopuje v jisté, přesně nastavené vzdálenosti katodu. Je to nejvíce viditelná a největší z elektrod, protože musí rozptýlit poměrně velký ztrátový výkon, způsobený dopadem elektronů z katody - procházejícím proudem. Bývá vyrobena buď z hustého pletiva, nebo plechu speciálního složení, někdy ještě s přídavnými chladicími křídly. Katoda, anoda a další elektrody musí mít zajištěnu vzájemně neměnnou polohu, čehož se dosahuje zvláštními můstky a držáky ze slídy nebo keramiky a celek je uvnitř baňky fixován opěrnými destičkami a křidélky.

Tento elektrodový systém je tedy umístěn v baňce, ze které má být co nejdokonaleji vyčerpán vzduch. Nejdokonaleji proto, že zbytky vzduchu by mohly být tokem elektronů ionizovány, tok elektronů odchýlen a tím by se stala činnost elektronky velmi nestabilní. Nepatrný zbytek (několik málo molekul) vzduchu, který nedokáží vyčerpat ani nejdokonalejší vývěvy, se odstraní tzv. getrem. Na některý z přívodů (nejčastěji anody) se ještě před zatavením do baňky bodovým svarem připevní malá vanička, obsahující kovové magnezium. To se ve vf peci nebo vn impulsem zapálí a magnezium při hoření spotřebuje všechny případné zbytky vzduchu. Rozprášené a spálené magnezium pak vytvoří zevnitř na baňce charakteristické zrcátko.Některé starší a zvláště citlivé elektronky byly proti elektrostatickým polím a světlu stíněny a chráněny speciálním kovovým nástřikem, který měl (podle výrobce) i různé barvy.

Čtěte také: Více o ekologické daňové reformě

Výhodné byly (a některé dodnes jsou) starší elektronky s kovovou baňkou, které mají mnohem lepší mechanické i elektrické vlastnosti, které kromě toho mohou být daleko menší, než jejich skleněná obdoba. Celý systém je v těchto elektronkách uložen horizontálně na krátkých pevných nosnících, takže elektronka má stálejší parametry, malé sklony k mikrofonii a snadno se stíní pouhým ukostřením baňky.

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).

Laser

Laser je zdroj světla mimořádných vlastností. Jeho název vznikl z prvních písmen anglického názvu, který vystihuje základní princip tohoto zařízení - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, neboli zesilování světla stimulovanou emisí záření. Světlo vzniká při přechodu atomu z jednoho stavu do druhého.

Existují tři možnosti jak toho docílit:

1. Na atom dopadne foton o energii h.f. Atom přejde ze stavu s nižší energií E1 do excitovaného stavu s vyšší energií E2.
2. Na atom v excitovaném stavu dopadá foton o energii h.f a donutí ho přejít do základního stavu a přitom uvolnit další foton o stejné energii. Oba fotony se potom pohybují stejným směrem jako foton, který tuto emisi vyvolal. Oba fotony mají stejnou frekvenci a stejnou fázi, jedná se proto o koherentní záření.
3. Proces se může opakovat s dalšími atomy a záření se tak zesiluje. Laserové světlo je světlo vyvolané stimulovanou emisí.

Laser využívá aktivní prostředí, ve kterém se tvoří paprsek. Aktivní prostředí nemůžou tvořit ledajaké prvky či molekuly. Aktivní prostředí musí obsahovat prvky, které obsahují tzv. metastabilní hladinu. Narazí-li foton do elektronu takového atomu, elektron se excituje na vyšší energetickou hladinu a spadne na metastabilní hladinu. Avšak rozdíl mezi metastabilní hladinou a ostatními vyššími hladinami je ten, že elektron na metastabilní hladině vydrží až 100 000 x déle. Tím pádem máme zajištěno, že elektron počká na další foton, který ho stimuluje a vypustí foton, se kterým se poté spojí.

Princip laseru by také nemohl fungovat bez inverze populace. K inverzi populace dochází tehdy, je-li více elektronů atomu na metastabilní hladině než na základní hladině. Jelikož zdroj nám neustále dodává energii např. v podobě fotonů, každý foton nám excituje jeden elektron na vyšší a následně na metastabilní hladinu. Takhle se naskládá většina elektronů na metastabilní hladinu a počká, až přiletí stimulující foton. Nejprve musí stimulující foton přiletět odkudkoliv, poté už se budou fotony stimulovat navzájem.

V obyčejném světle se nachází všechny vlnové délky světla, tedy i potřebný stimulující foton, takže se nemusíme bát, že se reakce nespustí. Jakmile přiletí stimulující foton, donutí všechny elektrony sestoupit na základní hladinu a donutí všechny vypustit jeden foton. Všechny tyto fotony, včetně toho stimulujícího se spojí v jednu vlnu s mnohem větší amplitudou. Tím dojde k zesílení světla stimulovanou emisí záření.

Na řadu přichází rezonátor. Rezonátor je soustava dvou zrcadel, z nichž je jedno odrazivé až z 99,9%, druhé zrcadlo je polopropustné. Obě tato zrcadla jsou rovnoběžné vůči sobě. Buď foton vyletí ihned z laseru, nebo se párkrát odrazí mezi zrcadly a vyletí. Avšak s největší pravděpodobností tu bude i foton letící rovnoběžně s osou laseru, a nebude jediný. Těchto fotonů bude v laseru exponenciálně narůstat, protože jakmile jich tam bude čím dál tím víc, budou rovnoběžné fotony stimulovat další atomy a špatně letící fotony už to nebudou stíhat. Tudíž nejen že špatně letících fotonů bude málo, ale začnou ubývat, jelikož než se samovolně uvolní z nabitého atomu, strhne ho nějaký rovnoběžně letící foton stejným směrem.

Proto je nutná již zmíněná metastabilní hladina, aby se nám fotony tak rychle samovolně neuvolňovaly špatným směrem a počkaly, až je strhne foton letící správným směrem. Teď už nám laser funguje.

tags: #princip #emise #elektronu

Oblíbené příspěvky:

• Záchrana zvířat Valašské Meziříčí
• Energetická budoucnost ČR
• Projekt "Třídím gastro"
• Jak funguje sběrný dvůr odpadu?
• Efektivní nakládání s odpady