Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

Рентгеновская трубка

Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми электронами. Для получения интенсивного пучка этих лучей Рентген (в 1895 г. открыл эти лучи) построил специальную трубку, состоящую из хорошо откачанного стеклянного шара, в который впаяны три металлических электрода: катод в виде сферической чашечки, анод и антикатод. Электроны, вылетающие нормально к поверхности катода, попадают в его центр кривизны, лежащий на антикатоде, изготовленном из тугоплавкого металла. Антикатод установлен под углом 45° к катоду для наиболее удобного использования выходящих из него рентгеновских лучей. Накапливание на антикатоде отрицательного электрического заряда могло бы привести к прекращению работы трубки, поэтому он соединен с анодом.

Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м называются рентгеновскими лучами. 

В современных рентгеновских трубках роль катода выполняет электронная пушка — вольфрамовая спираль, нагреваемая током и служащая источником свободных электронов. Фокусировка электронного пушка производится цилиндром. Антикатод трубки является одновременно анодом. Такие трубки работают устойчивее, чем первая модель.

На рентгеновскую трубку любой конструкции подается напряжение в несколько десятков киловольт.

Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электроны, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов (рис.16) возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения.

 Рис.16.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используются для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.

Электроннооптический преобразователь (ЭОП)

ЭОП - это вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное с помощью фотокатода, а затем электронного изображения в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП изображение объекта  проецируется с помощью объектива  на фотокатод  (при использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно).

Излучение от объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разных участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и экраном, фокусируются электронной линзой (ФЭ - фокусирующий электрод) и бомбардируют экран Э., вызывая его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта. Различают ЭОП одно- и многокамерные (каскадные); последние представляют собой последовательное соединение двух или более однокамерных ЭОП.

В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электронночувствительных элементов (в количестве 10- 100), установленной вместо люминесцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, астрономии, телевидении, для преобразования УЗ изображения в видимое. Современные многокамерные ЭОП позволяют регистрировать на фотоэмульсии световые вспышки (сцинтилляции) от одного электрона, испускаемого входным фотокатодом.  

Электронный проектор

Электронный проектор - это автоэлектронный микроскоп, безлинзовый электроннооптический прибор для получения увеличенного в 105-106 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был изобретен в 1936 нем. физиком Э. Мюллером.  

Основные части Электронного проектора: катод в виде проволочки с точечным эмиттером па конце, радиус кривизны которого r~10-7-10-8 м; стеклянная сферическая или конусообразная колба, дно которой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стенках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление ~10-9-10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положительное напряжение в несколько тыс. Вольт относительно расположенного в центре колбы катода, напряжённость электрического поля в непосредственной близости от точечного эмиттера (острия) достигает 107-108 В/см. Это обеспечивает интенсивную автоэлектронную эмиссию. При обычной форме катода электроны эмитировались преимущественно с мест локального увеличения напряжённости поля над небольшими неровностями и выступами поверхности эмиттера. Применение точечных эмиттеров, сглаженных поверхностной миграцией атомов металла при повышенных температурах в хорошем вакууме, позволило получить устойчивые токи.

Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее её кристаллическую структуру. Контраст автоэлектронного изображения определяется плотностью эмиссионного тока, которая зависит от локальной работы выхода, изменяющейся в зависимости от кристаллографического строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Электронном проекторе равно отношению R/br, где R - расстояние катод - экран, b - константа, зависящая от геометрии трубки.

Электронные проекторы применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней монокристалла и пр. Для наблюдения фазовых превращений, изучения адсорбции атомов различных веществ на металлической или полупроводниковой поверхности и т. д. Электронный проектор используют весьма ограниченно, т. к. намного большие возможности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.

Электронограф

Электронограф - прибор для исследования атомного строения твердых тел и газовых молекул методами электронографии. (Электронография - это метод изучения структуры вещества, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров). Электронограф - вакуумный прибор. В колонне, основном узле электронографа, электроны, испускаемые раскалённой вольфрамовой нитью, разгоняются высоким напряжением (от 30 кВ и выше - быстрые электроны и до 1 кВ - медленные электроны). С помощью диафрагм и магнитных линз формируется узкий электронный пучок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в специальной камере объектов и установленный на специальном столике. Рассеянные электроны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракционное изображение (электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных электронов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов. Электронографы снабжают различными устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.

Электронограф включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала катода, высокого напряжения, питания электромагнитных линз и различных устройств камеры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в О. "ЭР-100" 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность составляет тысячные доли и зависит от энергии электронов, сечения электронного пучка и расстояния от образца до экрана, которое в современном электронографе может изменяться в пределах 200- 600 мм. Управление современными электронографами, как правило, автоматизировано.