Maschinenbau

Elektronenröhre

Elektronenröhre , auch Vakuumröhre genannt , Vorrichtung, die üblicherweise aus einem versiegelten Glas- oder Metallkeramikgehäuse besteht, das in elektronischen Schaltkreisen zur Steuerung eines Elektronenflusses verwendet wird. Zu den üblichen Anwendungen von Vakuumröhren gehören die Verstärkung eines schwachen Stroms, die Gleichrichtung eines Wechselstroms (AC) zu Gleichstrom (DC), die Erzeugung oszillierender Hochfrequenzleistung (RF) für Radio und Radar sowie die Erzeugung von Bildern auf einem Fernsehbildschirm oder Computermonitor. Übliche Arten von Elektronenröhren umfassen Magnetrons , Klystrons , Gyrotrons und KathodenstrahlenRöhren (wie das Thyratron ), Fotozellen (auch als Fotoröhren bekannt) sowie Neon- und Leuchtstofflampen .

Bis in die späten 1950er Jahre wurden Vakuumröhren in praktisch allen Arten von elektronischen Geräten verwendet - Computern, Radios, Sendern, Komponenten von High-Fidelity-Soundsystemen usw. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde der Transistor perfektioniert undFestkörperbauelemente (basierend auf Halbleitern ) wurden in allen Anwendungen bei niedriger Leistung und niedriger Frequenz eingesetzt. Die gemeinsame Konzeption bei war zunächst , dass Festkörpertechnologie schnell die Elektronenröhre obsolet machen würde. Dies war jedoch nicht der Fall, da jede Technologie einen bestimmten Frequenz- und Leistungsbereich dominiert. Die höheren Leistungspegel (Hunderte von Watt) und Frequenzen (über 8 Gigahertz [GHz]) werden von Elektronenröhren und die niedrigeren von Festkörpergeräten dominiert. Für Funksender, Radarsysteme und Geräte der elektronischen Kriegsführung waren schon immer hohe Leistungsniveaus erforderlichund Mikrowellenkommunikationssysteme können Leistungspegel von Hunderten von Watt erfordern. In diesen Fällen wird die Leistung häufig von Klystrons, Magnetrons und Wanderwellenröhren bereitgestellt. Extrem hohe durchschnittliche Leistungspegel - mehrere Megawatt bei Frequenzen über 60 GHz - werden von Gyrotrons erreicht; Diese werden hauptsächlich für Weltraumradare, Mikrowellenwaffen und Treiber für energiereiche Teilchenbeschleuniger verwendet .

Vakuumröhrentechnik weiter voraus, aufgrund einer Kombination von Gerät Innovation , verbessert durch eine verbesserte Verständnis der mathematischen Modellierung und Design, sowie die Einführung von hochwertigen Materialien. Die Bandbreite, über die Elektronenröhren arbeiten, hat sich seit 1990 mehr als verdoppelt. Der Wirkungsgrad, mit dem Gleichstrom in HF-Strom umgewandelt wird, ist bei einigen Geräten um bis zu 75 Prozent gestiegen. Neue Materialien wie Diamant für Dielektrika, pyrolitischer Graphit für Kollektoren und neue Seltenerdmagnete für die Strahlsteuerung verbessern die Belastbarkeit und Effizienz moderner Elektronenröhren erheblich.

Prinzipien von Elektronenröhren

Eine Elektronenröhre hat zwei oder mehr Elektroden, die entweder durch Vakuum (in einer Vakuumröhre) oder durch ionisiertes Gas bei niedrigem Druck (in einer Gasröhre) getrennt sind. Sein Betrieb hängt von der Erzeugung und Übertragung von Elektronen durch die Röhre von einer Elektrode zur anderen ab. Die Elektronenquelle ist dieKathode , üblicherweise eine Metallelektrode, die einen Elektronenstrom durch einen von mehreren nachstehend beschriebenen Mechanismen freisetzt. Sobald die Elektronen emittiert wurden, wird ihre Bewegung durch eine gesteuertelektrisches Feld , aMagnetfeld oder beides. Ein elektrisches Feld wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden in der Röhre erzeugt, während ein Magnetfeld außerhalb der Röhre durch einen Elektromagneten oder einen Permanentmagneten erzeugt werden kann. In seiner einfachsten Form wird ein Elektron von der positiven Elektrode (einer Platte oder Anode) angezogen und beschleunigt und von der negativen Elektrode (Kathode) abgestoßen und verlangsamt. Ein elektrisches Feld kann verwendet werden, um den Weg des Elektronenstroms zu ändern, die Anzahl der fließenden Elektronen zu ändern (den elektrischen Strom zu ändern) und ihre Geschwindigkeit zu ändern. Das Magnetfeld dient hauptsächlich dazu, die Bewegung der Elektronen von einer Elektrode zur anderen zu steuern.

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Elektronenemission

Im allgemeinsten Sinne resultiert die Emission von Elektronen aus der Leitung von Energie in Form von Wärme, Kollisionen im atomaren Maßstab oder starken elektrischen Feldern zur Kathode, so dass Elektronen im Material genügend kinetische Energie erhalten , um der Oberfläche zu entkommen . Der am weitesten verbreitete Mechanismus in Vakuumröhren ist die thermionische Emission oder die Elektronenemission durch Anwendung von Wärme.

Die Energiemenge, die benötigt wird, um Elektronen aus einem bestimmten Material freizusetzen, wird als seine bezeichnet elektronische Arbeitsfunktion . Daraus folgt, dass die idealen Materialien für Kathoden diejenigen sind, die die niedrigste elektronische Austrittsarbeit ergeben. Barium , Strontium und Thorium werden wegen ihrer geringen elektronischen Austrittsarbeit von 1,2 bis 3,5 Elektronenvolt (eV) üblicherweise für Kathoden verwendet . Neuere experimentelle Materialien wie Scandat (eine Legierung aus Barium und Scandiumoxid ) wurden mit etwas geringeren elektronischen Austrittsarbeit entdeckt.

Die Anode besteht normalerweise aus einem guten Leiter - wie Eisen , Nickel oder Kohlenstoff -, der bei typischen Betriebstemperaturen nicht leicht Elektronen emittiert.

Glühemission

Wenn Feststoffe auf hohe Temperaturen erhitzt werden - etwa 1.000 ° C (1.800 ° F) oder höher - können Elektronen von der Oberfläche emittiert werden. (Dieses Phänomen wurde erstmals 1883 vom amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison beobachtet und ist als Edison-Effekt bekannt.) Die thermionische Emission ist nicht genau bekannt, aber die Forscher konnten sie mithilfe der Wellenmechanik mathematisch beschreiben .

Die beliebtesten Modelle ruhen auf dem Richardson-Dushman-Gleichung , abgeleitet in den 1920er Jahren, und dieLangmuir-Child-Gleichung, kurz danach formuliert. Ersteres besagt, dass dieStrom pro Flächeneinheit J ist gegeben durch

Gleichung.

wobei k die Boltzmansche Konstante ist, A eine Konstante des Materials und seiner Oberflächenbeschaffenheit ist und theoretisch etwa 120 Ampere pro Quadratzentimeter pro Kelvin beträgt , T die Temperatur des Feststoffs ist und W seine Austrittsarbeit ist.

As electrons are emitted by the application of heat, an electron cloud can form in front of the cathode. Such a cloud acts to repel low-energy electrons, which return to the cathode. This limiting mechanism is aptly referred to as the space-charge-limited operation. In a device such as the diode, the positive voltage applied to the anode attracts electrons from the cloud. The higher the voltage, the more electrons flow to the anode until the saturation voltage has been reached, at which point all the emitted electrons flow to the anode (known as the saturation current). In the space-charge-limited operation, the current density, J, is described by the Langmuir-Child law

Gleichung.

where Va is the anode voltage and d is the distance between the anode and the cathode. The key characteristics of thermionic emission, as observed and predicted by equations (1) and (2), are the temperature-limited region and the space-charge-limited region. Much research has been concerned with the transition between the regions and with decreasing the work function of the cathode materials.

Secondary emission

When a metal or dielectric is bombarded by ions or electrons, electrons within the material may acquire sufficient kinetic energy to be emitted from the surface. The bombarding electrons are called primary, and the emitted electrons are designated secondary. The amount of secondary emission depends on the properties of the material and the energy and angle of incidence of the primary electrons. Material properties are characterized by the secondary-emission ratio, defined as the number of secondary electrons emitted per primary electron. Typically, the maximum secondary-emission ratio lies between 0.5 and 1.5 for pure metals and occurs for incident electron energies between 200 and 1,000 eV. The approximate energy distribution of secondary electrons emitted from a pure metal is skewed in such a way that about 85 percent of them have energies less than 20 eV.

Positive ion bombardment also can cause secondary emission, but it is much less efficient than electron bombardment, because only a small fraction of an ion’s energy can be imparted to (much lighter) electrons.

Field emission

Electron emission is influenced by an electric field applied at the cathode. For very strong electric fields, the electron emission becomes independent of temperature because the potential barrier at the surface of the cathode is made extremely narrow and electrons tunnel through the barrier even when they have low kinetic energy. Electric field strength must be about a billion volts per metre in order to cause field emissions.

Electron motion in a vacuum

Fundamental to all electron devices are the dynamics of charged particles under different electric and magnetic fields. The motion of an electron in a uniform field is given by a simple application of Isaac Newton’s second law of motion, Kraft = Masse × Beschleunigung, bei der die Kraft durch ein angelegtes elektrisches Feld E (gemessen in Volt pro Meter) auf das Elektron ausgeübt wird . Mathematisch ist die Bewegungsgleichung eines Elektrons in einem gleichmäßigen Feld gegeben durch

Gleichung.

wobei e die Elektronenladung 1,60 × 10 –19 Coulomb ist, E das Feld in Volt pro Meter bezeichnet, m die Elektronenmasse 9,109 × 10 –31 Kilogramm ist und d v / d t die Änderungsrate der Geschwindigkeit bezeichnet, die ist die Beschleunigung des Elektrons.

Wenn ein Wenn auch ein Magnetfeld vorhanden ist, erfährt das Elektron eine zweite Kraft, jedoch nur, wenn das Elektron in Bewegung ist. Die Kraft ist dann proportional zum Ladungsprodukt und zur Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zum elektrischen Feld E und zur magnetischen Flussdichte B ist(gemessen in Webern pro Quadratzentimeter). Die Kraft wird senkrecht sowohl zum elektrischen Feld als auch zur Elektronengeschwindigkeit gerichtet. Somit wird ein Elektron, das sich parallel zu einem elektrischen Feld und rechtwinklig zu einem gleichmäßigen Magnetfeld bewegt, in einer Richtung senkrecht zu sowohl magnetischen als auch elektrischen Feldern abgelenkt. Da die Kraft ständig senkrecht zur Geschwindigkeit ist, verfolgt das Elektron eine perfekt kreisförmige Flugbahn und hält diese Bewegung mit einer Geschwindigkeit aufrecht, die als bezeichnet wirdcyclotron frequency, ωc, given by e/mB. The circle traced out by the electron has a radius equal to mv/eB. This circular motion is exploited in many electron devices for generating or amplifying radio-frequency (RF) power.

An electron traveling parallel to a uniform magnetic field is unaffected by that field, but any departure from parallelism gives rise to a perpendicular component of velocity and thus a force. This force gives the nearly parallel electron a helical motion about the direction of the magnetic field, keeping it from diverging far from the parallel path. The equation of motion in any of these instances is

Gleichung.

where v is the velocity of the electron in metres per second in the perpendicular direction to the plane of B and v, and θ is the angle between the directions of B and v. The magnetic flux density is expressed in webers per square centimetre (1 weber per centimetre2 = 104 gauss = 107/4π amperes per metre).

Of interest, too, is the situation in which the magnetic and electric fields are perpendicular to each other. This configuration is used in beam-focusing devices as well as in a class of devices called magnetrons (see the section Magnetrons). In this case the motion of the electrons is a combination of translation and circular trajectories. The resultant trajectory is a cycloid.

Equations (3) and (4) are sufficient to solve for the path and time of transit of electrons in an electron tube except that they require E and B to be known, and these may depend on the presence of electrons or ions. The currents in electron tubes are small enough in most cases that their effect on the magnetic field is usually negligible. The cumulative effect of the electron or ion charge (called space charge) on the electric field cannot always be neglected, however, and this introduces computational difficulty unless the geometry is simple. Furthermore, the electrode currents are so dependent on space charges that the performance characteristics of electron tubes are largely determined by these charges. The electric field with or without space charge can be determined by Gauss’s theorem of electrostatics, which states how electric fields are associated with charges. Basically, the rate of change of E with distance is equal to ρ/ε0, in which ρ is the electric charge density in coulombs per metre, and ε0is the permittivity 8.85 × 10−12 farads per metre.

The current per unit area, i, entering any surface—as that of an electrode in a tube—is the time rate of change of charge at that surface. This current is the sum of two components, one constituting the actual arrival of electrons at the electrode and the other resulting from the change of induced charge by any change of the electric field with time. Thus, i is the sum of ρv + ε0dE/dt, where v is the electron density and dE/dt is the time-varying electric field. At low frequencies of operation or under steady conditions, the second term is not important. The contrary is true at high frequencies. This equation and the one relating the electric fields to the charges are fundamental to all high-vacuum electron tube phenomena and are sufficient to obtain theoretical solutions.

Energy transfer

The fundamental importance of a large class of electronic devices lies in their ability to amplify power. This power amplification results from the conversion of the energy stored in an external power supply to an output energy in the load circuit of the electron device. The mechanism that makes this conversion possible is the electron’s change in kinetic energy as it is accelerated or decelerated by an electric field. Because energy is conserved, the RF field will increase (amplification) if the electrons lose kinetic energy, and, conversely, it will decrease if the electrons gain kinetic energy.

When a modulated electron convection current flows in an electric field of the same modulation frequency, the power transfer, P, between the field and the electron is given by

Gleichung.

where lc is the electron convection current and E is the electric field. Both lc and E are complex quantities; substituting their values into equation (5) and separating the real and imaginary parts yields

Gleichung.

Gleichung.

in which ϕl and ϕE are the phase angles of the modulated convection current and electric field, respectively. Insight into the meaning of equations (6) and (7) may be obtained by considering a physical picture. The negative electron flow (convection current) may be supposed to induce positive charges on the electrodes from which the E field emanates. If the phase is proper, meaning that the induced charges constructively add to the current associated with the modulated E field, the E field grows. Thus, in equations (6) and (7), Gleichung. and Darstellung des Imaginärteils einer Energieübertragung zwischen einem elektrischen Feld und einem Elektron. becomes zero. Conversely, if the phases are 180° apart, Darstellung des Realteils einer Energieübertragung zwischen einem elektrischen Feld und einem Elektron. goes to zero, and Gleichung.und die Leistung wird vom Feld auf den Elektronenstrom übertragen. In der Praxis werden verschiedene Verfahren verwendet, um eine Dichtemodulation in einem zu erzeugenElektronenstrahl ( siehe unten ).