ЛЕКЦИЯ 4

ПРИБОРЫ ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Коротченко Владимир Александрович, д.ф-м.н., профессор, окончил Рязанский радиотехнический институт в 1962 г. по специальности «Электронные приборы и устройства», кандидат технических наук с  1966 г.,  доктор технических наук, ученая степень присуждена 05.05.1991 г., профессор, ученое звание присуждено 17.09.1992 г., Почетный работник высшего профессионального образования РФ. Стаж педагогической работы 41 год, имеет 159 научных и методических трудов. Работает в должности профессора кафедры электронной техники и технологии в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет». 1966—1967 гг. — ассистент кафедры ЭВТ РРТИ; 1967— 1991гг. - доцент кафедры ЭВТ РРТИ; 1991-2006 гг. - зав. кафедрой ЭТТ РГРТА; с 2006 г. — профессор кафедры ЭТТ.

Арефьев Александр Сергеевич, д.т.н., профессор, окончил Рязанский   государственный  радиотехнический   институт (ныне  Рязанский радиотехнический университет)

в 1962 г., к.т.н. с 1970 г., д.т.н. с 1992 г., профессор с 1993 г., декан факультета электроники с 1993 г., заслуженный работник высшей школы с 2004 г., имеет 214 научных  трудов.   Работает  профессором  кафедры  промышленной электроники Рязанского радиотехнического

4.1. Введение

Газоразрядные (ионные) приборы появились в 20-е годы прошлого века. Тогда они считались составной частью широкого класса электровакуумных приборов. Развитие исследований физических процессов, вызываемых электрическим током в газе (газовым разрядом), привело к появлению множества новых типов приборов. Так появился класс приборов, именуемых теперь плазменными приборами, или приборами плазменной электроники.

Токопрохождение через газ возникает при определенном напряжении между электродами. Электроны ускоряются электрическим полем, приобретают энергию и при соударениях с молекулами могут отрывать от них по одному электрону, превращая их в положительно заряженные ионы (явление ионизации). Оторванные электроны, в свою очередь, создают новые пары ион-электрон, в результате чего процесс развивается лавинообразно (пробой газа). Это приводит к возможности прохождения через газ очень большого электрического тока, который переносится, в основном, электронами.

Роль ионов сводится к компенсации отрицательного объемного заряда электронов. Компенсация приводит к формированию в межэлектродном пространстве квазинейтральной среды (плазмы), через которую ток проходит почти как через металлический проводник. Плазма представляет собой газ, часть молекул которого превращена в ионы и электроны. Эта часть сравнительно мала (например, менее 1%), но абсолютное количество электронов и ионов, способных перемещаться под действием электрического поля, оказывается достаточным для обеспечения высокой электропроводности среды.

В настоящее время плазменная электроника включает в себя следующие основные типы приборов: стабилитроны, разрядники, тиратроны, индикаторы, плазменные панели, счетчики частиц, лазеры, источники света, ионные источники, плазматроны, приборы с магнитным управлением.

Каждый тип прибора может подразделяться, в свою очередь, на несколько видов. Например, газовые лазеры бывают аргоновые, гелий-неоновые, кадмиевые, азотные и т. д.; тиратроны подразделяются на тиратроны с накаленным катодом, с холодным катодом, ртутные и т. д.

Классификация приборов определяется, прежде всего, видом используемого разряда и его вольтамперной характеристикой (ВАХ). Миллиамперный диапазон ВАХ соответствует тлеющему разряду, амперный — дуговому разряду, амперный при накаленном катоде — несамостоятельному дуговому разряду. Когда радиус кривизны одного или обоих электродов много меньше межэлектродного расстояния, а давление наполняющего прибор газа велико (порядка атмосферного), возникает коронный разряд. Искровой разряд наблюдается при больших давлениях газа и плоской системе электродов без острых краев. Перечисленные виды разряда отражены в названиях: приборы тлеющего разряда, приборы самостоятельного дугового разряда, приборы несамостоятельного дугового разряда, искровые разрядники, стабилитроны коронного разряда и др.

Вводя в межэлектродное пространство различные диафрагмы и прикладывая к ним потенциал, можно изменять электрическое поле и, следовательно, управлять током. Мощность электрических сигналов, управляющих газоразрядными приборами, во много раз больше, чем электровакуумными. В результате газоразрядные приборы не применяются как аналоги электронных ламп, а используют их другие уникальные свойства: возможность коммутировать сверхбольшие мощности и выдерживать очень большие перегрузки по току, а также сохранять работоспособности в условиях высокой радиации.

При столкновениях с молекулами газа электроны могут не только ионизировать их, но и переводить в возбужденное состояние. Затрачиваемая на это энергия выделяется затем в виде фотонов в ультрафиолетовой или видимой частях спектра. Излучение газового разрядов широко используется в лазерах и источниках света.

Ниже рассмотрен ряд характерных плазменных приборов.

4.2. Стабилитроны тлеющего разряда

4.2.1.  Назначение приборов

Стабилитроны тлеющего разряда предназначены для поддержания постоянного напряжения на нагрузке при изменении в определенных пределах питающего напряжения и/или нагрузочного резистора. Типовая схема применения стабилитрона (так называемый параметрический стабилизатор) представлена на рис. 4.1. Схема работает таким образом, что изменения напряжения источника питания (входного напряжения U_o) почти полностью выделяются на балластном резисторе R₆, а выходное (стабилизированное) напряжение U_cm на стабилитроне V_t и нагрузке R_H остается практически неизменным.

Диапазон рабочих (стабилизированных) напряжений стабилитронов тлеющего разряда — от 80 до 180 В, диапазон токов — от 1 до 50 мА. По характеристикам и области применения газоразрядные стабилитроны сходны с полупроводниковыми. Преимуществами газоразрядных приборов в сравнении с твердотельными являются широкий диапазон рабочих температур (от —60 до +300 °С), низкий температурный коэффициент изменения напряжения стабилизации и способность выдерживать большие перегрузки по току. К недостаткам газоразрядных стабилитронов относятся наличие напряжения зажигания, существенно (на 20—50%) превышающего рабочее, скачки напряжения на рабочем участке характеристики, вызывающие появление электрических шумов, и заметная (доли секунды) задержка включения стабилитрона в рабочий режим в результате статистического запаздывания зажигания разряда.

4.2.2. Устройство и принцип действия

Работа стабилитронов основана на закономерностях нормального тлеющего разряда. На рабочем участке вольтамперной характеристики (ВАХ) стабилитрона (область 3 на рис. 4.2) при увеличении тока на 1—2 поряд-

ка напряжение возрастает всего на 1—5%, т. е. остается практически неизменным. Это напряжение является основным рабочим параметром прибора и называется напряжением стабилизации {U ). Начальный участок ВАХ (область 1) определяет другой рабочий параметр стабилитрона — напряжение зажигания (U). Для нормальной работы схемы, изображенной на рис. 4.1, необходимо, чтобы напряжение источника питания превышало U , так как иначе стабилитрон не сможет перейти в рабочую область ВАХ.

Участок 2 на рис. 4.2 соответствует переходу к нормальной плотности тока и определяет минимальный ток стабилизации (/„,,„), ниже которого стабилизация напряжения не обеспечивается. В рабочей области 3 существует нормальный тлеющий разряд. Плотность тока и напряжение с ростом тока здесь не изменяются, а площадь поперечного сечения разряда пропорционально увеличивается. Область 4 соответствует аномальному тлеющему разряду. С ростом тока напряжение горения разряда здесь сравнительно быстро увеличивается, что не позволяет использовать эту область для стабилизации напряжения. Начало области 4, где площади разряда и катода равны, определяет рабочий параметр стабилитрона — максимальный ток стабилизации (I_тах).

Типичная электродная система стабилитрона представляет собой два коаксиальных цилиндра. Внешний цилиндр служит катодом, что обеспечивает его большую площадь и высокое значение параметра 1_ш, который пропорционален площади катода. Приборы наполняются инертными газами или их смесями до давления 10³—10* Па. Максимальные габаритные размеры (длина) стабилитронов составляют 5—10 см для стеклянных приборов и 2—3 см — для металлокерамических. Обозначение типов стабилитронов содержит буквы СГ (стабилитрон газоразрядный) и порядковый номер разработки. После номера следует буква, отражающая особенности конструкции: Б — стеклянный сверхминиатюрный, П — стеклянный «пальчиковой» серии, К — металлокерамический (например, СГ21Б, СГ204К и т. д.).

4.2.3. Основные физические закономерности

1. Область стабилизации напряжения

Нормальный тлеющий разряд, на котором основана работа стабилитронов, существует, когда произведение давления газа р на межэлектродное расстояние d соответствует правой ветви кривой Пашена (зависимости напряжения зажигания от pd). После зажигания разряда пространственный заряд ионов вблизи катода изменяет линейное распределение потенциала в межэлектродном промежутке таким образом, что практически все приложенное к электродам напряжение оказывается сосредоточенным на участке d_k (рис. 4.3), называемом участком катодного падения потенциала (U_к). В общем случае падение потенциала на промежутке состоит из U_K, разности потенциалов на положительном столбе разряда и анодного падения потенциала. Наиболее часто последние составляющие существенно меньше, чем U_K, или просто отсутствуют, и напряжение на промежутке можно считать равным величине U_K.

В нормальном тлеющем разряде катодное падение потенциала приблизительно равно минимальному напряжению зажигания разряда (напряжению в минимуме кривой Пашена), которое определяется только родом газа и материалом катода и не зависит от тока, давления газа, межэлектродного расстояния и площади катода. Это очень важно для стабилизаторов, так как позволяет свести к минимуму технологический разброс параметра U_cm. Кроме этого, исключается дрейф напряжения в течение срока службы, связанный с уменьшением давления газа, поглощаемого электродами и оболочкой.

Напряжение зажигания в минимуме кривой Пашена приближенно рассчитывается по следующим формулам:

где А и В — эмпирические константы, характеризующие процесс объемной ионизации в данном газе; у — коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, зависящий от материала катода и рода газа.

При горении нормального тлеющего разряда площадь катода, покрытая свечением (S_cв), линейно возрастает с увеличением тока:

                                      (4.2)

Где j_H — нормальная плотность тока. Когда с ростом тока свечением покрывается весь катод, нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный. Точка перехода соответствует параметру стабилитрона I_тах и ограничивает область стабилизации со стороны больших токов. Нормальная плотность тока увеличивается с ростом давления газа:

(4.3)

где j_H1 — нормальная плотность тока при единичном давлении, определяемая родом газа и материалом катода.

Со стороны малых токов область стабилизации напряжения ограничивается величиной I_min, ниже которой катодное падение потенциала увеличивается в результате влияния диффузии электронов и ионов из узкого разрядного канала в поперечном направлении. Рост напряжения ведет к увеличению коэффициента а, что компенсирует уход зарядов. Диффузия проявляется при снижении тока до 0,1—1 мА (в зависимости от площади электродов, рода газа и материала катода), когда поперечные размеры катодного пятна уменьшаются до величины, сравнимой с длиной области катодного падения потенциала d_k. Разряд в переходной области 2 на рис 4.2 называется поднормальным тлеющим.

2. Область зажигания разряда

Для удобства применения стабилитронов желательно, чтобы напряжение зажигания разряда превышало напряжение стабилизации на минимальную величину. Это пожелание выполняется в минимуме кривой Пашена, где величина U₃ равна напряжению стабилизации. Однако если произведение pd выбрать равным значению (pd)_min, то в процессе работы прибора уменьшение давления за счет поглощения газа электродами приведет к переходу произведения pd на левую ветвь кривой Пашена и к недопустимому росту напряжения стабилизации. Поэтому произведение pd выбирают несколько больше (pd)_min, так что напряжение зажигания на 20—50% превышает напряжение стабилизации. Напряжение зажигания рассчитывается по формуле:

(44)

Соотношения (4.4)—(4.6) позволяют при физическом проектировании стабилитрона по заданным параметрам U₃ и I_тах выбрать давление газа, межэлектродное расстояние и площадь катода. Из соотношений (4.4) и (4.5) следует, что необходимая площадь катода уменьшается с ростом давления газа. Это открывает возможность миниатюризации стабилитронов, предел которой определяется повышением температуры приборов при уменьшении их габаритов и неизменности подводимой мощности. Разогрев ведет к выделению газов из катода и вакуумной оболочки, к изменению состава газового наполнения и напряжения стабилизации, к сокращению срока службы. Допустимая удельная (на единицу площади катода) мощность Р составляет 0,1—1 Вт/см². Более высокие значения P_t характерны для металлокерамических приборов. С учетом величины Р максимально допустимое давление газа р_тах определяется по следующему соотношению:

                           (4.5)

3. Работа параметрического стабилизатора

Принцип действия параметрического стабилизатора, схема которого представлена на рис. 4.1, иллюстрируется вольт -амперной характеристикой стабилитрона с нагрузочными прямыми для различных значений напряжения источника питания (рис. 4.4). Уравнение нагрузочной прямой следует из первого закона Кирхгофа:

(4.6)

где U— напряжение на стабилитроне, U₀ — напряжение источника питания, I — ток стабилитрона.

При напряжении источника U₀₁ (рис. 4.4) после зажигания разряда устанавливается равновесное состояние, соответствующее точке А. Случайное уменьшение напряжения источника после зажигания разряда до величины U₀₂ перемещает нагрузочную прямую в соответствии с уравнением (4.8) параллельно вниз, и равновесие обеспечивается в точке В. Из рисунка видно, что при переходе в эту точку изменение напряжения на стабилитроне (и со-

ответственно, на нагрузочном резисторе) значительно меньше, чем изменение напряжения источника, т. е. обеспечивается стабилизация выходного напряжения. Для того чтобы стабилизатор функционировал как при увеличении, так и при уменьшении входного напряжения, подбором напряжения источника и балластного резистора обеспечивают пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой в центре рабочего участка.

Заметим, что при напряжении источника U₀₂ в момент включения стабилизатора зажигается слаботочный разряд (точка С), который не обеспечивает заданный режим стабилизации. В то же время нормальная работа стабилитрона в точке В, соответствующей той же нагрузочной прямой, что и точка С, и даже в точке D, соответствующей значительно пониженному напряжению источника U₀₃ возможна, если напряжение источника уменьшилось после зажигания тлеющего разряда.

Увеличение балластного сопротивления в соответствии с уравнением (4.8) поворачивает нагрузочную прямую по часовой стрелке. Для входа стабилитрона в рабочий режим в этом случае требуется более высокое напряжение источника. Перемещению рабочей точки на участке вольт-амперной характеристики А — D в этом случае соответствуют более значительные изменения напряжения источника. В результате этого коэффициент стабилизации устройства увеличивается, но коэффициент полезного действия снижается.

Уравнение (4.8) справедливо лишь в случае, когда ток нагрузки значительно меньше тока стабилитрона. Если токи соизмеримы, то нагрузочная прямая описывается следующим уравнением:

 (4.7)

Из уравнения следует, что прямая идет ниже (меньше постоянный член уравнения прямой) и с меньшим наклоном (меньше угловой коэффициент уравнения). Зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного определяется в этом случае совместным решением уравнений нагрузочной прямой и вольт-амперной характеристики (рис. 4.5).

мутаций (10⁶—10⁷) или зарядом, коммутируемым за весь период работы (10³—10⁴ Кл — «суммарный заряд»).

4.3.2. Устройство и принцип действия

Конструкция типичного разрядника представляет собой два плоских дисковых электрода, разделенных диэлектрической вакуумной оболочкой из керамики (рис. 4.6). Приборы обычно наполняются инертными газами и их смесями до давления от 10² до 10⁶ Па. Характерные значения параметров газоразрядного промежутка: расстояние — до 1 см, площадь — порядка 1 см². Минимальные габариты 8,2x6 мм (диаметр и высота разрядников «кнопочной» конструкции), максимальные — 120x220 мм. В проводящее состояние разрядники переходят в результате возникновения газового разряда. В зависимости от назначения прибора разряд может быть тлеющим (на миллиамперный диапазон токов), дуговым (амперы и килоамперы) или искровым (килоамперы).

Основные физические процессы в тлеющем разряде: развитие электронных лавин, выход электронов из катода под действием ионов и фотонов, перераспределение потенциала в промежутке за счет ионного пространственного заряда, приводящее к формированию узкой прикатодной области с большой напряженностью поля. Характерные величины напряжения горения разряда — сотни вольт.

В дуговом разряде определяющую роль играет термоэмиссия электронов с поверхности катода, разогретого ионной бомбардировкой. Дуговому разряду в сравнении с тлеющим присущи более низкие значения напряжения горения — десятки вольт. Для разрядников характерна «неустановившаяся форма дугового разряда», при которой до высокой температуры быстро разогревается не весь катод, а лишь его микроучасток, в пределах которого возможны плавление и испарение вещества.

Разряд в таких условиях может развиваться в расширяющемся облаке пара материала катода. Для обеспечения необходимой долговечности разрядников в таких случаях особое внимание уделяется выбору катодного материала. Основные требования к нему — низкая работа выхода электронов и сравнительно малая теплота испарения. Одним из распространенных материалов является алюмосиликат цезия, заполняющий поры прессованной губки из никелевого порошка. В сильноточных (до 150 кА) коммута-

ционных разрядниках катод выполняется в виде медной пленки, нанесенной на подслой молибдена.

Искровой разряд развивается при очень высокой интенсивности размножения электронов в лавине, с существенной генерацией фотонов, способных ионизировать молекулы газа. Разряд формируется в виде «стримеров», визуально наблюдаемых как искры. Развитию стримеров физически соответствует быстрое перемещение фронта ионизированного газа, обусловленное тем, что после ухода на анод части электронов лавины положительный пространственный заряд «втягивает» в основной разрядный канал «дочерние» электронные лавины, зарождающиеся перед фронтом в результате фотоионизации газовых молекул.

Достоинства разрядников: широкий диапазон значений рабочих напряжений и токов, устойчивость к токовым перегрузкам, простота конструкции и технологии изготовления, способность нормально функционировать в условиях радиации и высокой (до 300 °С) температуры окружающей среды. Достоинства определяют широкое применение разрядников: в настоящее время выпускается около 50 типов приборов. Обозначение типов обычно включает букву «Р» и номер разработки, например, неуправляемый защитный разрядник Р-150. В обозначении некоторых типов указываются две буквы и номер. Например, РУ-73 — управляемый трехэлектродный разрядник; РО-49 — разрядник обостритель для рентгеновских приборов; РК-160 — коммутирующий разрядник.

4.3.3. Основные физические закономерности

1. Вольт-амперная характеристика разрядников

Одним из основных параметров характеристики (рис. 4.7) является напряжение возникновения разряда, или напряжение пробоя. Условия в разряднике обычно соответствуют правой ветви кривой Пашена, так что пробивное напряжение увеличивается с ростом произведения давления газа на межэлектродное расстояние. На вольт-амперной характеристике про-

бивному напряжению соответствует начальный горизонтальный участок в области малых токов.

Существенное значение для разрядников имеет область характеристики, соответствующая переходу аномального тлеющего разряда в дуговой. Характеристика в этой области имеет максимум, координаты которого зависят от давления газа. При уменьшении давления максимальная точка смещается влево и вверх. Поэтому становится возможным случай, когда напряжение в максимуме превышает напряжения пробоя (кривая 2 на рис. 4.7). Разрядник с такой вольт-амперной характеристикой, очевидно, может работать только при сравнительно малых токах (десятки миллиампер), соответствующих тлеющему разряду.

Более характерный диапазон значений рабочего тока — амперы и кило-амперы, что соответствует дуговому или искровому разрядам. Для такого диапазона давление газа в разрядниках должно выбираться сравнительно большим, чтобы напряжение в максимуме было меньше напряжения пробоя. При разработке разрядников давление и род газа, межэлектродное расстояние, площадь электродов, материал катода обычно подбирают экспериментально с учетом заданных величин пробивного напряжения, максимального тока и габаритов прибора. Катоды изготавливают из многокомпонентных материалов (например, из алюмосиликата цезия) с малой работой выхода, что обеспечивает высокую долговечность разрядников.

2. Статистическое запаздывание возникновения разряда

При подаче на разрядник напряжения, превышающего пробивное, ток возникает с некоторой нерегулярной задержкой по времени, которую называют статистическим запаздыванием зажигания разряда. Запаздывание обусловлено вероятностным характером выхода из катода электронов, инициирующих развитие лавин. Качество разрядника тем выше, чем меньше запаздывание. Экспериментально запаздывание наблюдается по осцилло-

граммам напряжения на разряднике при подключении его к генератору периодических импульсов через ограничительный резистор (рис. 4.8).

В начале эпюры напряжение равно амплитуде импульса. Это свидетельствует об отсутствии тока через разрядник, несмотря на то что амплитуда превышает пробивное напряжение. Через некоторое время напряжение снижается до сравнительно малой (десятки вольт) величины за счет роста тока и увеличения падения напряжения на резисторе. Задержка появления тока изменяется от импульса к импульсу по вероятностному закону, в результате чего участок снижения напряжения заметно «размыт» и нестабилен (временная развертка осциллографа запускается передним фронтом импульса генератора). Диапазон характерных значений задержек определяет вероятностный (случайный) разброс статистического запаздывания зажигания разряда.

Среднее значение времени запаздывания в основном определяется интенсивностью внешнего ионизатора, под действием которого зарождаются электронные лавины. Внешним ионизатором обычно являются естественные (фоновые) или искусственные источники ультрафиолетового, рентгеновского или радиоактивного излучений. Обусловленный внешним ионизатором начальный ток электронов в естественных условиях весьма мал (например, 10~¹⁵ А), так что электроны появляются в газоразрядном промежутке через относительно большие (единицы миллисекунд) интервалы времени и разряд «запаздывает» на такое время, несмотря на достаточно высокое напряжение между электродами.

При увеличении интенсивности ионизатора интервалы времени между появлениями электронов уменьшаются, и соответственно снижается время запаздывания. Это позволяет повысить скорость срабатывания разрядника путем введения в его объем радиоактивных препаратов (изотопы никеля или криптона), являющихся источниками сравнительно слабого (3-излучения (высокоэнергетичные электроны). При наличии изотопов время запаздывания обратно пропорционально активности препаратов, характерные значения которой лежат в диапазоне 10—500 мкКюри (4х10⁵—2х10⁷ расп./с).

Эффективным способом уменьшения статистического запаздывания зажигания разряда является нанесение на внутреннюю поверхность керамической вакуумной оболочки так называемых «зажигательных полосок» из графита (ширина около 1 мм). Полоски направлены вдоль разрядного промежутка и контактируют с одним из электродов разрядника. В узком зазоре между полоской и противоположным электродом при пороговом напряжении обеспечивается повышенная напряженность электрического поля, достаточная для возникновения поверхностных микроразрядов, что эквивалентно увеличению интенсивности внешнего ионизатора и снижает время запаздывания. Выполняя функции подготовки основного разряда, ионизационные процессы в зазоре не вносят существенный вклад в ток разрядника, так как сопротивление тонкой графитовой полоски сравнительно велико.

При возникновении разряда проявляется вероятностный характер как зарождения первичных электронов, так и процессов развития лавин и эмиссии вторичных электронов из катода под действием ионов или фото-

нов. Вероятность развития разряда зависит от коэффициента ионизационного нарастания ц, показывающего, во сколько раз число вторичных электронов больше числа первичных. Величина коэффициента определяется соотношением:

µ=γ[exp(αd)-1]                                   (4.9)

где  γ — коэффициент вторичной эмиссии, d — межэлектродное расстояние, α — коэффициент ионизации газа электронами (число ионизации на единице пути), увеличивающийся с ростом напряжения U в соответствии с формулой

(4.10)

где А и В — константы, зависящие от рода газа, р — давление газа.

Вероятность возникновения разряда ш связана с коэффициентом ионизационного нарастания следующим приближенным соотношением:

. (4.11)

Среднее время статистического запаздывания разряда определяется формулой

(4.12)

где А_о — активность источника радиации (мкКюри), а — коэффициент, зависящий от рода газа (например, для аргона а = 1,5x10⁴ мкс-мкКюри).

Из соотношений (4.10)—(4.12) следует, что при μх = 1 (условие возникновения разряда без учета вероятностного характера ионизации и вторичной эмиссии электронов) время запаздывания бесконечно большое, поскольку

вероятность to = 0. Разряд возникает лишь при µ > 1, что достигается повышением напряжения между электродами.

Коэффициент ионизационного нарастания ц очень резко увеличивается с ростом напряжения [соотношения (4.10) и (4.11)], и время запаздывания разряда уменьшается (рис. 4.9), приближаясь к установившемуся значению, которое соответствует вероятности развития разряда со, близкой к единице. Это достигается при сравнительно небольшом (порядка 20%) превышении напряжения над величиной, определяемой условием зажигания самостоятельного разряда (μ = 1).

Вероятность появления определенного времени статистического запаздывания разряда dµ(t_s) (в бесконечно малом интервале dt_s) при известном среднем значении времени характеризуется функцией распределения разрядов по времени запаздывания — зависимостью отношения dµ(t_s)/dt_s (плотность вероятности) от времени запаздывания (рис. 4.10).

Функция распределения определяется соотношением:

(4.13)

Из соотношения (4.13) следует, что при t_s = 0 плотность вероятности равна (1/), а среднее значение  соответствует точке на кривой распределения, в которой плотность уменьшилась в е раз (е = 2,718) от начальной величины (1/). Интегрирование функции дает вероятность возникновения разряда с временем запаздывания в конечном интервале (например, больше или меньше заданной величины t_s0).

Статистическое запаздывание разряда приводит к тому, что в случае быстрого увеличения напряжения (1—10 кВ/мкс) разрядник срабатывает при более высоком напряжении, чем при медленном нарастании напряжения. Поэтому в паспортных данных приборов приводят два параметра: статическое пробивное напряжение U_s (при медленном подъеме напряжения) и динамическое пробивное напряжение U_d (при быстром подъеме с определенной скоростью). Параметры U_d и U_s связаны соотношением ,

(4.14)

где (dU / dt) — скорость роста напряжения. Динамическое пробивное напряжение обычно превышает статическое в несколько раз.

Соотношения (4.9)—(4.14) и представленные графики используются при проектировании разрядников для определения давления и рода газа, межэлектродного расстояния, материала катода и активности радиоактивного препарата, обеспечивающих требуемые значения статического и динамического напряжений срабатывания, а также среднего времени статистического запаздывания разряда.

4.4. Импульсные водородные тиратроны

4.4.1. Назначение тиратронов

Тиратрон — это трехэлектродный прибор, предназначенный для формирования коротких импульсов высокого напряжения при больших токах в нагрузке. Характерные параметры импульсов: длительность — нано- или микросекунды, напряжение — 5—50 кВ, ток — 50 А—15 кА, частота следования — 0,2—100 кГц. Импульсы формируются быстрым подключением нагрузки к накопителю энергии (конденсатор, задающая длинная линия), который за время импульса полностью разряжается. Подключение осуществляется тиратроном при поступлении на управляющий электрод сравнительно маломощного импульса напряжения.

Типичная (упрощенная) схема включения тиратрона (рис. 4.11) содержит высоковольтный источник постоянного напряжения U_o, зарядный резистор R₃ (или дроссель), тиратрон V, сетка которого соединена с корпусом через резистор R_c, генератор управляющих импульсов G, накопитель энергии С и нагрузку R_H (магнетрон, лазер и т. п.).

В паузе между управляющими импульсами конденсатор сравнительно медленно (миллисекунды) заряжается от источника питания через резисторы R₃ и R_H. С приходом импульса на сетку тиратрон открывается, и конденсатор быстро (микросекунды) разряжается большим током через тиратрон и нагрузочный резистор, на котором в результате формируется импульс напряжения отрицательной полярности. При открывании тиратрона напряжение на нем уменьшается до величины напряжения горения разряда (порядка 50 В), что обычно намного меньше напряжения источника питания. Когда напряжение на тиратроне, по мере разряда конденсато-

pa, уменьшается до величины ниже требуемой для горения, анодный ток прекращается (прибор закрывается).

4.4.2. Устройство и принцип действия

Основные элементы конструкции тиратрона (рис. 4.12): подогревный оксидный катод, анод и расположенная между ними двойная металлическая перегородка с отверстиями, выполняющая роль управляющей сетки. Отверстия в первой стенке сетки смещены относительно отверстий во второй для обеспечения низкой проницаемости (чтобы высокий потенциал анода в закрытом тиратроне не ускорял электроны, выходящие из катода). Приборы заполняются водородом до давления порядка 0,1% атмосферного. Характерные габариты приборов: диаметр — от 30 до 200 мм, высота — от 70 до 300 мм.

В исходном состоянии, до прихода управляющего импульса напряжения, катод разогрет до рабочей температуры, а потенциал сетки равен нулю (относительно катода). Потенциал анода высокий (киловольты), но из-за низкой проницаемости сетки он не ускоряет эмитируемые катодом электроны. После поступления на сетку положительного управляющего импульса напряжения (сотни вольт) электроны ускоряются и ионизируют газ в промежутке сетка-катод, между пластинами сетки и в промежутке сетка-анод. В приборе формируется плазма, обладающая высокой электропроводностью, что обеспечивает переход тиратрона в открытое состояние при сравнительно низком (около 50 В) напряжении между анодом и катодом в условиях значительного (до килоампер) тока.

По мере разряда конденсатора С (накопителя энергии) через тиратрон и сопротивление нагрузки напряжение на промежутке анод-катод становится недостаточным для поддержания разряда. Электроны и ионы диффундируют к электродам и стенкам вакуумной оболочки, оседают на их поверхностях и рекомбинируют между собой — плазма «распадается», а промежуток анод-катод восстанавливает изоляционные свойства. Если импульс на сетке закончился раньше разряда конденсатора С, анодный ток тиратрона не прерывается, поскольку пространственный заряд

ионов компенсирует снижение потенциала сетки. Это определяет характерную особенность тиратронного ключа: он лишь замыкает электрическую цепь, но не размыкает ее.

Основное достоинство тиратронов — низкое падение напряжения в открытом состоянии, что определяет малые тепловые потери мощности, высокий коэффициент полезного действия и снижает требования к системе охлаждения. Малое в сравнении с вакуумными приборами падение напряжения обеспечивается тем, что ионы водорода компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов, затрудняющий прохождение электронного потока между катодом и анодом.

В настоящее время в России выпускается около 20 типов тиратронов. Обозначение типов содержит буквы ТГИ (тиратрон газоразрядный импульсный) и цифры, показывающие значения рабочего тока (в амперах) и напряжения (в киловольтах). Например: ТГИ-50/6; ТГИ-1000/25.

4.4.3. Основные физические закономерности

1. Электрическая прочность тиратронов

Способность тиратронов выдерживать большое анодное напряжение в закрытом состоянии определяется зависимостью напряжения возникновения (зажигания) самостоятельного разряда в промежутке сетка-анод от давления газа и межэлектродного расстояния (рис. 4.13).

С ростом давления и расстояния напряжение снижается, поскольку условия в тиратроне соответствуют левой ветви кривой Пашена. При особо малых значениях давления и расстояния наблюдается отклонение от кривой Пашена: напряжение не зависит от давления и определяется условиями возникновения вакуумного пробоя. Механизм инициирования пробоя связан с явлениями на поверхности электродов, обусловленными сильным электрическим полем. К таким явлениям относятся автоэлектронная эмиссия с микроострий и отрыв микрочастиц от электродов. Оба явления способны вызывать взрывообразное выделение газа или пара в промежуток, что создает условия для развития разряда. Напряжение вакуумного

пробоя U_o (кВ) повышается с увеличением расстояния сетка-анод d_ca (см) в соответствии с эмпирической формулой:

^ (4.15)

Зависимость напряжения  зажигания  разряда от давления  водорода и расстояния определяется следующим эмпирическим выражением:

 (4-16)

где U₃ — напряжение зажигания самостоятельного разряда в промежутке сетка-анод (кВ); р — давление водорода (Торр).

Зависимости напряжения зажигания от давления газа при различных межэлектродных расстояниях (рис. 4.13) используются для обоснования выбора параметров р и d_{c а} по заданному значению максимально допустимого анодного напряжения. При этом обеспечивают некоторый запас электрической прочности, полагая напряжение вакуумного пробоя U_Q превышающим значение максимально допустимого на 20—50%. По соотношению (4.15) рассчитывают расстояние d_{c а} (обычно несколько миллиметров) и, полагая U₃ = U_o, определяют максимальное допустимое давление водорода [при более высоком давлении напряжение зажигания в соответствии с соотношением (4.16) оказывается ниже рабочего]. Изложенная последовательность расчета обеспечивает наиболее высокое (около 0,5 Торр) допустимое давление, что, как будет показано далее, важно для обеспечения малого времени развития разряда.

2. Допустимый ток

Наибольший допустимый ток тиратрона определяется эмиссионной способностью катода. В тиратронах обычно используется оксидный катод, для которого в режиме микросекундных импульсов допустимая плотность тока составляет 10 А/см². Делением заданного значения рабочего тока тиратрона на допустимую плотность тока катода определяют необходимую площадь катода. При этом используется характерный для тиратронов принцип конструирования катода, обеспечивающий уменьшение габаритов прибора: эмитирующая поверхность выполняется в виде сотовой или ребристой структуры. Плазма проникает в соты (между ребрами), что обеспечивает отбор электронов, эмитированных как с дна, так и с боковых поверхностей сот (ребер). В вакуумных приборах такая конструкция катода не применяется, так как электронный пространственный заряд ограничивает отбор электронов (в газе заряд компенсируется ионами).

Катод тиратрона обычно представляет собой цилиндр с торцевой эмитирующей поверхностью (рис. 4.12). Площадь поверхности S при наличии квадратных сот с шагом / определяется соотношением:

                        (4.17)

где d_k — диаметр катода; h — глубина сот (порядка шага).

Из формулы следует, что соты увеличивают площадь эмитирующей поверхности тем больше, чем меньше шаг структуры (и больше, соответственно, количество сот). Однако если шаг меньше величины 1_т, равной нескольким длинам свободного пробега электронов в газе, то плазма не заполняет объем ячейки, электроны с дна сот и нижней части их боковых стенок полем не отбираются, а сотовая структура «не работает». В связи с этим зависимость допустимого тока катода от шага структуры (рис. 4.14) имеет максимум при значении аргумента, несколько превышающем величину 1_т.

С увеличением давления газа длина свободного пробега электронов уменьшается. Соответственно, уменьшается и величина I_m, что позволяет увеличивать число сот (при уменьшении шага) с целью повышения допустимого тока катода. Максимум зависимости тока от шага смещается влево и вверх (кривые 1 и 2 на рис. 4.14).

Ток существенно возрастает при увеличении диаметра катода из-за увеличения его площади (кривые 2 и 3 на рис. 3.4).

Зависимость допустимого тока от давления газа учитывается при выборе размеров катода, поскольку в тиратроне давление может существенно изменяться из-за нестабильности напряжения накала и свойств водородного генератора, а также из-за электрического поглощения газа в процессе срока службы. При неконтролируемом снижении давления допустимый ток катода может оказаться ниже рабочего значения тока тиратрона, что приведет к повышению напряжения горения разряда, усилению распыления катода ионной бомбардировкой и сокращению срока службы прибора. Для предотвращения этого катод конструируют с определенным (20—50%) запасом эмиссионной способности.

3. Быстродействие тиратрона

Скоростная способность тиратрона характеризуется интервалом времени между передним фронтом управляющего импульса и началом вершины импульса анодного тока. В первом приближении интервал разбивают на две составляющие: от фронта до начала роста анодного тока и от этого начала до вершины токового импульса. Первая составляющая, называемая запаздыванием разряда, существенно больше второй, однако для практики они одинаково важны.

Запаздывание разряда определяется процессами в катодно-сеточной области. В начале управляющего импульса напряжения ток между сеткой и катодом сравнительно мал (на несколько порядков меньше рабочего тока катода) в результате ограничения пространственным зарядом электронов. Механизм ограничения состоит в том, что заряд понижает пространственные потенциалы, вблизи катода они становятся отрицательным, и почти все эмитированные электроны после торможения возвращаются на катод.

Тормозящее поле у катода преодолевают лишь электроны с большими значениями тепловой скорости. Эти электроны ускоряются потенциалом сетки и ионизируют газ. Ионы частично компенсируют отрицательный пространственный заряд, что увеличивает поток электронов на сетку, усиливая этим ионизацию газа. Малоподвижные ионы не успевают уходить на катод и накапливаются в промежутке. Поэтому процесс лавинообразно нарастает до почти полной компенсации заряда электронов, что соответствует открытому состоянию тиратрона.

При анализе процесса развития разряда между сеткой и катодом полагается, что приращение плотности электронного тока d j (t) за интервал времени d t пропорционально плотности тока, определяющей количество электронов, ионизирующих газ, и величине интервала:

dj{t) = cj(t)dt, (4.18)

где с — коэффициент пропорциональности, равный числу ионизации, производимых электроном в единицу времени, которое определяют делением числа ионов в электронной лавине на время ее развития:

 (4.19)

где α — коэффициент объемной ионизации газа электронами, зависящий от напряженности электрического поля Е; d_CK — расстояние сетка—катод; Кe₁ — подвижность электронов при единичном давлении газа; произведение в скобках в знаменателе — направленная скорость электронов.

Начальным условием дифференциального уравнения (4.18) является «закон степени 3.2» для водорода на левой ветви кривой Пашена:

 (4.20)

где U — напряжение между сеткой и катодом (плотность тока, давление и расстояние измеряются соответственно в единицах: А/см², Торр, см).

Развитие разряда считается завершенным, когда плотность тока достигает «пускового» значения j_n = 0,1 А/см² (по данным эксперимента), что позволяет на основе уравнений (4.18)—(4.20) определить время запаздывания открывания тиратрона:

(4.21)

Коэффициент а определяется соотношением:

              (4.22)

Расчеты по соотношениям (4.21) и (4.22), а также экспериментальные данные показывают, что время запаздывания не превышает единиц микросекунд. Оно снижается с ростом давления газа и напряжения, что объясняется усилением ионизации за счет увеличения количества столкновений электронов с газовыми молекулами и за счет увеличения энергии электронов. Увеличение расстояния ведет к росту времени запаздывания. По зависимости времени запаздывания от давления газа при различных величинах расстояния сетка-катод и напряжения (рис. 4.15) обосновывается выбор этих параметров.

Время формирования разряда в промежутке сетка-анод приближенно может оцениваться по соотношениям (4.21) и (4.22) при подстановке в них расстояния и напряжения между сеткой и анодом, а также при замене начальной плотности тока j₀ на пусковую j_n, а пусковой — на рабочую, соответствующую заданному току тиратрона. Расчеты и эксперимент показывают, что время формирования составляет десятки наносекунд, что меньше времени запаздывания разряда более, чем на порядок. Столь большое различие объясняется высоким напряжением на промежутке (киловольты вместо сотен вольт), а также тем, что расстояние сетка-анод (миллиметры) приблизительно на порядок меньше, чем сетка-катод (сантиметры).

Для развития разряда между сеткой и анодом характерны те же закономерности, что и для промежутка сетка-катод: время формирования уменьшается с ростом давления и напряжения и увеличивается с ростом

расстояния. Погрешность оценки времени формирования разряда между катодом и анодом по соотношениям (4.21) и (4.22) определяется тем, что не учитывается инерционность проникновения плазмы сквозь сеточные отверстия.

Время формирования разряда в анодно-сеточной области мало, но является важным параметром тиратрона, поскольку определяет длительность переднего фронта рабочего импульса и минимально возможную длительность самого импульса. Кроме этого, пропорционально времени формирования возрастают «стартовые» потери мощности в тиратроне на переднем фронте импульса, которые в несколько раз превышают потери в самом импульсе из-за одновременно больших значений напряжения и тока (рис. 4.16).

Стартовые потери фактически определяют мощность, выделяющуюся в тиратроне за счет анодного тока, которая равна интегралу импульса мощности на рис. 4.16, отнесенному к периоду следования импульсов. От уровня стартовых потерь зависят тип необходимой системы охлаждения (естественное, принудительное воздушное, водяное) и предельно допустимая частота следования импульсов.

4. Восстановление электрической прочности

После полного разряда накопителя энергии и окончания рабочего импульса тока напряжение на аноде тиратрона близко к нулю и плазма распадается (деионизируется) за счет ухода электронов и ионов на электроды прибора в результате амбиполярной диффузии. На поверхности электродов частицы рекомбинируют (объединяются в нейтральные молекулы). Время деиони-зации плазмы сравнительно велико (сотни микросекунд). В течение этого времени тиратрон в процессе роста напряжения на аноде при заряде накопителя энергии может открываться до прихода управляющего импульса на сетку. Причина открывания — развитие разряда в результате ионизации газа электронами, оставшимися в объеме от предыдущего импульса тока.

Время деионизации определяет предельно допустимую частоту следования импульсов, величина которой обратно пропорциональна времени распада плазмы.

Для приближенной оценки времени деионизации (постоянной распада плазмы — времени уменьшения концентрации зарядов в е раз) и определения влияния на него различных параметров используется соотношение:

(4.23)

где t_d — постоянная распада плазмы; D_a — коэффициент амбиполярной диффузии, возрастающий при уменьшении давления газа и массы его молекул.

Из соотношения (4.23) следует, что для быстрого восстановления электрической прочности тиратрона необходимо, чтобы прибор был наполнен легким газом при минимально возможных значениях давления газа и расстояния между электродами. Эти требования обусловили применение водорода в тиратронах при сравнительно низком (до 100 Па) давлении в условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена.

На практике недостаточно быстрое восстановление электрической прочности тиратрона проявляется в возникновении «повторных зажиганий», когда в процессе роста напряжения на аноде тиратрон открывается до поступления управляющего импульса (случай 2 на рис. 4.17).

Повторные зажигания нарушают нормальное функционирование радиоэлектронной аппаратуры, в которой используются тиратроны.

Предельно допустимая частота следования импульсов для современных тиратронов достаточно высока (десятки кГц), что выгодно отличает их от коммутационных разрядников, для которых характерны более низкие (на 2—3 порядка) допустимые частоты из-за высокого давления газового наполнения. По допустимой частоте следования импульсов тиратроны существенно уступают вакуумным модуляторным приборам, но значительно превосходят их по максимально допустимому току и выгод-но отличаются малым напряжением между анодом и катодом в открытом состоянии и, соответственно, — высоким коэффициентом полезного действия коммутатора.

4.5. Счетчики Гейгера—Мюллера

4.5.1. Назначение счетчиков

Счетчик Гейгера — Мюллера — это двухэлектродный прибор, предназначенный для определения интенсивности ионизирующего излучения или, иными словами, для счета возникающих при ядерных реакциях ионизирующих частиц: ионов гелия (α-частиц), электронов (β-частиц), квантов рентгеновского излучения (γ-частиц) и нейтронов. Частицы распространяются с очень большой скоростью [до 2х10⁷ м/с для ионов (энергия до 10 МэВ) и около скорости света для электронов (энергия 0,2—2 МэВ)], благодаря чему проникают внутрь счетчика. Роль счетчика заключается в формировании короткого (доли миллисекунды) импульса напряжения (единицы—десятки вольт) при попадании частицы в объем прибора.

В сравнении с другими детекторами (датчиками) ионизирующих излучений (ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком) счетчик Гейгера —Мюллера отличается высокой пороговой чувствительностью: он позволяет контролировать естественный радиоактивный фон земли (1 частица на см² за 10—100 секунд). Верхний предел измерения сравнительно невысок — до 10⁴ частиц на см² в секунду, или до 10 Зиверт в час (Зв/ч). Особенностью счетчика является способность формировать одинаковые выходные импульсы напряжения вне зависимости от рода частиц, их энергии и числа ионизации, произведенных частицей в объеме датчика.

Типичная схема включения датчика V (рис. 4.18) содержит источник постоянного напряжения U_o (сотни вольт), резистор R (единицы МОм), разделительный конденсатор С и счетчик электрических импульсов А с входной (паразитной) емкостью С_о. Поступление ионизирующей частицы в счетчик приводит к появлению импульса тока (единицы-десятки микроампер) от источника через резистор и датчик. Напряжение на аноде прибора кратковременно (доли миллисекунды) снижается, и отрицательный импульс напряжения через разделительный конденсатор С поступает на вход блока А, в котором импульсы считаются в течение определенного интервала времени (секунды—минуты). Отношение

числа импульсов к интервалу времени характеризует мощность дозы излучения.

4.5.2. Устройство и принцип действия счетчика

Работа счетчика Гейгера основана на несамостоятельном импульсном газовом разряде между металлическими электродами, который инициируется одним или несколькими электронами, появляющимися в результате ионизации газа α-, β-, или γ-частицей. В счетчиках обычно используется цилиндрическая конструкция электродов, причем диаметр внутреннего цилиндра (анода) много меньше (2 и более порядков), чем наружного (катода), что имеет принципиальное значение. Характерный диаметр анода 0,1 мм.

Частицы поступают в счетчик через вакуумную оболочку и катод в «цилиндрическом» варианте конструкции (рис. 4.19, а) или через специальное плоское тонкое окно в «торцевом» варианте конструкции (рис. 4.19,b). Последний вариант используется для регистрации α-частиц, обладающих низкой проникающей способностью (задерживаются, например, листом бумаги), но очень опасных в биологическом отношении при попадании источника частиц внутрь организма. Детекторы со слюдяными окнами используются также для счета β-частиц сравнительно малой энергии («мягкое» бэта-излучение).

В цилиндрическом варианте счетчика, предназначенного для регистрации β-частиц высокой энергии или мягкого рентгеновского излучения, используют тонкостенную вакуумную оболочку, а катод выполняют из тонкой фольги или в виде тонкой пленки металла (медь, алюминий), напыленной на внутреннюю поверхность оболочки. В ряде конструкций тонкостенный металлический катод (с ребрами жесткости) является элементом вакуумной оболочки. Жесткое рентгеновское излучение (γ-частицы) обладает повышенной проникающей способностью. Поэтому его регистрируют детекторами с достаточно толстыми стенками вакуумной оболочки и массивным катодом. В счетчиках нейтронов катод покрывается тонким слоем кадмия или бора, в котором нейтронное излучение преобразуется в радиоактивное через ядерные реакции.

Объе прибора обычно заполнен аргоном или неоном с небольшой (до 1%) примесью аргона при давлении, близком к атмосферному (10— 50 кПа). Для устранения нежелательных послеразрядных явлений в газовое наполнение вводится примесь паров брома или спирта (до 1%).

Способность счетчика Гейгера регистрировать частицы независимо от их рода и энергии (генерировать один импульс напряжения независимо от количества образованных частицей электронов) определяется тем, что благодаря очень малому диаметру анода почти все приложенное к электродам напряжение сосредоточено в узком прианодном слое. За пределами слоя находится «область улавливания частиц», в которой они ионизируют молекулы газа. Электроны, оторванные частицей от молекул, ускоряются к аноду, но газ ионизируют слабо из-за малой напряженности электрического поля. Ионизация резко усиливается после входа электронов в прианодный слой с большой напряженностью поля, где развиваются электронные лавины (одна или несколько) с очень высокой степенью размножения электронов (до 10⁷). Однако возникающий за счет этого ток еще не достигает величины, соответствующей формированию сигнала датчика.

Дальнейший рост тока до рабочего значения обусловлен тем, что в лавинах одновременно с ионизацией генерируются ультрафиолетовые фотоны с энергией около 15 эВ, достаточной для ионизации молекул примеси в газовом наполнении (например, потенциал ионизации молекул брома равен 12,8 В). Электроны, появившиеся в результате фотоионизации молекул за пределами слоя, ускоряются к аноду, но лавины здесь не развиваются из-за малой напряженности поля и процесс слабо влияет на развитие разряда. В слое ситуация иная: образующиеся фотоэлектроны благодаря большой напряженности инициируют интенсивные лавины, в которых генерируются новые фотоны. Их количество превышает первоначальное и процесс в слое по схеме «фотоны — электронные лавины — фотоны» быстро (несколько микросекунд) нарастает (входит в «спусковой режим»). При этом разряд от места первых лавин, инициированных частицей, распространяется вдоль анода («поперечное зажигание»), анодный ток резко увеличивается и формируется передний фронт сигнала датчика.

Задний фронт сигнала (уменьшение тока) обусловлен двумя причинами: снижением потенциала анода за счет падения напряжения от тока на резисторе (на переднем фронте потенциал поддерживается межэлектродной емкостью) и снижением напряженности электрического поля в слое под действием пространственного заряда ионов после ухода электронов на анод (заряд повышает потенциалы точек, в результате чего перепад напряжения на слое уменьшается, а на области улавливания частиц увеличивается). Обе причины снижают интенсивность развития лавин и процесс по схеме «лавины — фотоны — лавины» затухает, а ток через датчик уменьшается. После окончания импульса тока потенциал анода увеличивается до исходного уровня (с некоторой задержкой из-за заряда межэлектродной емкости через анодный резистор), распределение потенциала в промежутке между электродами возвращается к первоначальной форме в результате ухода ионов на катод и счетчик восстанавливает способность регистрировать поступление новых частиц.

Выпускаются десятки типов детекторов ионизирующих излучений [8J. При их обозначении используется несколько систем. Например, СТС-2, СТС-4 — счетчики торцевые самогасящиеся, или МС-4 — счетчик с медным катодом (В — с вольфрамовым, Г — с графитовым), или САТ-7 — счетчик α-частиц торцевой, СБМ-10 — счетчик β-частиц металлический, СНМ-42 — счетчик нейтронов металлический, СРМ-1 — счетчик для рентгеновского излучения.

4.5.3. Основные физические закономерности

1. Восстановление работоспособности после регистрации частицы

Время ухода ионов из промежутка после регистрации частицы оказывается сравнительно большим — единицы миллисекунд, что ограничивает верхний предел измерения мощности дозы излучения. При высокой интенсивности излучения частицы поступают с интервалом, меньшим времени ухода ионов, и некоторые частицы датчик не регистрирует. Процесс иллюстрируется осциллограммой напряжения на аноде датчика в ходе восстановления его работоспособности (рис. 4.20).

Поступление первой частицы (1 на рис. 4.20) в объем датчика инициирует импульсный газовый разряд, что ведет к снижению напряжения на величину U_o (нормальная амплитуда сигнала). Далее напряжение возрастает в результате медленного уменьшения тока через промежуток по мере ухода ионов на катод и за счет заряда межэлектродной емкости от источника напряжения через ограничительный резистор. Если в датчик через небольшой интервал времени после поступления первой попадает другая частица (2 на рис. 4.20), то разрядные процессы развиваются слабо из-за пониженного напряжения и малой напряженности поля у анода в условиях действия пространственного заряда ионов. Сигнал датчика в этом случае оказывается недопустимо малым. Поступление второй частицы через более длительный интервал времени после первой (частицы 3—5 на рис. 4.20) дает сигнал большей амплитуды, так как напряжение увеличивается, а пространственный заряд уменьшается.

Если вторая частица поступает в датчик после первой через интервал, меньший, чем отрезок времени между частицами 1 и 2 на рис. 4.20, то по изложенным выше причинам датчик вообще сигнал не вырабатывает («не считает» частицу). В связи с этим временной интервал между частицами 1 и 2 называется «мертвым временем счетчика» (амплитуда сигнала частицы 2 составляет 10% от нормальной). Отрезок времени между частицами 2 и 5 на рис. 4.20 называется «временем восстановления датчика» (сигнал частицы 5 составляет 90% нормального). В течение этого времени амплитуда сигналов датчика понижена, и они могут не регистрироваться счетчиком электрических импульсов.

Мертвое время (0,01—1 мс) и время восстановления (0,1—1 мс) являются важными параметрами счетчика Гейгера. Наибольшая регистрируемая мощность дозы тем выше, чем меньше значения этих параметров. Основными факторами, определяющими параметры, являются давление газа и величина ограничительного резистора. С уменьшением давления и величины резистора мертвое время и время восстановления уменьшаются, так как увеличивается скорость ухода ионов из промежутка и уменьшается постоянная времени процесса заряда межэлектродной емкости.

Однако при уменьшении давления снижается способность датчика улавливать частицы, поскольку увеличивается количество частиц, пересекающих межэлектродный промежуток без столкновений с молекулами газа. Уменьшение величины резистора снижает амплитуду сигнала датчика и его срок службы. Последнее связано с увеличением тока разряда, вызывающего разложение примеси брома (или спирта) в газовом наполнении датчика. Чрезмерное уменьшение сопротивления повышает также вероятность появления ложных сигналов, связанных с эмиссией электронов из катода под действием ионов. Снижение постоянной времени заряда межэлектродной емкости обеспечивают предельно возможным уменьшением паразитной емкости (С_а на рис. 4.18). Мертвое время и время восстановления зависят также от анодного напряжения: они максимальны при некоторой величине напряжения. Ниже нее концентрация ионов быстрее снижается до пренебрежимо малой величины в результате ее малого начального значения, а выше — за счет повышения скорости движения ионов.

2. Дозиметрическая характеристика

Чувствительность счетчика Гейгера — это отношение частоты генерируемых датчиком импульсов к мощности дозы излучения, измеряемой в ми-крозивертах на час (мкЗв/ч; варианты: Зв/с, мЗв/с, мкЗв/с). Характерные значения чувствительности: 0,1—1 импульсов на микрозиверт. В рабочем диапазоне чувствительность является коэффициентом пропорциональности между показаниями счетчика (количеством импульсов в секунду) и мощностью дозы. За пределами диапазона пропорциональность нарушается, что отражает дозиметрическая характеристика детектора — зависимость показаний от мощности дозы (рис. 4.21).

Из физических соображений следует, что показания датчика по мере увеличения мощности дозы не могут превысить величину (1/τ_м, где τ_м —

мертвое время датчика (частицы, поступающие через интервал времени, меньший х_м, не считаются). Поэтому рабочий линейный участок дозиметрической характеристики плавно переходит в области интенсивной радиации в горизонтальную прямую на уровне (1/ τ_м)

С уменьшением мертвого времени дозиметрическая характеристика датчика переходит в горизонтальную прямую на более высоком уровне при более высокой мощности радиации, и верхний предел измерения повышается. Такая ситуация наблюдается при уменьшении давления газа (рис. 4.21). Однако одновременно снижается чувствительность датчика (увеличивается количество частиц, пересекающих газоразрядный промежуток без столкновений с молекулами). Поэтому при уменьшении давления дозиметрическая характеристика опускается вниз. Математически характеристика описывается следующим соотношением:

(4.24)

где N — скорость счета (показания датчика — число импульсов в секунду); Л — чувствительность счетчика (импульсов в секунду на микрозиверт); Р — мощность дозы радиации; τ_м  — мертвое время датчика (в секундах).

3. Счетная характеристика датчика

Контроль мощности дозы излучения наиболее часто приходится вести вне помещений или в полевых условиях, где электрическое питание датчика осуществляется от аккумуляторов или других гальванических источников. Их напряжение по мере работы уменьшается. В то же время, газоразрядные процессы в датчике зависят от напряжения в очень сильной степени. Поэтому зависимость показаний счетчика Гейгера от напряжения при неизменной мощности дозы радиации является одной из наиболее важных характеристик датчика. Зависимость называется счетной характеристикой датчика (рис. 4.22).

На одной из представленных зависимостей (кривая 2) отмечены характерные точки A—D. При малом напряжении (левее точки А) электро-

ны, образующиеся в датчике при попадании ионизирующей частицы, инициируют электронные лавины, но их интенсивность недостаточна для формирования импульса тока необходимой амплитуды, и показания счетчика равны нулю. Точка А соответствует «напряжению начала счета». При увеличении напряжения на участке А—В показания счетчика возрастают, поскольку растет вероятность поступления электронов из области улавливания частиц в прианодный слой с большой напряженностью поля. При низком напряжении электроны за время движения к слою рекомбинируют с ионами (предварительно могут «прилипать» к молекулам примеси брома с образованием отрицательных ионов). В точке В напряжение достаточно для быстрого перемещения практически всех электронов в слой, а интенсивность рекомбинации близка к нулю. Датчик вырабатывает сигналы нормальной амплитуды.

На рабочем участке счетной характеристики В— С («плато характеристики») показания счетчика слабо увеличиваются с ростом напряжения, что имеет важное практическое значение и является достоинством счетчика Гейгера. Его качество тем выше, чем больше протяженность плато (100—400 В) и меньше крутизна горизонтального участка счетной характеристики. Крутизна (или наклон) плато S характеризуется процентным изменением показаний счетчика на единицу напряжения:

                       (4.25)

где N_B и Nc — показания счетчика в начале и конце плато; U_B и U_C — значения напряжения в начале и конце плато. Характерные значения крутизны 0,01-0,05%/B.

Относительная стабильность показаний на плато счетной характеристики обеспечивается специфическим типом разряда, возникающего в датчике с приходом ионизирующей частицы. Увеличение напряжения интенсифицирует развитие электронных лавин, но это приводит лишь к ускорению распространения разряда вдоль анода, а способность счетчика генерировать один сигнал на одну частицу почти не нарушается.

Небольшой рост скорости счета с увеличением напряжения на плато счетной характеристики связан с эмиссией электронов из катода под действием разряда. Эмиссия обусловлена так называемыми γ-процессами, под которыми понимают вырывание электронов ионами, возбужденными атомами и фотонами. Коэффициент γ условно считается равным количеству электронов, приходящихся на один ион (возбужденные атомы и фотоны подразумеваются). Характерные значения коэффициента составляют 0,1—0,01 (10—100 ионов вырывают электрон в зависимости от рода газа и материала катода). При таких значениях коэффициента счетчик Гейгера не функционирует, поскольку выходящие из катода электроны регистрируются как ионизирующие частицы (регистрируются «ложные» сигналы).

Нормальное функционирование счетчика обеспечивается введением в газовое наполнение примеси брома или паров спирта («гасящие примеси»), что резко снижает коэффициент у (ниже 10-⁴). В этом случае число ложных сигналов также резко уменьшается, но остается ощутимым (например, единицы процентов). С увеличением напряжения разрядные процессы усиливаются, т. е. количество ионов, возбужденных атомов и фотонов увеличивается и соответственно возрастает количество ложных сигналов. Этим объясняются небольшой рост показаний датчика на плато счетной характеристики (увеличение наклона) и окончание плато (переход в крутой участок C—D). При увеличении содержания примеси коэффициент у снижается в большей степени, что уменьшает наклон плато и увеличивает его длину (кривые 2 и 3 на рис. 4.22).

Однако увеличение содержания гасящей примеси выше определенной величины (1% для брома, 10% для спирта) ухудшает параметры датчика: повышается напряжение начала счета (точка А на рисунке), увеличивается наклон плато и сокращается его длина. Это объясняется тем, что часть электронов, образованных ионизирующей частицей, «прилипает» к молекулам брома или спирта с образованием тяжелых отрицательных ионов, которые приходят в прианодный слой через значительный промежуток времени, когда счетчик уже восстановил способность регистрировать частицы. В слое под действием большой напряженности поля ион расщепляется и появившийся электрон инициирует ложный сигнал датчика.

Физический механизм действия гасящих примесей заключается в резком снижении поступления на катод ионов, возбужденных атомов и фотонов, способных вызывать эмиссию электронов, а также в повышении работы выхода электронов из катода. Ионы основного газа (неон или аргон) в процессе движения к катоду становятся нейтральными атомами в результате «перезарядки» при столкновениях с молекулами примеси, так как потенциалы ионизации неона и аргона больше, чем брома и спирта (соответственно: 21,5 В; 15,7 В; 12,В В; 11,3 В). Выделяющаяся при этом энергия расходуется на разрушение молекул или на образование низкоэнергетичных фотонов, не способных вызвать фотоэмиссию электронов. Такие фотоны, к тому же, хорошо поглощаются молекулами примеси.

Образующиеся при перезарядке ионы примеси на катод попадают, но эмиссию электронов не вызывают. В случае брома это объясняется тем, что потенциальная энергия иона (12,8 эВ) недостаточна для вырывания из катода двух электронов (один — на нейтрализацию иона, а другой — для начала электронной лавины), так как работа выхода электронов из катода при наличии примеси брома повышается до 7 эВ. В случае спирта при нейтрализации ионов на катоде выделяющаяся энергия обычно расходуется на диссоциацию сложной молекулы, а не на вырывание электронов.

Возникающие в разряде долгоживушие (метастабильные) возбужденные атомы основного газа принципиально могут попадать на катод и вызывать эмиссию электронов, поскольку их потенциальная энергия достаточно велика (например, 16,6 эВ для неона). Однако вероятность процесса оказывается очень малой, так как атомы при столкновениях с молекулами примеси передают им свою энергию — «гасятся». Энергия расходуется на диссоциацию молекул примеси или на излучение низкоэнергетичных фотонов, не вызывающих фотоэмиссию электронов из катода и хорошо поглощаемых молекулами примеси.

Приблизительно аналогичным образом «гасятся» поступающие из разряда высокоэнергетичные фотоны, способные вызвать эмиссию электронов из катода: они поглощаются молекулами примеси с последующим расходом энергии на диссоциацию молекул и излучение низкоэнергетичных фотонов.

Изложенный механизм работы гасящей примеси определяет долговечность счетчиков Гейгера с парами спирта, которая ограничивается уменьшением содержания гасящей примеси в результате диссоциации молекул под действием разрядных импульсов. Получающиеся в результате диссоциации более простые молекулы гасящими свойствами не обладают и поэтому параметры счетчика после регистрации 10⁸—10⁹ ионизирующих частиц недопустимо ухудшаются. Скорость диссоциации пропорциональна заряду, пересекающему промежуток за время разрядного импульса. Поэтому долговечность счетчиков снижается при больших величинах паразитной емкости и пониженных значениях анодного сопротивления. Долговечность счетчиков с добавкой брома значительно выше (10¹⁰—10⁹ импульсов), так как она не ограничена разложением молекул гасящей примеси. Снижение концентрации брома обусловлено его сравнительно высокой химической активностью, что усложняет технологию изготовления датчика

Счетная характеристика зависит от давления газа: с его увеличением повышается напряжение начала счета (точка А на рис. 4.22 смещается вправо), а уровень плато повышается в результате более эффективного улавливания ионизирующих частиц молекулами газа в датчике (кривые 1 и 2 на рис. 4.22). Повышение напряжения начала счета объясняется тем, что условия в датчике соответствуют правой ветви кривой Пашена.

4.6. Заключение

В настоящее время промышленностью изготавливаются и выпускаются современные плазменные приборы следующих видов.

1.  Водородные и ртутные тиратроны — применяются в радиолокаторах и преобразователях энергии.  Выгодно отличаются от коммутаторов и преобразователей других типов высоким коэффициентом полезного действия, способностью выдерживать очень высокие напряжения и большие кратковременные перегрузки по току и напряжению, устойчивостью к воздействию температуры, ионизирующих излучений и дестабилизирующих факторов космического пространства, сравнительно низкой стоимостью.

2.  Защитные и коммутационные разрядники — обеспечивают защиту радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений (молния, аварии линий передачи энергии и т. д.) и быструю (до наносекунд) коммутацию высоковольтных (до сотен киловольт) сильноточных (до 150 килоампер) электрических цепей.

3.  Газоразрядные индикаторные панели — используются в плазменных телевизорах и в устройствах визуального отображения информации: в компьютерных мониторах и в экранах больших размеров (шоу-бизнес, реклама, стадионы, аэропорты, вокзалы, представление оперативной обстановки в Центре космических полетов, в штабах армии и т. д.).

4.  Газовые лазеры. Гелий-неоновые лазеры широко используются в медицине для глазных операций всякого рода прогреваний, в измерительной технике они обеспечивают с помощью интерферометров самый высокий уровень точности порядка 10~⁹. Аргоновые лазеры являются основой полводной локации. Азотные лазеры применяются в микроэлектронике при изготовлении микросхем и ЧИПов.

4.  Счетчики ионизирующих частиц — используются во всех областях науки и техники, где необходимо контролировать уровень радиации.

5.   Плазмотроны — генераторы мощной плазменной струи для резки и сварки металлов, а также для нанесения покрытий.

6.  Газоразрядные источники света — наиболее массовый тип приборов, обеспечивающий освещение городов, жилых и производственных помещений, аэропортов, вокзалов, стадионов, театров и других объектов жизнедеятельности человека. Приборы используются также в сигнальных устройствах, в фотографии и в производстве полупроводниковых микросхем.

Существуют и разрабатываются другие типы приборов плазменной электроники: свечи зажигания двигателей внутреннего сгорания, ионизаторы воздуха, озонаторы, фильтры пыли, мощные электродуговые нагреватели крупных металлических объектов, точечные источники рентгеновского излучения (установки типа «плазменный фокус»), плазменные двигатели, магнитогидродинамические генераторы электрической энергии, плазменные ускорители, термоэлектронные преобразователи энергии плазмы в электрическую энергию и т. д.

В перспективе из приборов плазменной электроники наиболее значимыми для человека могут стать установки получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза типа «Токамак». Они принципиально отличаются практической неограниченностью запасов топлива, более высокой степенью экологической безопасности по сравнению с тепловыми  и атомными станциями и физической невозможностью возникновения неуправляемой термоядерной реакции. Проект строительства подобной установки ИТЭР (международный термоядерный экспериментальный реактор) мощностью 500 МВт и стоимостью около 13 млрд долларов с высотой вакуумной камеры 14 м реализуется в настоящее время во Франции с участием России, Евросоюза, Китая, США, Японии и Южной Кореи. Начало практической реализации проекта — 2005 год, общий срок выполнения работ — не менее 9 лет.

Литература

[1]   Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.

[2] Кацнельсон Б. В., Калугин А. М., Ларионов А. С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

[3] Актон Д. Р. Газоразрядные приборы с холодным катодом. М.; Л.: Энергия, 1965.

[4] Киселев Ю. В., Черепанов В. П. Искровые разрядники. М.: Сов. радио, 1976.

[5]   5. Киселев Ю. В. Искровые разрядники. Рязань: РРТИ, 1989.

[6]  Фогельсон Т. Б. Импульсные тиратроны. М.: Сов. радио. 1974.

[7] Кноль М., Эйхмейхер И. Техническая электроника Т. 2. М.: Энергия, 1971.

[8] Сидоренко В. В. Детекторы ионизирующих излучений: Справочник. Л.: Судостроение, 1984.

[9]  Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. М.: Атомиздат, 1969.

ЛЕКЦИЯ 5

МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ЛАМПЫ

Прилуцкий Виктор Сергеевич, д.т.н., профессор. Окончил Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В. И. Ульянова-Ленина в 1972 г., к.т.н. с 1989 г., доцент по кафедре электронного приборостроения с 1992 г., д.т.н. с 2003 г., лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники 2000 г., имеет 36 научных трудов и 9 изобретений, работает первым заместителем директора ЗАО «С.Е.Д.-СПб», преподает в Санкт-Петербургском Государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) на кафедре электронного приборостроения.

5.1. Введение

Мощные генераторные лампы (МГЛ) нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники и во многом определяют экономический уровень и обороноспособность страны.

МГЛ представляют собой один из немногих классов электровакуумных приборов, который за время своего существования не только не утратил, а, наоборот, расширил и упрочил свои позиции. Радиовешание и телевидение, радиолокация и радионавигация, космическая и спутниковая связь, управление ракетными комплексами, мощная электрофизика, ряд отраслей промышленности — вот далеко не полный перечень областей применения мощных генераторных ламп.

Направление электроники, связанное с разработкой и производством МГЛ, является частью жизнеобеспечения любого промышленно развитого государства, а сами лампы — стратегически важной продукцией.

Мощные генераторные лампы существуют в виде диодов, триодов, тетродов и пентодов соответственно количеству имеющихся у них электродов. Как исключение можно отметить некоторые специальные лампы, такие как триоды с защитной сеткой и лучевые тетроды, у которых может присутствовать дополнительный электрод.

К классу МГЛ относятся выпрямительные, регулирующие, модуляторные, усилительные и генераторные приборы, работающие в непрерывных и импульсных режимах с электростатическим управлением электронным потоком. В технической документации они, соответственно, имеют обозначения, отражающие режим использования и диапазон рабочих частот; Д; ГП, ГПИ; ГМ, ГМИ; ГК (до 30 МГц), ГУ (от 30 до 500 МГц), ГС (свыше 500 МГц) иГИ.

Во всех лампах имеется источник электронов — катод, для нагрева которого может использоваться прямой или косвенный накал. В последнем случае в конструкцию лампы вводится подогреватель, имеющий собственные выводы накала. Выход электронов с катода обеспечивается за счет явления термоэлектронной эмиссии.

Также во всех лампах присутствует коллектор электронов — анод, который одновременно со сбором электронов рассеивает выделяющуюся при этом мощность.

В МГЛ с сеточными электродами первая сетка, расположенная ближе всего к катоду, служит для управления электронным потоком изменением ее электрического потенциала и называется управляющей. Вторая сетка — экранная — вводится для улучшения токоотбора с катода и для уменьшения вероятности возникновения паразитной генерации на высоких частотах за счет снижения емкости между управляющей сеткой и анодом. Однако это приводит к появлению динатронного эффекта, искажающего форму анодных характеристик снижением тока при низких анодных напряжениях из-за возникновения вторичноэлектронного потока между экранной сеткой и анодом. Этот вредный эффект может быть подавлен введением дополнительной защитной сетки между экранной сеткой и анодом или созданием лучевой конструкции тетрода. Кроме того, для устранения динатронного эффекта могут применяться специальные покрытия экранных сеток и анодов, снижающие термоэлектронную и вторичную эмиссию.

Несмотря на кажущуюся простоту построения современные МГЛ отличаются большим разнообразием конструкций и сложностью технологических процессов их изготовления. Это объясняется широким использованием МГЛ для решения различных технических задач и, соответственно, различными требованиями к их параметрам и техническим характеристикам. При этом неизменно предъявляются высокие требования к качеству, стабильности параметров, надежности и долговечности.

В последнее время появились радиотехнические устройства, использующие в качестве активных элементов твердотельные полупроводниковые приборы. Однако мощные генераторные лампы по-прежнему будут пользоваться устойчивым спросом на рынке как изделия, обеспечивающие работу мощных и высокочастотных устройств, прежде всего радиовещания и телевидения, индукционного нагрева в металлургической и деревообрабатывающей промышленности, ускорителей элементарных частиц и термоядерного синтеза.

5.2. Краткая история создания МГЛ

Первым электронным прибором следует считать электрическую дугу, полученную еще в начале XIX века выдающимся русским ученым академиком В. В. Петровым, с появлением которой началась эпоха электронной техники во всем ее многообразии.

В 1883 году американский ученый Т.А. Эдисон, работая над усовершенствованием электролампы, поместил в ее баллон рядом с нитью накаливания металлическую проволочку. При включении лампы он обнаружил, что от нити накаливания к впаянной проволочке потек ток, пробивая воздушный промежуток. Обнаруженный эффект не отвечал цели эксперимента, и Эдисон о нем забыл.

Открытие электрона Дж.Дж. Томсоном в 1897 году и экспериментальное обнаружение О. Ричардсоном в 1900—1903 годах электронов вокруг раскаленной нити (явление термоэмиссии) объяснили значение и суть эффекта Эдисона.

Практическое применение эффекту Эдисона нашел в 1904 году английский ученый Дж. Э. Флеминг. Он окружил нить накаливания электролампы металлическим электродом — анодом и, таким образом, создал первый вакуумный диод, применив его в качестве детектора в радиотелеграфном приемнике. А в 1906 году американский изобретатель Ли Де Форест создал первый триод для усилителей электрических сигналов.

Заслуга создания первой электронной лампы в России принадлежит В. И. Коваленкову, который в 1909 году, работая над схемами телефонной трансляции, применил выполненный им диод. Годом позже В. И. Ковален-ков изготовил трехэлектродную лампу, а еще через год — лампу с двумя сетками, позволившую снизить напряжение анодной батареи и увеличить крутизну анодной характеристики.

Широкое применение нашли трехэлектродные усилительные и генераторные лампы конструкции Н.Д. Папалекси, изготавливавшиеся под его руководством. Эти лампы уже имели оксидный катод прямого накала с платиновым керном.

В 1915—1917 годах М.А. Бонч-Бруевичем были разработаны и выпускались на Тверской радиостанции в сотнях экземпляров приемно-усилительные лампы с вольфрамовым катодом и сетчатым анодом.

В то же время в Петроградском физико-техническом институте под руководством профессора М.М. Богословского проводятся работы по изучению электронных приборов, к которым в 1921 году приступает и С, А. Векшинский. В 1922 году в Петрограде организовывается Электровакуумный завод, и С. А. Векшинский становится его главным инженером. К 1928 году С.А. Векшинский имел репутацию одного из ведущих специалистов в области электронных приборов.

К концу 20-х годов в СССР уже работало около 50 радиостанций, среди них несколько самых мощных в Европе. Для радиоаппаратуры требовалось все больше генераторных ламп, на разработке и производстве которых специализировался Ленинградский электроламповый завод (ЛЭЗ), расположенный на Лопухинской улице (ныне улица Профессора Попова).

В 1927 году Электровакуумный завод уже выпускал 14 типов генераторных ламп, в том числе два типа мощных ламп с водяным охлаждением. Однако выпуск необходимого их количества (по плану 1927 г. — 3845 генераторных ламп, в том числе 197 мощных) завод обеспечить не мог — не хватало площадей, оборудования, рабочих. Для расширения производства и наращивания выпуска электронных приборов Электровакуумный завод

переводится на территорию завода «Светлана». На С. А. Векшинского была возложена вся научная сторона развития производства — он стал заместителем технического директора по лабораториям.

Электровакуумный завод принес на «Светлану» свои достоинства — хорошую научно техническую базу, методы и навыки нового производства, квалифицированные кадры, связи с радиотехническими, рентгеновскими и другими научными учреждениями. «Светлана», в свою очередь, имела большой опыт в организации крупного массового производства, налаженную связь со снабжающими базами, хорошие производственные лаборатории и конструкторское бюро, большую механическую мастерскую.

С. А. Векшинский создает единую исследовательскую лабораторию, которая должна была курировать производство и непрерывно вести научный поиск, создавая новые образцы изделий, проводя исследования широкого круга физико-химических и технологических процессов. В лабораторию переводятся сотрудники лампового отдела Центральной радиолаборатории, руководимые профессором А.А. Шапошниковым. К работе лаборатории привлекается большая группа физиков, среди которых: А. И. Шальников (впоследствии академик), B.C. Лукошков, С.Г. Рыжанов, а в качестве консультантов — профессора П.И. Лукирский и ГА. Гринберг.

В результате произведенных преобразований к началу 30-х годов «Светлана» заняла достойное место в плеяде крупнейших мировых разработчиков и производителей мощных генераторных ламп.

В конце 1929 года под Москвой вступила в строй самая мощная на тот момент в Европе радиостанция им. ВЦСПС. Ее мощность составила 100 кВт. В оконечном каскаде передатчика использовалось 18 МГЛ типа ГДО-15 (рис. 5.1), выпускаемых заводом «Светлана». Вскоре в стране действовало уже несколько таких радиостанций. В 1930 году началось строительство еще более мощной — 500 кВт радиостанции, лампы для которой ГДО-100 и Г-433 также были созданы на заводе «Светлана». В это же время в стране ведутся работы и в области телевидения. А в 1938 году в Москве и Ленинграде уже работают опытные телецентры.

В 1930 году на конкурсе, объявленном Латвийской государственной радиостанцией, отечественные МГЛ превзошли представленные зарубежные приборы, даже приборы наиболее известной в то время фирмы «Филипс». Эта маленькая победа положила начало экспорту советских электровакуумных приборов.

А в 1937 году на международной выставке в Париже мощные генераторные лампы завода «Светлана» завоевали высшую награду — «Гран-при».

В 1933 году заводская лаборатория получила статус отраслевой и стала основным научным центром довоенной советской электроники.

Во время Великой  Отечественной  войны  выпуск МГЛ на «Светлане» на некоторый период был прекращен и возобновился в  1944 году. Производство МГЛ  было эвакуировано в Новосибирск, где в последующем на этой базе был создан Новосибирский электровакуумный завод, который специализировался на производстве малогабаритных высокочастотных металлокерамических ламп.

В 1947 году восстанавливается Лаборатория мощных генераторных ламп. Руководителем лаборатории назначается демобилизовавшийся по окончании войны светлановец со стажем З.М. Лившиц, который провел огромную работу по восстановлению оборудования лаборатории, подбору кадров и созданию сплоченного работоспособного коллектива. В 1948 году Лаборатория МГЛ вошла в состав организованного постановлением правительства ОКБ завода «Светлана», являвшегося самой крупной в стране заводской конструкторско-технологической организацией электронной промышленности, разрабатывающей электровакуумные приборы различных классов.

Именно из этого ОКБ впоследствии выделился ряд специализированных конструкторских бюро «Светланы»: электронных приборов (ОКБ ЭП), полупроводниковых приборов (СКТБ ПП) и рентгеновских приборов (ОКБ РП).

С организацией ОКБ на заводе «Светлана» были начаты и широко развернуты в последующие годы работы по созданию новых конструкций МГЛ, значительно превосходящих по своим параметрам и технологическим данным выпускаемые в то время промышленностью лампы довоенных разработок.

На протяжении своей истории совершенствование МГЛ осуществлялось путем решения трех основных задач: увеличение мощности и диапазона рабочих частот, улучшение массогабаритных показателей и повышение долговечности и надежности.

Методы совершенствования МГЛ были различными, но наиболее значимые результаты достигались при улучшении технологии, применении новых материалов и радикальном изменении конструкции отдельных узлов.

Так, еще в 20-х годах Бонч-Бруевич предложил конструкцию лампы с внешним медным анодом, охлаждаемым водой, что позволило увеличить мощность ламп с 1 кВт до 40—50 кВт.

В 40-х годах был изобретен вольфрамовый торированный карбидированный катод, позволивший лучше удерживать торий на поверхности и увеличить плотность тока эмиссии в 4—5 раз. В результате мощность ламп достигла 200—250 кВт при долговечности 500—1000 ч.

В 60-е годы существенное улучшение параметров МГЛ было достигнуто заменой в изоляторах стекла на керамику, что увеличило допустимую рабочую температуру оболочки и повысило жесткость конструкции. При этом мощность достигла 1000 кВт, а долговечность 2000—3000 ч.

В 70-е годы осуществлен переход к принципиально новому направлению в конструировании МГЛ. Разработана серия эндотронов — двух-, трехкаскадных усилителей, каждый каскад которых включает в себя электронный прибор и контурные системы, помешенные в единую вакуумную оболочку. Такой усилитель позволяет обеспечить широкую полосу рабочих частот в сочетании с большим коэффициентом усиления и высокую надежность, а также резко сократить габаритные размеры и вес радиопередающего устройства, что особенно существенно при его использовании на подвижных объектах (самолетах, кораблях, автомобилях).

Развитие и совершенствование МГЛ были бы невозможны без проведения широкого круга исследований различных технических проблем учеными, конструкторами и технологами. Результаты исследований в областях электронной оптики, эмиссионной электроники, теплофизики, радиотехники, вакуумной техники, плазменной электроники, технохимии и механообработки не только обеспечили создание большого класса МГЛ высокого качества, но и имели самостоятельное общетехническое и научное значение.

На рис. 5.2—5.6 представлены разработанные на протяжении XX века отдельные серии МГЛ различного назначения.

5.3. Физические основы работы МГЛ

Работа МГЛ основана на использовании явления термоэлектронной эмиссии и электростатического управления электронным потоком. Рассмотрим работу простейшей электронной лампы — диода.

Нагретый прямым или косвенным накалом катод эмитирует в вакуум электроны, которые в соответствии со своими начальными скоростями могут удаляться от его поверхности, преодолевая силу электрического (куло-новского) притяжения. В отсутствии внешнего поля вокруг катода создается электронное облако, которое понижает потенциал пространства между катодом и анодом. При подаче на анод положительного напряжения минимум потенциала сокращается вплоть до полного уничтожения, и все большая часть электронов достигает анода. Характер распределения потенциала между катодом и анодом показан на рис. 5.7. Отрицательное напряжение на аноде увеличивает потенциальный барьер и исключает попадание электронов на анод.

Эмиссия электронов подчиняется уравнению Ричардсона —Дэшмана, в соответствии с которым плотность тока эмиссии зависит от работы выхода материала катода и от его рабочей температуры (5.1):

                       (5.1)

где; eφ — работа выхода; к — постоянная Больцмана; T— температура катода; А — теоретическая постоянная, равная 120,4 А/см².

При этом пока существует минимум потенциала, до анода долетают только те электроны, энергия которых больше потенциального барьера. В первом приближении ток анода может быть определен по закону степени трех вторых (5.2):

                            (5.2)

где: S_a — площадь поверхности анода; е, т — заряд и масса электрона; U_a - анодное напряжение; d ~ расстояние от катода до анода, f— коэффициент, учитывающий форму электродов.

При устранении минимума потенциала (U_a > U_s) все эмитированные катодом электроны достигают анода, и ток анода становится равным току эмиссии.

Первый режим (U_a < U_s) носит название режима ограничения тока пространственным зарядом, а второй — режима насыщения или температурного ограничения. При небольших отрицательных анодных напряжениях электроны с большими начальными скоростями могут преодолевать

потенциальный барьер и достигать поверхности анода. Этот режим называется режимом начальных токов.

Пример анодной характеристики диода представлен на рис. 5.8. Заметно, что с увеличением температуры катода переход в режим насыщения происходит при большем анодном напряжении, это объясняется увеличением эмиссии с катода. В режиме насыщения анодный ток не остается постоянным, а линейно увеличивается, что связано с возрастанием напряженности электрического поля и проявлением эффекта Шотки. При этом увеличение тока эмиссии может быть определено по формуле 5.3:

(5.3)

где Е — напряженность электрического поля у катода; I_e0 — ток эмиссии без учета влияния эффекта Шотки.

Из изложенного следует, что диоды могут использоваться в выпрямительных режимах для преобразования переменного тока в постоянный и в детекторных режимах для выделения низкочастотной составляющей радиосигнала при амплитудной модуляции.

Введение сетчатого электрода (сетки), с заранее заданной прозрачностью, в прикатодную область диода позволяет изменять распределение потенциала в пространстве между катодом и анодом и управлять электронным потоком, изменяя напряжение на сетке (U_c). Пример распределения потенциала при отсутствии тока в лампе представлен на рис. 5.9. Несмотря на наличие достаточно высокого анодного напряжения (U_a), сеточный электрод создает минимум потенциала и препятствует прохождению электронов к аноду. Увеличивая напряжение на сетке, можно увеличивать токоотбор с катода вплоть до полного насыщения. При положительном напряжении на сетке часть электронов попадает на нее. Распределение катодного тока между сеткой и анодом характеризуется коэффициентом токо-прохождения:

где I_а — ток анода; I_к — ток катода; I_g — ток сетки; d_c — диаметр стержня сетки; р — шаг стержней сетки; у — величина, учитывающая повышенный перехват электронов сеткой, зависящая от геометрических размеров и электрического режима электродов триода.

Триод может быть сведен к эквивалентному диоду заменой сетки на сплошной электрод с действующим потенциалом U_d. В этом случае катодный ток эквивалентного диода будет равен катодному току триода. Величина U_d, определяемая с учетом пространственного заряда, выражается формулой 5.4:

 (5.4)

где U_c — напряжение на сетке; U_a — напряжение на аноде;

коэффициент усиления триода по катодному току;

С возрастанием катодного тока величина i/\i_k увеличивается и приближается к проницаемости триода D, определяемой соотношением емкостей в отсутствие пространственного заряда. Соответственно, формула (5.4) может быть переписана в следующем виде:

(5.5)

Пример анодносеточных характеристи   к триода представлен на рис. 5.10.

Создание триодов открыло новые возможности использования электронных ламп: в усилительных и генераторных режимах и в качестве регулирующего элемента мощных стабилизаторов напряжения.

Режимы, при которых в цепь сетки подводится переменное напряжение, а в анодной цепи присутствует сопротивление нагрузки, принято называть динамическими. Принципиальная схема включения триода, соответствующая динамическому режиму приведена на рис. 5.11.

В динамическом режиме напряжение на аноде лампы непостоянно и равно

U_a = E_a-I_aR_a (5.6)

При изменении потенциала сетки происходит изменение тока анода и падения напряжения на нагрузке, а, следовательно, изменяется и анодное напряжение. Таким образом, величина анодного тока при динамическом режиме триода не будет определяться какой-либо статической характеристикой триода, снятой при постоянном анодном напряжении.

На рис. 5.12 приведены динамические характеристики триода. В соответствии с характеристикой рис. 5.12, д величина бесконечно малого изменения тока будет равна

где

  — крутизна статической анодно-сеточной характеристики,

— внутренняя проводимость триода и согласно (5.6)

и рис. 5.12, б dU_a=-R_adI_a. Преобразовывая (5.7), получаем:

                                              (5.8)

Выражение (5.8) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме применительно к триоду. Из него непосредственно следует, что крутизна динамической характеристики в системе координат I_a, U_c равна

                                     (5.9)

Переходя в выражении (5.8) от бесконечно малых приращений к конечным малым приращениям, полагая постоянными величины S и Л., получаем для амплитуд тока и напряжения анода:

 и соответственно .       (5.10)

Отсюда можно определить динамический коэффициент усиления триода:

.                                (5.11)

Определение параметров, расчет и конструирование триодов выходят за рамки отдельной лекции, указанные вопросы подробно изложены в литературе [1, 2]. Там же приведены особенности расчета и использования тетродов и многосеточных ламп.

5.4. Конструктивно-технологические особенности МГЛ

Современные МГЛ, как правило, изготавливаются в металлокерамическом оформлении и состоят из трех основных узлов: катодно-сеточного узла (ножка собранная), анодного изолятора, анода с системой его охлаждения. При этом конструкции ламп отличаются большим разнообразием,

что связано с уровнем мощности, режимами и особенностями применения, видом охлаждения и т. п. (рис. 5.13). В некоторых случаях анодный изолятор включается в катодно-сеточный узел или в анод, а система водяного или парового охлаждения изготавливается в виде самостоятельного узла.

Общая схема технологического процесса изготовления МГЛ представлена на рис. 5.14. Однако необходимо иметь в виду, что кроме общих технологических процессов существуют, часто более сложные, технологии изготовления отдельных элементов, таких как катоды, подогреватели и сетки. Рассмотрим, в первую очередь, конструктивно-технологические особенности отдельных элементов МГЛ.

5.4.1. Катоды МГЛ

В современных МГЛ используются катоды на основе двух типов эмитеров. Это прямонакальные вольфрамовые торированные карбидированные катоды и оксидные катоды, как правило, с косвенным накалом, включая их более сложные разновидности, использующие оксиды щелочно-земельных металлов (сиитерированные, губчатые, металлокерамические).

5.4.1.1. Вольфрамовый торированный карбидированный катод

Вольфрамовый торированный карбидированный (ВТК) катод относится к классу пленочных катодов и отличается от катода из вольфрама с присадкой оксида тория (ThO₂) наличием на его поверхности слоя карбида вольфрама (α-W₂C).

Согласно теории Ленгмюра каждый атом тория, находящийся на поверхности вольфрама, поляризуется адсорбционными силами и обращается в диполь, отрицательный полюс которого обращен к вольфраму (рис. 5.15). Совокупность таких диполей образует двойной электрический слой, уменьшающий работу выхода (рис. 5.16).

Скачок потенциала в двойном электрическом слое имеет вид

(5.12)

где п — число диполей на 1 см²; р — момент отдельного диполя; еф_w — работа выхода вольфрама; еф_w-Th — работа выхода вольфрама, покрытого одноатомной пленкой тория, е — заряд электрона.

Величина скачка потенциала Δф зависит от степени покрытия поверхности вольфрама атомами тория (θ). С ростом 9 растет не только суммарное поле диполей, но и увеличивается деполяризующее действие соседних диполей друг на друга, поэтому зависимость Δф(θ) имеет нелинейный характер с максимумом вблизи значения θ = 0,7, что подтверждается современными теоретическими работами по адсорбции на металлах.

Значение работы выхода активированной поверхности ВТК катода по экспериментальным данным составляет 3,08—3,2 эВ, что соответствует минимальной работе выхода (3,2 эВ) системы W-Th, определяемой при θ=0,7.

Создание слоя карбида вольфрама на поверхности катода позволяет повысить скорость восстановления оксида тория и снизить его испарение, что обеспечивает большую долговечность катода.

Развитие и совершенствование ВТК катода привело к созданию двух наиболее часто применяемых в мощных электронных приборах конструкций: решетчатой (рис. 5.17) и стержневой (рис. 5.18).

Решетчатая конструкция позволяет существенно увеличить эффективную поверхность  катода  и  снизить влияние охлажденных концов.

Она представляет собой цилиндрическую сетчатую систему, состоящую из двух многозаходных спиралей, идущих навстречу друг другу с углами навивки |3 и 180° - р. Точки пересечения нитей эквипотенциальны и могут быть сварены контактной электросваркой.

Стержневые катоды применяются в приборах ячейкового типа СВЧ-диапазона, где требуются короткие и относительно толстые катоды. Для выравнивания температуры вдоль катода предусмотрены участки на его концах с меньшим поперечным сечением (шейки).

На рис. 5.19 представлены зависимости удельной эмиссии, удельной мощности накала и эффективности ВТК катода от его рабочей температуры, на рис. 5.20 — зависимость долговечности ВТК катода от диаметра проволоки и степени карбидирования при рабочей температуре 2000 К и зависимость изменения долговечности от температуры. Путем изменения рабочей температуры ВТК катода можно менять его характеристики в широких пределах. Однако с ростом температуры, несмотря на улучшение эмиссионных свойств и эффективности ВТК катода, резко снижается его долговечность. Оптимальная рабочая температура определяется как конструктивными особенностями катода, так и параметрами прибора, в котором применен ВТК катод, и лежит в диапазоне 1950—2050 К.

Однако следует иметь в виду, что указанные параметры ВТК катода относятся к катодам, представляющим собой одиночные нити либо конструкции, которые можно рассматривать как совокупность одиночных нитей, не оказывающих влияния друг на друга.

При проектировании катодов учитывается не только необходимость получения требуемых параметров (U_Н, I_H, I_e), но и обеспечение специальных требований по долговечности, формоустойчивости, распределению температуры по длине катода [3].

После подготовки проволоки или плющенки и изготовления самой конструкции катода проводят процесс его карбидирования — создание на поверхности слоя карбида вольфрама. Процесс заключается во взаимодействии нагретой до температуры 2300— 2400 К поверхности торированного вольфрама с атомарным углеродом, образующимся в результате термической диссоциации паров углеводородов (бензол, природный газ и др.), и проводится либо в вакууме (вакуумное карбидирование), либо в водороде (водородное карбидирование).

Процесс образования карбидного слоя определяется температурой поверхности катода, концентрацией паров углеводорода, продолжительностью карбидирования, состоянием поверхности катода и структурой исходного материала. Основной фазой, образующейся в сформированном карбидном слое, является a-W₂C. Толщина карбидного слоя (Д), как правило, лежит в пределах 10—40 мкм в зависимости от диаметра нити катода D. Это соответствует степени карбидирования по площади (γ) 10...30%:

где  и S_W — площадь поперечного сечения нити катода, занятая карбидом вольфрама и вольфрамом соответственно. Так как , a , то .

Толщину карбидного слоя контролируют, измеряя электрическое сопротивление катода до (R_о) и после карбидирования (R_K). При этом

где ρ₁ ρ₂ — удельные сопротивления W и W₂C соответственно. При комнатной температуре ρ₂/(ρ₂ — ρ₁) ~ 1,075.

Наиболее точный контроль степени карбидирования осуществляется разрушающим методом. Из средней части катодной системы извлекается участок нити катода, изготавливается микрошлиф, по которому определяют толщину и структуру слоя.

В зависимости от режима карбидирования структура карбидного слоя может быть весьма разнообразной. Наибольшую диффузионную проницаемость для тория вследствие большой развитости границ зерен и фаз имеет ламельная радиальная структура, обеспечивающая наилучшую эмиссионную способность катода.

5.4.1.2. Оксидный катод

Оксидным катодом (ОК) будем называть низкотемпературные катоды, в которых в качестве эмиссионного вещества используют оксиды щелочноземельных металлов: Ва, Sr и Са. Это наиболее эффективный (экономичный) из всех типов термоэмиссионных катодов, используемых в электронных приборах.

В общем случае ОК представляет собой металлический керн с поверхностным слоем активного вещества в виде твердого раствора кристаллов оксидов бария и стронция (BaSr)O либо бария, стронция и кальция (BaSrCa) О [4]. В качестве материала керна катода, как правило, применяется никель либо его сплавы.

Основной привлекательной особенностью ОК является малая величина работы выхода электрона (еф ≈ 1,6 эВ), что позволяет в соответствии с формулой Ричардсона —Дэшмана (5.1) получать требуемую эмиссию при сравнительно низких рабочих температурах (~1100 К) и тем самым обеспечивать высокую экономичность (в пять и более раз выше, чем у ВТК катодов), высокую механическую прочность и формоустойчивость.

Применение никеля либо его сплавов в качестве материала керна катода обусловлено несколькими причинами:

1)    достаточно низкой рабочей температурой с точки зрения скорости испарения металла и его механических свойств;

2)    химической устойчивостью по отношению к оксидному слою и газам, выделяющимся при термохимической обработке;

3)    малой скоростью испарения активного вещества с поверхности никеля (например, в 10000 раз меньше, чем с поверхности титана при той же температуре);

4)    близостью коэффициентов температурного расширения с оксидным покрытием;

5)    широкими возможностями формообразования, простотой механической обработки;

6)   доступностью и сравнительно низкой ценой металла.

Активный слой ОК формируется в собранном приборе на этапах откачки и тренировки. В качестве исходного материала, который наносится на поверхность керна, используется тройной карбонат ВаСО₃ SrCO₃ CaCO₃ в соотношении 47, 43, 10% (в молярных долях) либо двойной карбонат ВаСО₃ SrCO₃ в равных долях. Указанные соотношения обеспечивают наибольшую эмиссионную способность катодов при заданной температуре.

Для закрепления карбонатного покрытия на керне катода используются органические связующие (биндера): полибутилметакрилат (ПБМА) либо нитроклетчатка. В настоящее время в производстве ОК в основном используется ПБМА благодаря серьезным преимуществам перед нитроклетчаткой: взрывобезопасность, стабильность характеристик, легкость разложения при нагреве.

Формирование активного слоя катода можно разделить на три этапа.

1. Разложение биндера на газообразные продукты и углеродный остаток.

2.    Превращение карбонатов шелоч ноземельных металлов в оксиды, основное обезгаживание оксидного слоя (ОС).

3.    Окончательное обезгаживание — формирование активного ОС. Несмотря на значительное количество научных работ, посвященных оксидному катоду, благодаря которым удалось понять природу многих процессов в ОК., целый ряд вопросов, таких как механизм эмиссии катода и, в частности, чрезвычайно низкое значение работы выхода и др., остаются невыясненными.

В упрощенном виде модель ОК. можно представить следующим образом, начиная с работы простейшей системы — монокристаллического оксида бария при повышенной температуре в вакууме.

1. Оксид бария переходит от состава с избытком кислорода ВаО(О) к составу с избытком бария ВаО(Ва) за счет термической диссоциации и испарения за время прокаливания оксида бария в вакууме. Оксид бария в таком состоянии представляет собой систему с избытком бария в объеме, и в особенности на поверхности кристалла, и является полупроводником с высокой плотностью поверхностных состояний.

Долговечность такого катода (при отсутствии влияния вторичных факторов на динамику процессов) определяется запасом активного вещества и скоростью его испарения, т. е. так же, как и чистометаллических термоэмиссионных катодов.

2.  Переход от оксида бария к твердым растворам оксидов щелочноземельных металлов — (Ва Sr Ca)O требует усложнения модели.

Во-первых, несколько более высокая энергия взаимодействия бария с оксидами стронция и кальция, по-видимому, способствует концентрации избыточного бария на поверхности кристаллов оксидного слоя и деформации его электронных состояний. Все это в совокупности обеспечивает снижение эффективного значения работы выхода на несколько десятых электрон-вольт.

3.  Отбор тока эмиссии с катода влияет на свойства катода и его работоспособность: ускоряет активирование оксидного слоя (ОС) и испарение кислорода, разогревает слой джоулевым теплом, а при больших полях вызывает электрический пробой слоя. Для уменьшения отрицательного влияния токоотбора с большой плотностью необходимо уменьшать общее и, в первую очередь, контактное сопротивление между кристалликами ОС. Это заставляет уделять все большее внимание металлизации ОС различными видами металлизированных губчатых и металлооксидных структур.

4.   С понижением рабочей температуры  катода и,  соответственно, уменьшением скоростей термической диссоциации и испарения вещества ОС начало отравления катода (остаточными газами) наблюдается при более низких давлениях остаточных газов. Каждому давлению остаточных газов в приборе соответствует своя минимальная рабочая температура ОК, ниже которой наблюдается эффект отравления катода даже при очень малых плотностях катодного тока. В табл. 5.1 приведена зависимость минимальной рабочей температуры от давления остаточных газов в приборах.

Оксидные катоды можно разделить на следующие группы:

а)  по способу нагрева — на прямонакальные и косвенного накала;

б) по запасу активного вещества — на обычные с запасом активного вещества до 10 мг/см² и губчатые с запасом активного вещества до 40 мг/см², располагаемом в губчатом слое различной структуры;

в)  по конструкции, которая в значительной мере определяется конструкцией электронных приборов, в которых они применяются.

Прямонакальные катоды изготавливаются из проволок и лент в виде нитей, петель, спиралей, решеток, а также других поверхностей сложной формы, например, тонкостенных перфорированных цилиндров.

Конструкции катодов косвенного накала весьма разнообразны. За последние годы в производстве генераторных и модуляторных ламп широкое распространение получили катоды цилиндрической конструкции с продольными канавками на внешней (рабочей) поверхности, которые заполняются оксидом. Канавки разделены продольными выступами (рис. 5.21), не имеющими оксидного покрытия.

Стержни сетки, располагаясь в тени непокрытых выступов, практически не перехватывают ток, а канавки создают дополнительную фокусировку электронных пучков. Это позволило создать серию генераторных и модуляторных триодов с большим коэффициентом усиления и достаточно мощными стержнями сеток с практически идеальным токопрохождением.

ОК имеет специфические недостатки и ограничения по условиям применения. Основным недостатком ОК является существенно меньшая устойчивость к электрическим пробоям в приборе. Для ВТК катодов безопасная энергия составляет 40—50 Дж, а для ОК — 2—4 Дж (в зависимости от структуры ОС). Вторым недостатком ОК является его высокая критичность не только к превышению рабочей температуры, но и к ее снижению. Увеличение рабочей температуры на 60—70 °С ускоряет выработку ресурса ОК примерно в 10 раз за счет ускорения распыления бария и оксида бария. Снижение рабочей температуры может приводить к отравлению катода за счет большей скорости химического соединения ОС с остаточными газами по сравнению со скоростью подпитки ОС активным веществом.

Конструкцией катодного узла в значительной мере определяется ряд основных эксплуатационных параметров, таких как время готовности прибора; долговечность; стабильность параметров; устойчивость к внешним механическим воздействиям; устойчивость к многократным циклическим включениям накала.

Прямонакальные катоды изготавливаются в виде проволочных петель, стержней из проволоки либо ленты, работающих в натянутом состоянии за счет специальных пружин, а также в виде самостоятельных конструкций, например, цилиндрических решеток из проволоки и тонкостенных перфорированных цилиндров. Основным достоинством прямонакальных катодов является меньшее время разогрева по сравнению с катодами косвенного накала.

Катоды косвенного накала могут иметь самые разнообразные формы, что определяется конструкцией самого прибора. Основные разновидности по форме — цилиндрические и плоские (планарные, они же торцевые) катоды. Как правило, катодный узел включает катод, подогревать, держатель, с помощью которого узел крепится к ножке, тепловые экраны, а также ряд вспомогательных крепежных элементов.

Подогреватели ОК отличаются большим разнообразием (рис. 5.22), что связано с необходимостью обеспечения стабильности рабочей температуры катода.

Для уменьшения перепада температуры по высоте катода помимо неравномерной навивки подогревателя применяют тепловые экраны на концах катода и по возможности уменьшают теплоотвод к ножке через держатель катода, который, как правило, является основным элементом, определяющим жесткость катодного узла и всего катодно-сеточного блока. Поэтому традиционно держатели катода генераторных и модуляторных ламп выполняют из инвара (сплав Н36), имеющего очень малую удельную теплопроводность и сравнительно высокую механическую прочность.

В упрощенном виде технологическая схема изготовления ОК приведена на рис. 5.23.

Карбонаты щелочно-земельных металлов готовятся на специализированных предприятиях осаждением из водных растворов азотнокислых солей соответствующего состава углекислым натрием или аммонием:

Me(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = МеСО₃↓ + 2NaNO₃;

Для нанесения карбонатов на керн катода приготавливают суспензию, содержащую до 3% (от массы сухого эмиссионного материала) связывающего вещества, в качестве которого в настоящее время используется полибутилметакрилат. В состав суспензии кроме карбонатов и связующего вещества добавляют пластификаторы (нелетучие растворители) и растворители (амилацетат, ацетон, метанол).

Наиболее распространенные методы нанесения карбонатов — пульверизация и катафорез.

Окончательное формирование оксидного слоя и активировка катода происходят в процессе откачки приборов, при этом технологические режимы (температура, длительность и уровень вакуума в приборе) в значительной степени определяются плотностью отбираемого тока в рабочем

режиме, рабочей температурой катода, наличием активирующих присадок, плотностью оксидного покрытия и запасом активного вещества.

Примеры современных катодных узлов с (Ж представлены на рис. 5.24.

5.4.2. Сетки МГЛ

Сетки МГЛ работают в условиях интенсивных тепловых нагрузок, формируемых как излучением с катода, так и электронной нагрузкой — эмиссионным током катода.

Обеспечение высоких усилительных параметров современных МГЛ основано на минимизации межэлектродных зазоров — катодуправляющая сетка и в случае тетродов — сетка-сетка.

Сложная и пространственно развитая структура сеток должна обладать высокой формоустойчивостью и обеспечивать достаточный экранирующий поле эффект, допуская незначительный уровень обратных связей, ограничивающих устойчивую работу усилителей высокочастотной мощности. Чем ближе к катоду и конструктивно более развита структура сетки, тем большей лучевой нагрузке она подвергается.

Указанные условия являются определяющими при выборе материала для изготовления сеток МГЛ, в качестве которых используются вольфрам, молибден и их сплавы.

Высокая тепловая нагрузка наряду с требованием формоустойчивости выдвигает в число принципиально важных параметров и антиэмиссионную устойчивость поверхностей сеток, что в большинстве случаев не может быть обеспечено их конструкционным материалом. Это приводит к необходимости применения специальных антиэмиссионных покрытий.

В качестве таких покрытий для приборов с ОК, как правило, применяется золото. Исходная проволока после очистки подвергается горячему золочению протягиванием через каплю расплавленного золота. Толщина такого покрытия составляет ~1 мкм. На изготовленную из такой проволоки сетку гальваническим способом наносится дополнительный слой золота. Предварительное золочение улучшает адгезию покрытия и способствует лучшей свариваемости проволок сетки.

Золото активно связывает распыляемый с ОК барий и препятствует возникновению термоэлектронной эмиссии с сеток.

Сетки приборов с ВТК катодом испытывают существенно большие тепловые нагрузки до 14—18 Вт/см², что приводит к необходимости использования различных покрытий, выбор которых определяется предельными тепловыми нагрузками в рабочем режиме и допустимым уровнем термотока с сетки.

Простейший вид антиэмиссионного покрытия предусматривает нанесение пульверизацией или катафорезом на подготовленную поверхность сетки гидрида титана TiH₂. В дальнейшем его восстанавливают вакуумным высокочастотным отжигом, при этом происходит реакция разложения:

TiH₂→Ti + H₂↑.                                       (5.13)

В состав гидрида титана для улучшения адгезии слоя вводят до 3-5$ тонкого порошка материала основы сетки (молибдена или вольфрама), Формируемый таким образом слой обеспечивает работу сеток со средней мощностью тепловой нагрузки до 6—7 Вт/см² при плотности эмиссионного тока 10^-5 А/см².

Работа выхода титанового покрытия в условиях напыления активного вещества с катода (Th) при температуре 1000 К составляет 3,0 эВ, при 1200 К — 3,16 эВ и при 1400 К — 3,35 эВ. Коэффициент излучения для указанных температур, соответственно, равен 0,53; 0,56 и 0,58.

Кроме вышеперечисленных положительных свойств титана следует отметить и тот факт, что в рабочих режимах эксплуатации титановые покрытия представляют собой гетерирующую поверхность, активно способствующую поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе.

В последнее время для нанесения покрытий на сетки МГЛ стали широко использоваться вакуумно-дуговые источники плазмы. На рис. 5.25 приведен ваку умно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции, позволяющий наносить покрытия на сетки с высотой до 100 мм. Цифрами на рисунке обозначены: 1 — анод; 2 — катод; 3 — поджигающий электрод; 4 — экран; 5, 6— стабилизирующий и фокусирующий соленоиды; 7— рабочий объем; 8-сетки генераторных ламп; 9 — планетарный механизм вращения. На рис. 5,26 показан рабочий объем технологической установки УРМ.3.279.070.

Развитие методов вакуумного ионно-плазменного нанесения антиэмиссионных покрытий позволило формировать не только чисто металлические покрытия, но и сложные — интерметаллические покрытия на основе карбида циркония и платины (Pt₃Zr), обеспечивающие при удельной мощности до 12—14 Вт/см² и температуре 1470—1500 К плотность тока эмиссии, не превышающую 10 мкА/см². Это особенно важно для крупногабаритных сеток МГЛ высокой мощности. При этом источники плазмы коаксиальной конструкции не позволяют получить равномерного покрытия.

Для решения этой проблемы были разработаны источники плазмы протяженной конструкции, схематическое изображение которых и общий вид представлены на рис. 5.27—5.28.

Цифрами на рис. 5.27 обозначены: 1,2 — источники питания дуги и поджигающего электрода; 3 — дугогасящий экран; 4 — катод; 5 — фор-

мирующий экран; 6 — магнитная система; 7 — поджигающий электрод; 8 — анод; 9 — сетка генераторной лампы; 10 — планетарный механизм вращения; 11 — источник смещения; 12 — двигатель.

В катоде используется боковая цилиндрическая поверхность испарения, что предполагает импульсный характер работы, так как магнитное поле тока дуги ведет «катодные пятна» вдоль поверхности излучателя. Это требует организации системы гашения дуги при перемещении ее «катодных пятен» к контактному краю катодного узла.

Магнитная система стабилизации «ленточного» плазменного потока в данной конструкции получается проще, чем в коаксиальной. Выделяемый из «катодного пятна» поток ионов материала катода, обладая значительной энергией, способен обеспечивать протекание реакции разложения углево-

дорода, подаваемого в камеру при работе распыляемого катода. При использовании паров бензола (С₆Н₆) образование соединения, протекающее на поверхности конденсации, может происходить по следующей схеме:

Zr²⁺ + С₆Н₆ → Zr⁺ + С₆Н_n + Н₂↑;

С₆Н_п⁺ → С₆ + Н₂↑;   6Zr + [С₆] -» 6ZrC.                     (5.14)

После осаждения покрытия сетки поступают на операцию гальванического нанесения платины. После промывки и сушки сетки поступают на операцию ВЧ вакуумного отжига. В процессе отжига формируется промежуточный интерметаллический слой на границе карбидного и платинового слоев:

3Pt + ZrC → Pt₃Zr + С.                                 (5.15)

Интерметаллид Pt,Zr, выполняя функцию запорного слоя для диффузии платины в глубь материала основы сетки, также эффективно связывает испаряющийся с ВТКК торий, что обеспечивает высокую устойчивость покрытия и его антиэмиссионных свойств в течение срока службы лампы.

5.4.3. Аноды МГЛ

Аноды МГЛ в большинстве случаев изготавливаются из меди и всегда являются частью вакуумной оболочки лампы. Анод — самый теплона-груженный электрод лампы, передаваемая через него плотность теплового потока составляет до 150 Вт/см² для ламп с принудительным водяным охлаждением анода, а в некоторых случаях (лампы СВЧ) превышает и это значение. Для эффективной передачи тепла и снижения динатронного эффекта внутренняя поверхность анода либо матируется, либо покрывается чернящими покрытиями, основными из которых являются черный хром и карбид титана.

Конструкция, геометрические размеры и материал анода определяются, прежде всего, из значений мощности, выделяемой на аноде потоком электронов, и мощностью, поглощаемой анодом за счет излучения с катода и с других электродов.

Аноды для анодов МГЛ относятся к вакуумным материалам, не содержащим вредных примесей и газов. Медь имеет высокие значения коэффициентов электропроводности и теплопроводности (5,88х10⁶ 1/(Ом∙м) и 401 Вт/(м∙К), соответственно, при 300 К), легко подвергается механической обработке и хорошо паяется с другими металлами.

У меди сравнительно низкая температура плавления, высокое давление насыщенных паров (от 700 до 1100 К оно изменяется в пределах от Зх10 ^-14 до 3,6х 10 ^-5 Па) и большая скорость испарения (при 1550 К она составляет 10 ^-4 кг/(см²∙с)), что ограничивает допустимую температуру нагрева медных деталей значением 700...800 К.

Рабочая температура анода в поверхностном слое может превышать допустимое значение, что приводит к сублимации меди, снижающей электрическую прочность прибора. Данная проблема решается путем уменьшения удельных термических нагрузок, приложенных к единице поверхности электрода, или за счет создания развитой рабочей поверхности анода. Основным недостатком подобного метода является увеличение габаритных размеров и массы прибора в целом.

Наряду со сравнительно низким коэффициентом излучения (порядка 0,08) медь обладает высоким коэффициентом вторичной эмиссии 1,34 и поэтому недостаточно устойчива к воздействию электронных и ионных потоков, что приводит к ее распылению и снижению электрической прочности приборов.

Поиски методов, предотвращающих распыление, привели к разработке целого ряда предложений по защите рабочей поверхности анодов слоем тугоплавкого металла, обладающего низким коэффициентом вторичной эмиссии и высоким коэффициентом излучения и имеющего при этом хорошую адгезию с подложкой.

Из методов, нашедших свое применение на практике, следует выделить гальванический способ чернения внутренней поверхности камерных анодов черным хромом и осаждение вольфрама из газовой фазы. Исследования показали, что эти процессы имеют существенные ограничения в части осаждения покрытия в глубокие камеры анода. В первом случае это объясняется малым проникновением электрического поля в камеры, а во втором — экранировкой дна камеры ребрами.

Поэтому для покрытия анодов с камерами широко применяется электроэрозионная технология нанесения карбида титана. Для этого пластина арбида титана, имеющая рабочий профиль, согласующийся с профилем анода, устанавливается в эрозионном станке. На гребенку подается анодный (положительный) потенциал эрозионных импульсов, т. е. она является эрозирующим электродом. Ток генератора -~ 0,5—1 А. За цикл покрытия обычно анод совершает два оборота вокруг своей оси. Время покрытия составляет 1—1,5 ч. Образуемый слой карбида титана обеспечивает высокий коэффициент черноты ε > 0,75, низкий коэффициент вторичной эмиссии и более высокую, чем у меди, термоустойчивость поверхности.

В табл. 5.2 приведены коэффициенты вторичной эмиссии электронов для различных материалов, применяемых для покрытий анодов МГЛ,

Кроме применения покрытий снижение тока вторичной эмиссии достигается конструктивными решениями, такими как камеры анода, защитные сетки и т. д.

5.4.4. Элементы оболочки МГЛ

Принцип работы МГЛ предусматривает наличие в приборах хорошего вакуума. Вместе с тем необходимость подачи на электроды различных напряжений требует их надежной изоляции друг от друга.

Первоначально эти задачи решались применением стеклянных колб с соответствующими выводами для крепления электродов. Предложенный М.А. Бонч-Бруевичем наружный медный анод одновременно стал и частью вакуумной оболочки прибора.

Увеличение мощности МГЛ, повышение требований к их механической прочности и усложнение конструкции привели к необходимости замены стекла. Выдвинутые требования могли быть удовлетворены только при использовании вакуумных металлокерамических конструкций (МКК).

Первые сведения об МКК относятся к 40-м годам прошлого столетия, когда был предложен процесс металлизации керамических деталей, а первым промышленным применением МКК считается выпуск оболочек радиоламп, освоенных фирмой Telefunken во время Второй мировой войны. Однако по-настоящему массовым производство МКК и электровакуумных приборов, в том числе МГЛ, с их использованием стало в конце 50-х годов XX века.

Металлокерамический узел (МКУ) обычно представляет собой керамический изолятор, вакуум-плотно соединенный с металлическими деталями и являющийся, как правило, частью корпуса МГЛ. При этом МКУ может быть как частью более сложного узла (анода или ножки прибора), так и самостоятельным элементом (анодный или сеточный изолятор).

Из всего этого многообразия керамических материалов наиболее широкое применение в производстве изделий электронной техники нашла алюмооксидная керамика ВК94-1.

Первой задачей при производстве алюмооксидной керамики является перевод исходного сырья — технического глинозема в α-форму (α-АL₂О₃) с минимальным содержанием примесей в виде β-А1₂О₃. Эта цель достигается прокаливанием глинозема в присутствии специальных летучих добавок, снижающих температуру перехода в α-форму.

В настоящее время в большинстве отраслей потребления металлокерамических узлов применяются керамические изделия, изготовленные из алюмооксидных масс с содержанием А1₂О₃ в пределах 90...97%. Изделия с содержанием основного оксида в пределах 98...100% обладают более высокими физико-техническими свойствами, однако их широкое применение в металлокерамических конструкциях сдерживается повышением стоимости и, главное, значительной трудностью получения надежных металлокерамических спаев, что объясняется практически полным отсутствием стеклофазы в составе монокомпонентных керамических материалов.

Химический состав некоторых керамических материалов на основе А1₂О₃ приведен в табл. 5.3, основные физико-технические параметры некоторых керамических материалов на основе А1₂О₃ — в табл. 5.4.

Технологический процесс изготовления керамических деталей (рис. 5.29) можно разделить на следующие основные операции: приготовление минеральной композиции, пластифицирование массы, формовку изделий, предварительный и окончательный обжиги и шлифование изделий.

Одним из важнейших процессов в технологии изготовления керамических деталей является операция формования изделий. Для этих целей применяют следующие методы: прессование, протяжка, водное шликерное литье и горячее литье под давлением. Последний способ наиболее универсален в плане формования деталей различных размеров и конфигураций.

Финишной операцией в керамической технологии является механическая обработка деталей — шлифовка. Особенно важно соблюдать высокую точность геометрических размеров и состояние поверхности в местах со-

пряжения керамических деталей с металлической арматурой. Шлифование осуществляют на кругло- и плоскошлифовальных станках алмазным инструментом.

Для получения вакуумных соединений керамики с металлом в основном используют пайку металлизированной керамики твердыми припоями. В настоящее время для получения металлизационного слоя наиболее широкое распространение нашли молибден-марганцевые пасты с добавкой стеклообразующего компонента (Мо — 75%, Мn — 20%, Si — 5%).

Наличие на поверхности металлизационного слоя восстановленного молибдена делает возможным нанесение гальванического никеля. Толщина покрытия — 3—6 мкм. После нанесения никеля керамическая деталь готова для соединения с металлом пайкой твердыми припоями.

Основные виды металлокерамических спаев — торцевые, конические и цилиндрические — представлены на рис. 5.30.

Все металлокерамические узлы паяются в специальных оправках, обеспечивающих требуемое расположение элементов конструкции во время технологического процесса. Оправки изготовляются из нержавеющей стали Х18Н10Т, окисленной отжигом во влажном водороде. Образовавшийся оксидный слой препятствует прилипанию к оправке припоя. При сборке используется проволочный или ленточный припой.

Пайка узлов может осуществляться как в вакуумных печах, так и в любых печах с защитной атмосферой. Печи могут быть как непрерывного, так и периодического действия.

Контроль спаянных узлов проводят на гелиевом течеискателе и (или) термоциклированием в режиме 20—600—20 °С. Поскольку второй способ является разрушающим, термоциклированию подвергают определенное количество узлов от каждой партии изделий. Проверку на вакуумную плотность металлокерамических узлов можно проводить для 100% изделий.

5.5. Технология изготовления МГЛ

Вернемся к схеме технологического процесса изготовления МГЛ (рис. 5.14). Опуская общие технологические процессы механообработки, химочистки и гальваники, пайки и сварки, хорошо освещенные в технической литературе [5—9], перейдем к технологии сборки и откачки МГЛ.

Изготовленные узлы и электроды приборов поступают на участок монтажа, где на специальных вращающихся приспособлениях электроды устанавливают на ножку, обеспечивая равномерность междуэлектродных расстояний. Крепление электродов осуществляют электроконтактной, дуговой или лазерной сваркой, защищая места соединения от окисления инертными газами или спиртом. Собранные ножки соединяют с изолятором и анодом дуговой сваркой в защитной атмосфере (Не, Аг, СО₂).

После сборки прибор поступает на откачку.

Существует несколько видов технологии откачки МГЛ, применяемых в зависимости от типов откачиваемых приборов, требований, предъявляемых к ним, и уровня массовости производства.

— Постовая откачка, при которой лампа откачивается и подвергается тренировке электродов на одном и том же гнезде. При этом откачной пост обычной конструкции состоит из вакуумной системы, нагревательной

печи, источников питания для тренировки электродов и системы охлаждения оболочки лампы.

—  Раздельная откачка, состоящая из двух основных этапов:

I  этап — откачка с прогревом оболочки и тренировка катода на одном посту;

II  этап — тренировка электродов на посту токовой тренировки с применением технологического магниторазрядного насоса, устанавливаемого на лампе, или без насоса.

— Камерно-штенгельная откачка, когда вся лампа (или несколько ламп) вместе с наружной оболочкой помешается в вакуумную камеру без соединения штенгеля лампы с вакуумной системой. Отпай штенгеля осуществляется непосредственно в вакуумной камере.

Типовая последовательность операций откачки: прогрев, выдержка, снижение температуры, активирование и тренировка катода, тренировка других электродов, отпай штенгеля.

Вакуумная система состоит из вакуум провода, запорных устройств и вакуумных насосов низкого и высокого вакуума. Имеются также нагреватели вакуумной системы для обезгаживания вакуумпроводов.

Для нагревания ламп при откачке до 450. ..600 °С применяют различные печи: электрические, газовые, высокочастотные, чаще всего с использованием защитной среды в виде азота или низкого вакуума (порядка 10 Па).

Обычно под откачкой понимают процесс удаления из объема прибора всех газов — как свободных, так и растворенных в деталях. Такое понятие условно, так как в действительности после откачки в приборах еще остается большое количество связанных газов, которые, однако, не мешают создавать в приборах необходимый вакуум. Следовательно, правильно было бы сказать, что основной задачей откачки является, наряду с удалением свободных газовых молекул, уменьшение скорости выделения газов внутрь приборов при рабочем вакууме до величины, меньшей (или равной) скорости поглощения их гетерами или другими деталями прибора. Для выполнения этой задачи необходим длительный прогрев оболочки и деталей прибора при достаточно высокой температуре и различные электронные способы обезгаживания.

При использовании диффузионного насоса, даже при наличии вымораживающих ловушек или сорбционно-ионизационного насоса, в вакуумной системе всегда имеется определенный уровень тяжелых углеводородов типа С_nН_m, которые, проникая в приборы при молекулярном режиме откачки, устанавливающемся в течение нескольких минут после ее начала, могут разлагаться на горячем катоде и, взаимодействуя с остаточными газами, образовывать целый спектр остаточных газов типа СО, СО₂, СН₄ и С_nН_m, создавая видимость газоотделения материалов прибора. Кроме того, избыток углеродосодержащих газов может вызвать потемнение оксидного катода и снижение его температуры, а также создать проводящие пленки на изоляторах приборов.

Применение турбомолекулярных насосов (ТМН) не только создает более глубокий вакуум до 1 х 10 ^-6 Па, но и позволяет практически исключить из спектра остаточных газов тяжелые углеводороды. Хотя и в этом случае вакуумная система может загрязняться парами масла форвакуумных насосов при неправильном запуске ТМН.

Откачка ведется в молекулярном режиме, характеризующемся малой скоростью удаления газов и возможностью встречных потоков в прибор молекул загрязнений из вакуумной системы. Молекулярный режим течения газов через штенгель откачиваемого прибора устанавливается сразу же после удаления воздуха приблизительно при давлении р < 5/а Па (где а — внутренний радиус штенгеля, см), т. е. для МГЛ со штенгелями Ш 10— 40 мм это давление — 10—2,5 Па.

Пропускная способность (проводимость) штенгеля пропорциональна a³ и обратно пропорциональна его длине (/) и составляет 1,2—78 л/с (при длине l = 10 см). Естественно, фактическая скорость откачки не может быть больше указанной проводимости при сколь угодно большой производительности насосов. Основное уравнение вакуумной техники связывает скорость откачки вакуумной системы со скоростью откачки насоса (5_н) и проводимостью штенгеля (F) следующим образом:

                                                       (5.16)

Таким образом, скорость откачки газа из прибора мало зависит от скорости откачки насоса, когда последняя в 10 и более раз больше проводимости вакуумной системы.

После того как прибор обезгажен, откачан и его катоду сообщена эмиссионная способность, производится его тренировка. Тренировкой лампы называется технологическая операция, в результате которой прибор приобретает стабильные электрические параметры. В настоящее время МГЛ тренируют в основном в отпаянном состоянии иногда с технологическим (магниторазрядным) насосом. Лампы с оксидным катодом чаще всего первичную тренировку электродов проходят на откачке, а затем стабилизирующую — на отдельной установке.

Во время тренировки выполняется по необходимости несколько задач,

1.    Окончательно активируется катод для получения высокой и стабильной эмиссии.

2.    Окончательно отжигаются электроды, чтобы лампа выдерживала предельно допустимые нагрузки без ухудшения параметров.

3.    На электродах высоковольтных ламп разрушаются центры возникновения пробоев, после чего лампы выдерживают предельно допустимые напряжения.

В результате тренировки лампа приобретает устойчивые параметры, соответствующие техническим условиям.

5.6. Категории испытания МГЛ на соответствие предъявляемым техническим требованиям

Технические требования к МГЛ устанавливаются в технических условиях (ТУ) на прибор и зависят от его назначения, условий эксплуатации, заданных свойств.

Различают следующие виды технических требований.

Конструктивные требования, К этому виду требований относятся требования к внешнему виду, габаритным и присоединительным размерам прибора, надежному контакту наружных выводов, отсутствию внутренних замыканий и обрывов и т. п.

Требования к электрическим параметрам и режимам. Для конкретных групп приборов стандартами устанавливаются электрические параметры (ток анода, обратный ток первой сетки, напряжение запирания, выходная мощность и т. д.) и параметры режима эксплуатации и измерения (напряжение накала; напряжения анода, первой и второй сеток; мощности, рассеиваемые электродами, частота, скважность, температура оболочки и т. д.), подлежащие обязательному включению в ТУ.

Требования по стойкости при механических и климатических воздействиях. В зависимости от условий применения ими могут быть: синусоидальная вибрация, механические удары многократного и одиночного действия, линейное ускорение, изменение температуры среды, повышенная влажность воздуха, плесневые грибы, соляной (морской) туман, атмосферные конденсированные осадки (иней и роса) и т. д.

Требования по надежности. Надежность приборов является комплексным свойством, которое включает в себя безотказность, долговечность и сохраняемость. Показатели надежности:

- интенсивность отказов (условная плотность вероятности возникновения отказа прибора, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не наступил);

- минимальная наработка (минимальная продолжительность работы прибора в заданных режимах и условиях, в течение которой изготовитель обеспечивает их работоспособность);

- минимальный срок сохраняемости (минимальная календарная продолжительность хранения и транспортирования приборов в заданных условиях и режимах, в течение которой изготовитель обеспечивает значения заданных показателей приборов в установленных пределах);

 - гамма-процентный срок сохраняемости (срок сохраняемости, достигаемый прибором с заданной вероятностью у, выраженной в процентах);

- гамма-процентный ресурс (наработка, в течение которой прибор не достигает предельного состояния, при котором его дальнейшее применение недопустимо или нецелесообразно, с заданной вероятностью  γ%).

Требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению. Маркировка должна быть нанесена на поверхность прибора, доступную для обзора. Маркировка наносится любым способом (краска, гравирование, травление и т. д.), обеспечивающим ее разборчивость и прочность. Маркировка должна оставаться разборчивой и прочной при эксплуатации, транспортировании и хранении.

Упаковка должна защищать МГЛ от воздействия внешних механических и климатических факторов и обеспечивать сохранность работоспособности приборов при транспортировании и хранении. Условия транспортирования

(вид транспорта, размещение и крепление транспортной тары) устанавливаются в ТУ.

Хранить приборы следует в упаковке предприятия-изготовителя вмонтированными в аппаратуру или в комплекте ЗИП в условиях, установленных в нормативно-технической документации.

Для проверки соответствия МГЛ предъявляемым требованиям установлены следующие категории испытаний: квалификационные (К); приемосдаточные (С); периодические (П); на долговечность (Д); на сохраняемость (Сх); типовые (Т).

Каждая категория испытаний может состоять из одной или нескольких групп испытаний (С-1, С-2, С-3, П-1, П-2 + П-6). В каждую группу может входить один вид или несколько видов испытаний.

Квалификационные испытания проводят на установочной партии ЭВП с целью оценки готовности производства к выпуску МГЛ данного типа. Состав и последовательность квалификационных испытаний оговариваются в общих технических условиях.

Приемо-сдаточные испытания проводят с целью контроля качества каждой предъявляемой партии. В зависимости от объема партии применяют сплошной или выборочный контроль. В составе приемо-сдаточных испытаний, как правило, контролируют габаритные, установочные и присоединительные размеры, важнейшие электрические параметры, а также отсутствие замыканий и обрывов в цепях электродов.

Периодические испытания готовой продукции проводят с целью контроля качества приборов и проверки стабильности технологического процесса их производства. Испытанию подвергают выборочно МГЛ, выдержавшие испытания по категории С. Периодически проводят испытания на безотказность, на воздействие механических и климатических факторов, испытание на многократные включения и выключения напряжения накала. Последовательность, состав, периодичность проведения и объем выборки для проведения испытания указывают в ТУ на прибор.

Испытания на надежность (долговечность и сохраняемость) проводят для подтверждения установленного в ТУ на приборы конкретных типов значения наработки и срока сохраняемости. По результатам испытаний определяют показатели надежности прибора. Испытания проводят выборочно на приборах, выдержавших испытания по категории С. Объем выборки и периодичность испытаний оговаривают в ТУ.

Типовые испытания проводят при изменении конструкции, технологии и материалов. Состав типовых испытаний определяют в зависимости от степени возможного влияния вносимых изменений на качество выпускаемых приборов. По результатам испытаний принимается решение о приемлемости вносимых изменений. Типовые испытания допускается совмещать с периодическими.

Категории испытаний взаимосвязаны системой контроля качества МГЛ на производстве, структурная схема которой приведена на рис. 5.31.

Сразу после завершения технологического процесса проводятся цеховые испытания по категории С. Приборы, выдержавшие цеховые испытания, предъявляют службе контроля качества (СКК), осуществляющей кон-

троль их качества в полном соответствии требованиям стандартов; СКК дает окончательное заключение о годности предъявленной партии МГЛ, о возможности предприятия поставлять данный тип приборов.

Для выявления скрытых дефектов приборы перед испытаниями подвергаются технологической выдержке в течение 10 суток, после чего проводят испытания по категории С.

При удовлетворительных результатах испытаний приборы упаковывают и отправляют на склад готовой продукции.

Из числа МГЛ, успешно выдержавших испытания по категории С, отбирают приборы для проведения испытаний по категориям П и Д, по окончании которых измеряют параметры-критерии годности и обрабатывают результаты.

При неудовлетворительных результатах испытаний приемку МГЛ приостанавливают и проводят мероприятия по устранению причин отказов с последующим подтверждением их эффективности.

5.7. Заключение

Очевидно, что ограниченный объем изложения не позволяет отразить многие нюансы проектирования и технологии изготовления МГЛ. Однако приведенный материал дает достаточное представление о широком классе электровакуумных приборов — мощных генераторных лампах.

Приведенный список литературы позволяет существенно расширить информацию, изложенную в лекции. Вместе с тем, интересующимся вопросами разработки и производства МГЛ можно рекомендовать обратить внимание на ссылки в приведенной литературе, в которых достаточно полно отражено все, что упущено в лекции.

Литература

[1] Кацман Ю.А. Электронные лампы: Теория, основы расчета и проектирования: Учебник для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1979. 301 с, ил.

[2] Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. М.-Л.: Госэ-нергоиздат, 1961. 672 с, ил.

[3] Прилуцкий B.C. Вольфрамовый торированный карбидированный катод. М.: Руда и металлы, 2001.

[4]   Никонов Б.П. Оксидный катод. М.: Энергия, 1979.

[5] Ливинцева И.Ф., Прилуцкий B.C., Радченко Л.А. Методы химической очистки деталей ЭВП и ее интенсификация ультразвуковыми колебаниями. Обзоры по электронной технике. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып. 1 (1607). М., 1991.47с.

[6] Пивоваров Г. Я., Саминский А. А. Технологические процессы электровакуумного производства. М.: Энергия, 1975.

[7] Николаев Г.А., Ольшанский Н. А. Специальные методы сварки. М.: Машиностроение, 1975.

[8] Гладков А. С, Подвигина О. П., Чернов О. В. / Под обшей ред. А. И. Шо-кина. Пайка деталей ЭВП. Сер. Электронное материаловедение. М.: Энергия, 1967. 283 с.

[9] Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Машиностроение, 1967.

ЛЕКЦИЯ 6

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Степанов Рудольф Михайлович (род. 1 марта 1934 г.), д.т.н., профессор. Разработка, исследование и производство телевизионных фотоэлектронных приборов, метрология, применение.

Руководство, инженерные исследования, производственная и консультативная работа в области фотоэлектронных приборов и систем на их основе для промышленного, вещательного и космического телевидения. Преподавательская деятельность.

1958г. — окончил Санкт-Петербургскийавиа-космичес-кий университет по специальности «Радиоэлектроника», инженер, старший инженер, ведущий инженер ЦНИИ «Элек-

1958

трон».

1968 г. — защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук в области передающих телевизионных приборов.

1969 г. — начальник лаборатории.

1970  г. — начальник отдела разработки инфракрасных приемников излучения.

1974 г. — по настоящее время — заместитель генерального директора по научной работе, главный инженер ЦНИИ «Электрон».

1981 г. — за разработку телевизионного фотоэлектронного прибора для задач космоса присуждена Государственная премия СССР,

1984 г. — защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора технических наук.

1989 г. — профессор Санкт-Петербургского электротехнического университета.

1991г. — профессор кафедры физики полупроводников Санкт-Петербургского технического университета.

1992 г. — действительный член Академии инженерных наук РФ.

1994 г. — действительный член Международной академии наук Евразии.

Результаты исследований опубликованы в 102 работах.

Подготовлено 11 кандидатов наук и 109 дипломированных инженеров.

6.1. Предисловие

Телевизионная фотоэлектроника практически с самого начала развивается на основе следующих двух принципов.

Первый принцип — это преобразование оптического изображения в электрические сигналы. Осуществляется оно обычно путем использования внутреннего или внешнего фотоэффекта. Использование этих эффектов при преобразовании свет — сигнал позволяет именовать все научно-технические направления создания передающих телевизионных приборов телевизионной фотоэлектроникой. Правда, для преобразования изображений, получаемых в инфракрасных лучах, используются также пироэлектрический и болометрический эффекты. Условно приборы, созданные на базе этих эффектов, применяемые в телевидении, тоже относят к телевизионной фотоэлектронике.

Второй принцип — это временная развертка (разложение), то есть периодическая поочередная передача малых участков (элементов) сцены — поля зрения прибора — и их воспроизведение в той же последовательности на приемном конце сигнального тракта. Если период развертки, называемый временем кадра, достаточно мал по сравнению с временем реакции зрительного аппарата человека, то изображение всей сцены воспринимается как однородное и непрерывное.

Применяются оптико-механические и электронные способы развертки. В первом случае оптико-механическое устройство последовательно проецирует на фотоэлемент изображение сцены. Во втором случае оптическое изображение всей сцены проецируется одновременно на фоточувствительное устройство (фотокатод, фоточувствительную мишень или матрицу) и формирует электронное изображение, то есть распределение фотоэмиссии, фотопроводимости или электрического заряда, соответствующее распределению освещенности, которое подвергается развертке соответственно каким-либо электронным способом с образованием последовательности электрических сигналов.

В обоих случаях используется строчная развертка (сканирование), то есть последовательная передача элементов, расположенных вдоль прямой линии — строки, затем — вдоль параллельной соседней строки и т.д., подобно чтению текста. В большинстве случаев изображение имеет соотношение размеров сторон, как правило, 3:4, строки располагаются вдоль большого размера — по горизонтали и в течение кадра смещаются сверху вниз. От процесса чтения данный процесс обычно отличается тем, что время кадра делится на две части, называемые полукадрами или полями, в одном из которых передаются только нечетные, в другом — только четные строки. Такая развертка называется чересстрочной. Она применяется для уменьшения ощущения мелькания изображения (без увеличения частоты кадров).

В случаях комбинированных способов развертки строчная развертка (то есть вдоль строк) бывает электронной, а кадровая (переходы к следующим строкам) — оптико-механической.

С количеством строк в кадре (п) связано число элементов изображения (N) и, соответственно, максимальное число деталей изображения (N/2), которое прибор в состоянии различить и передать. В правильно сконструированном приборе число элементов изображения связано с числом строк приближенным равенством N4, 3n2. При передаче последовательности деталей минимального размера основная частота сигнала — fo = fk (N/2) = 2/3fkn2, где fk — частота кадров. Частота fo называется информационной частотой или полосой прибора.

Первая демонстрация передачи изображения с оптико-механической разверткой была осуществлена в 1911 г. в России Б.Л. Розингом, который для преобразования свет-сигнал использовал вакуумный фотоэлемент, а для воспроизведения изображения — электронно-лучевую трубку с люминесцентным экраном. В первых опытах телевизионного вещания  на Западе (1929—1930) и в СССР (1931) также использовались устройства с оптико-механической разверткой (30 строк) и одиночными фотоэлементами.

Принципиальный недостаток оптико-механической развертки состоит в том, что для образования электрического сигнала от каждого элемента сцены используется лишь та доза излучения, которая поступает в короткий промежуток времени экспонирования элемента. Между тем при формировании и развертке электронного изображения может быть в принципе использована доза излучения, получаемая за время кадра, т. е. в п раз большая, и таким образом может быть достигнута значительно большая чувствительность.

Идея использования излучения, поступающего за время кадра (или, по крайней мере, за время, много большее длительности сигнала от элемента), получила в свое время название принципа накопления. Этот подход является основным и в настоящее время. Приборы, в которых он реализуется, называются приборами с накоплением. Процесс развертки в таких приборах называют коммутацией или считыванием.

Первый фотоэлектронный прибор с накоплением — иконоскоп был создан в США под руководством В. К. Зворыкина (1933). Примерно через год аналогичный прибор был создан в Ленинграде под руководством Б. В. Круссера в секторе телевидения научно-исследовательского института телемеханики.

Иконоскоп был малоэффективным прибором: его чувствительность много ниже той, которую способен обеспечить фотокатод с накоплением. Причина этого — косое падение на мишень коммутирующего луча, требующее работы при высоких потенциалах мишени, при которых коэффициент вторичной эмиссии больше единицы. Коммутируемые элементы заряжаются при этом положительно, и над мишенью образуется поле, препятствующее отбору фотоэлектронов и вторичных электронов, что снижает эффективность накопления и эффективность преобразования накопленного заряда в сигнал.

Тем не менее, иконоскоп сыграл большую роль в развитии телевидения. Он стал родоначальником широкого класса вакуумных фотоэлектронных приборов с электронно-лучевой разверткой, называемых обычно передающими трубками. Иконоскопы использовались в отечественной системе телевидения на 180 строк (1935), 240 строк (1936) и 343 строки (1937). В первые послевоенные годы, когда телевизионное вещание было переведено на современный стандарт (635 строк, 25 кадров в секунду), работа телецентров обеспечивалась иконоскопами и супериконоскопами.

Супериконоскоп был изобретен в 1933 г. П. В. Шмаковым и П. В. Тимофеевым.

Промышленные образцы супериконоскопов показаны на рис. 6.1. От иконоскопа они отличались более высокой чувствительностью благодаря большей эффективности накопления. Сплошной фотокатод располагался на оптическом входе прибора, мишень выполняла роль накопителя, но накопителя вторичноэмиссионного, поскольку электронное изображение переносилось с фотокатода на мишень быстрыми электронами при коэффициенте вторичной эмиссии больше единицы. Накопленный заряд коммутировался так же, как в иконоскопе. Повышение эффективности накопления достигалось благодаря вторичноэмиссионному усилению и лучшему отбору вторичных электронов из-за больших начальных энергий. Однако низкая эффективность коммутации по-прежнему ограничивала чувствительность.

Этот недостаток  был  устранен  в  ортиконе,   созданном  А.   Роузом и X. Аймсом (США) в 1939 г. (И. В. Кузнецовым и Н.М. Гопштейном в 1941 г. в СССР). Мишень ортикона в принципе аналогична мишени иконоскопа, но допускает освещение со стороны прозрачной сигнальной пластины. Это позволяет направить коммутирующий электронный луч нормально к поверхности мишени и использовать режим медленных электронов. При этом как вторичные электроны, так и фотоэлектроны отбираются полностью. Коммутирующий луч приводит потенциал всех элементов мишени примерно к одному значению, близкому к потенциалу катода прожектора, компенсируя заряд, накопленный от фотоэмиссии. При этом в цепи сигнальной пластины возникает ток, равный скорости изменения заряда мишени под лучом, зависящий от заряда, накопленного данным участком мишени к моменту подхода луча.

Следующим шагом в повышении чувствительности приборов было создание суперортикона (А. Роуз, П. Ваймер и Г. Лоу, США, 1944 г.). Разработки и усовершенствования отечественных вариантов этого прибора успешно проводились под руководством Б. В. Круссера, начиная с 1946 г. От ортикона суперортикон отличается, во-первых, использованием вторично-электронного усиления при накоплении; во вторых, съемом сигнала не с сигнальной пластины (которая отсутствует), а с отраженной от мишени части коммутирующего луча, попадающей на вход ВЭУ. Изображение переносится быстрыми электронами на мишень, которая представляет собой тонкую пленку из стекла, имеющего электропроводность, достаточную, чтобы при коммутации мишени, оседающие с противоположной стороны электроны могли компенсировать накопленные положительные заряды. Вместе с тем электропроводность должна быть достаточно мала, чтобы зарядовое изображение не расплывалось из-за проводимости вдоль пленки. Со стороны фотокатода у мишени расположена сетка, отбирающая вторичные электроны и определяющая емкость мишени. Суперортикон уже мог передавать изображения объектов, плохо различимых глазом из-за низкой освещенности. Промышленные образцы отечественных суперортиконов показаны на рис. 6.2.

Дальнейшее повышение чувствительности достигалось сочленением суперортикона с электронно-оптическим преобразователем, в котором осуществляется перенос изображения с фотокатода на катодолюминес-центный экран с разгоном электронов до нескольких килоэлектронвольт, обеспечивающим усиление яркости изображения в сотни раз.

Во всех упомянутых выше приборах преобразование свет-сигнал осуществлялось на основе внешнего фотоэффекта. В 1925 г. А. А. Чернышевым была подана заявка на изобретение трубки с фотопроводящей мишенью из селена, однако поиск подходящих для создания такой мишени материалов и технологий оказался тогда настолько труден, что первые работающие приборы появились лишь в 1950 г. (в США). Эти приборы, получившие название видиконов, отличались от предшественников простотой конструк-

ции, удобством эксплуатации и рядом других достоинств. За десятилетия, прошедшие со временем реализации идеи А. А. Чернышева, в качестве фотопроводящей мишени использованы многие материалы: селен, халь-когениды сурьмы и мышьяка, теллурид кадмия, оксид и сульфид свинца, кремний и другие.

На основе видикона, имеющего монокристаллическую кремниевую мишень с мозаикой n-р диодов, был создан прибор повышенной чувствительности — супервидикон. В нем использовался перенос изображения с фотокатода на мишень электронами высоких энергий, но усиление достигалось не за счет вторичной эмиссии, как в суперортиконе, а за счет усиления носителей заряда внутри мишени.

Кроме видиконов, высокочувствительных супервидиконов для систем прикладного телевидения разрабатывались и выпускались специальные фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — приборы, предназначенные для усиления слабых фотоэмиссионных токов за счет явления вторичной эмиссии электронов. В частности, ФЭУ в паре с кинескопом 8ЛК2Б был использован в телевизионном устройстве «бегущего луча», с помощью которого на советском ИСЗ были получены первые изображения обратной стороны Луны 7 октября 1959 г.

В 1970-е годы стал интенсивно развиваться новый класс фотоэлектронных приборов — матричные приборы на монокристаллах кремния — безвакуумные аналоги передающих трубок. Это было подготовлено, с одной стороны, достигнутым к тому времени пониманием процессов в структурах металл-окисел-полупроводник (МОП-структурах), с другой стороны, достигнутым уровнем технологии больших интегральных схем на кремнии. Решающую роль сыграл предложенный в 1970 г. Бойлом и Смитом (США) новый принцип считывания накопленных в ячейках МОП-структур зарядов, основанный на перемещении вдоль матрицы потенциальных ям с находящимися в них зарядовыми пакетами под действием тактовых импульсов на управляющих электродах. Построенные на этом принципе приборы получили название приборов с зарядовой связью. В настоящее время они успешно конкурируют с электровакуумными приборами, вытесняют их во многих областях применения, включая телевизионное вещание.

Основная часть энергии собственного излучения тел в широком диапазоне температур приходится на инфракрасную область спектра, и зависимость этой энергии от температуры тела весьма сильна. В некоторых участках спектра инфракрасное излучение слабо поглощается в атмосфере и значительно слабее видимого поглощается и рассеивается дымом и туманом. Эти обстоятельства обусловливают широкое и разнообразное применение преобразователей ИК излучений, хотя развитие их стимулировалось в основном военными целями.

Техника визуализации изображений, создаваемых собственным тепловым излучением тел (так называемое тепловидение), начала развиваться в 1940-х годах. С тех пор и до последнего времени развитие тепловизионных систем наблюдения преимущественно шло по пути использования устройств  с  оптико-механическим  сканированием   и   одноэлементными или линейными преобразователями излучения. Объяснялось это в значительной степени тем, что малые контрасты, присущие тепловым изображениям, требовали практически недостижимой однородности характеристик чувствительных элементов в приборах с непрерывным визированием и электронной разверткой.

Наибольшая чувствительность в этой области спектра достигается применением охлаждаемых фоточувствительных структур фоторезистивного и фотодиодного типов. В аппаратуре также используются приборы, работающие на пироэлектрическом эффекте: как матрицы, так и видиконы с пироэлектрическими мишенями. Эти приборы не селективны, то есть пригодны для любого участка спектра и не требуют охлаждения мишени. В последние годы наблюдается интенсивный рост разработок приборов на основе болометрического эффекта.

Следует отметить, что наше телевидение во всех своих применениях всегда в основном обеспечивалось приборами отечественного производства. Отечественным приборам мы обязаны такими достижениями, как передача с космических аппаратов изображений кометы Галлея и невидимой обратной стороны Луны, передача с лунохода лунных ландшафтов, изображений поверхности Венеры и других планет.

В период разработки и внедрения отечественных видиконов для цветного телевидения с мишенью из оксида свинца — глетиконов (1970-е гг.), в частности, была обеспечена телевизионная трансляция Олимпийских игр в Москве в 1980 г., когда одновременно было задействовано 130 трех- и четырехтрубочных передающих телевизионных камер.

Основной вклад в разработки и промышленное освоение телевизионных фотоэлектронных приборов внесли: д.т,н. Г. С. Вильдгрубе, А. П. Нефедьев, к.т.н. Б. В. Круссер, д.т.н. Н.Д. Галинский, к.т.н. Н. К. Да-линенко, к.т.н. А. Г. Лапук, к.т.н. Н.В. Дунаевская, д.ф-м.н. А.Н. Писаревский, д.т.н. P.M. Степанов, к.т.н. Т.Б. Станская, д.т.н. И.Н. Суриков, к.т.н. С.С. Татаурщиков, к.т.н. Г. И. Вишневский, И.С. Васильев, В. А. Арутюнов, В. О. Тимофеев.

6.2. Фотоэлектронные приборы для вещательного и промышленного телевидения

С начала организации ОКБ ЭВП (предшественник ЦНИИ «Электрон») в нем были развернуты работы по созданию видиконов — передающих телевизионных трубок с накоплением заряда, действие которых основано на внутреннем фотоэлектрическом эффекте. Этот тип приборов дал толчок широкому распространению прикладных телевизионных систем в СССР. Усовершенствования приборов привело к использованию их в аппаратуре вещательного черно-белого и цветного телевидения.

Видикон представляет собой цилиндрическую вакуумированную стеклянную трубку с электронно-оптической системой и прожектором электронов, который обеспечивает получение электронного луча диаметром (до 15 мкм) при токе до нескольких микроампер, и фоточувствительной полупроводниковой мишенью.

Наиболее важным элементом видикона является фотопровод я щая мишень, которая содержит прозрачный слой проводника на торцевом конце трубки (сигнальную пластину) с нанесенным на нее тонким слоем (слоями) фоточувствительного полупроводникового материала. При непрерывном сканировании мишени электронным лучом поверхность слоя заряжается. Зарядка емкости мишени обеспечивается электронным лучом, разрядка емкости — током на сигнальную пластину. Скорость разряда элемента высокоомного слоя зависит от его освещенности. Заряд, теряемый элементами мишени во время кадра, пополняется во время коммутации их электронным лучом. Следовательно, в цепи сигнальной пластины при сканировании мишени протекает ток, величина которого однозначно связана с распределением освещенности создаваемой сценой на поверхности мишени. Коммутация элементов мишени осуществляется лучом быстрых или медленных электронов.

Видиконы отличаются сравнительной простотой устройства, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью и устойчивостью и высокой надежностью в эксплуатации. В процессе разработки и исследования были также получены количественные данные о высокой радиационной стойкости видиконов. Эти характеристики позволили создать малогабаритные телевизионные камеры различного назначения, как-то: камеры космического телевидения, которые использовались в течение многих лет для внешнего обзора и стыковки ИСЗ, радиационностойкие камеры для осмотра внутренних поверхностей каналов атомных реакторов, помещений подводных лодок. Видиконы для космического телевидения обладали высокой механической прочностью и устойчивостью. Они были работоспособны в диапазоне частот до 2000 Гц и ускорений до 10 g.

В связи с потребностью промышленного телевидения в приборах с повышенной разрешающей способностью были созданы и выпускались видиконы с разрешением 800 телевизионных линий. В дальнейшем разрешающая способность приборов была доведена до 4000 телевизионных линий.

Для повышения чувствительности сигнал усиливали вторичноэлектрон-ным умножителем, чтобы преодолеть ограничение шумом видеоусилителя. Конструкция прибора совмещала в себе признаки видикона (фотопроводя-щая мишень) и суперортикона (вторичноэлектронный умножитель).

До середины 60-х годов основным материалом для высокоомной мишени видикона служила трехсернистая сурьма в виде одной или нескольких чередующихся плотных и пористых прослоек. После накопления опыта круг используемых материалов расширился за счет халькогенидов сурьмы и мышьяка, введения присадок в них серы, таллия и кислорода. Введение в мишень новых химических элементов позволило создать более чувствительные видиконы, успешно используемые в камерах для осмотра гидротехнических сооружений в условиях плохой видимости в воде, для ведения телепередач со спутников типа «Восток». На этом пути в 1965—1973 гг. была создана оригинальная серия видиконов с регулируемой памятью (главный конструктор к.т.н. Лапук А. Г.), обладающих свойством длительного сохранения информации при многократном считывании и возможности стирания в любой момент времени. Создание видиконов с регулируемойпамятью в сочетании со стробоскопическим преобразованием сигнала позволило создать телевизионную систему с изменяемым временем кадра для управления движением самодвижущихся «Луноходов». Видикон работал в стандартном режиме, а время передачи кадра от 3 до 21 сек. устанавливалось сигналом с Земли в зависимости от скорости передвижения «Лунохода» и рельефа лунной поверхности.

Существенным этапом в улучшении параметров видиконов стал переход от высокочастотной сварки входного окна с цилиндром к вакуумно-плотному холодному сочленению входного окна с нанесенным фото-проводящим слоем с цилиндром. Это открывало широкие возможности варьирования технологии изготовления полупроводникового фотослоя.

С созданием общесоюзного телецентра в Останкино началось повсеместное применение видиконов в телевизионном вещании. Для аппаратуры Останкинского телецентра было разработано (1964—1967) несколько видиконов с улучшенными параметрами, прежде всего по чувствительности, равномерности и качеству фона. Видиконы стали обеспечивать качественную телекинопроекцию и даже использоваться в камерах цветного телевидения. Достигнутый в начале 70-х годов уровень разработок и производства видиконов послужил отправной позицией для создания видиконов диаметром не только 40 и 26 мм, а 18 мм и даже 13 мм. Это означало не только уменьшение габаритов и потребляемой мощности камер, но и возможность использования камер с 16 мм объективами при повышенном отношении сигнал/шум. На рубеже 70-х годов стало яснее понимание физических процессов в фоторезистивных и фотодиодных мишенях. В первых процесс разряда определяется в основном объемными свойствами фоточувствительного слоя, во вторых — свойствами p-n (p-i-n) перехода, безинерционно разделяющего возбужденные светом носители заряда. В качестве материала фотодиодных мишеней находят применение PbO, Si, CdSe и др.

Класс видиконов расширялся: в мире появились кремниконы, кадми-коны, сатиконы, ньювиконы, халниконы, позднее хартиконы. Каждая разновидность прибора имела такие специфические свойства, которые делали его разработку и выпуск целесообразным. Так, например, отечественный кадмикон, один из первых видиконов с фотодиодной гетероструктурной мишенью на основе CdSe, обладал очень высокой чувствительностью. Кремникон — видикон с мишенью из монокристаллического кремния в виде матрицы из порядка 106 диодов, изготовленной по технологии БИС, отличался помимо высокой чувствительности широкой спектральной характеристикой и малой инерционностью, устойчивостью к пересветкам, Однако видиконы с мишенью из трехсернистой сурьмы продолжали совершенствоваться и оставались в заводском производстве. Один из самых распространенных видиконов ЛИ 421 стал наиболее массовым прибором и выпускался с объемом 20000 штук в год.

Развитие цветного телевидения и прикладного телевидения потребовало разработки многосигнальных приборов и высококачественных видиконов с практически неизменными параметрами в диапазоне температур от —20 °С до +50 °С при идентичности световых характеристик от прибора к прибору.

В качестве двухсигнального видикона для двухтрубочной цветной камеры прикладного телевидения сначала использовали вид икон разработки 1982 г. с высокой равномерностью фокусировки за счет специальной электронной оптики на скрещенных линзах. Получение равномерности сигнала по мишени обеспечивалось триодной системой ортогонализации электронного луча. Материалом мишени служил селенид кадмия. Торцевой диск видикона был волоконно-оптическим, к нему приклеивался диск с рассчитанными фильтрами, которые можно было контролировать, отбирая годные  до их соединения с прибором. Видикон был освоен в производстве.

Переход от черно-белого к высококачественному цветному телевещанию во всем мире стал возможным только после начала крупного производства фирмой «Филипс» видиконов с окисно-свинцовой мишенью, названных плюмбиконами. В подавляющем большинстве камер вещательного телевидения за рубежом до появления камер на фоточувствительных ПЗС использовались плюмбиконы. Перед институтом и НПО «Электрон» в начале 70-х годов была поставлена задача: разработать и организовать серийное производство подобных приборов для обеспечения цветного вешания во время проведения «Олимпиады-80» в г. Москве.

Основными преимуществами видиконов с окисно-свинцовыми мишенями, обеспечивающими их применение в камерах цветного телевидения, являются: высокая чувствительность, малая инерционность, незначительный темновой ток, близкая к кривой видности спектральная характеристика чувствительности, идентичность световых характеристик, большая равномерность сигнала.

Материал мишени окись свинца — весьма сложный высокоомный полупроводник; он склонен к полиморфным переходам, образует многие окисные формы. Слои окиси свинца чувствительны к загрязнениям, в частности, к малым дозам углеводородов; для слоев контакт с атмосферой чреват существенными изменениями их свойств.

Мишень плюмбикона представляет собой поликристалл и ческ и й p-i-n фотодиод, нанесенный на типичную прозрачную сигнальную пластину и работающий в запорном направлении. Этот фотодиод имеет относительно тонкие п- и р- области (1,5 и 0,5 мкм) и широкую базовую область (12—16 мкм) с квазисобственной проводимостью. Мишень формируется термическим испарением окиси свинца в среде, содержащей кислород, и последующими обработками. При работе прибора в базе создается равномерное сильное поле, которое разделяет возбужденные светом носители заряда, прежде чем они рекомбинируют или будут захвачены центрами прилипания. Для повышения чувствительности к красному свету в слой окиси свинца вводят серу, создавая оксисульфидный компаунд. Максимум спектральной чувствительности мишени без серы имеет место в диапазоне длин волн 470—510 нм. Специфической особенностью структуры мишени является ее пористость, равная примерно 50% объема, обусловленная тем, что мишень сложена из кристаллических пластиночек размером (пример-

но) 0,01x0,2x1 мкм³, ориентированных преимущественно нормально к подложке. Пористость мишени, снижая ее электрическую емкость, уменьшает ее коммутационную инерционность, которая является определяющей в плюмбиконе. Получение оптимальной пористости мишени накладывает жесткие ограничения на технологические режимы изготовления прибора и состав остаточных газов в нем. Опыт разработки прибора показал необходимость обеспечения изоляции мишени от воздействия атмосферы.

Технология изготовления плюмбиконов являлась техническим секретом фирмы «Филипс» и тщательно охранялась. Ни одна зарубежная фирма самостоятельно не смогла ее воспроизвести. При разработке отечественного прибора специалисты института столкнулись с целым рядом неизученных физико-химических свойств фоточувствительных слоев. Потребовалось время их исследовать, целенаправленно изменять и научиться ими управлять. Об оригинальности результатов свидетельствует получение при разработке глетиконов (зарегистрированная торговая марка отечественных видиконов с окисно-свинцовой мишенью) 10 авторских свидетельств СССР на изобретения.

Работы по исследованию фотоэлектрических свойств мишеней из окиси свинца начались в институте в 1968 г. Несмотря на то что ряд вопросов изготовления мишеней еще не был решен, в институте в 1971 г. приступили к ОКР по созданию прибора в связи с острой необходимостью в стране приборов для цветного телевидения, аналогичных плюмбикону.

Первым отечественным видиконом с окисно-свинцовой мишенью был глетикон ЛИ 432 Я, 3, С диаметром 30 мм, предназначенный для яркостного (Я), зеленого (3) и синего (С) каналов 4- и 3-трубочных камер цветного телевидения. Для красного канала камеры был разработан глетикон ЛИ 442. Фотодиодная мишень, разработанная для него, обладала протяженной в красную область спектра спектральной характеристикой. Напряженная работа большого коллектива по созданию глетиконов продолжалась несколько лет. Уменьшение габаритов, массы и потребляемой мощности передающих камер, в первую очередь, для внестудийного вещания, привело к необходимости создания глетиконов диаметром сначала 26 мм, а потом в 80-х годах и 18 мм.

В результате коллективного труда в 1979 г. разработка и освоение глети-кона были закончены и предъявлены Государственной комиссии. С 1980 г. опытный завод института и НЭВЗ начали регулярный выпуск глетиконов диаметром 30 мм с параметрами на уровне зарубежных аналогов — плюмбиконов фирмы «Филипс» в количествах, обеспечивающих полностью потребности страны. Более 100 телецентров страны начали вести регулярное цветное студийное телевизионное вещание на глетиконах (рис. 6.3).

На этих приборах проводилось и внестудийное вещание, в том числе и вещание с Московских Олимпийских игр 1980 г. Серийный выпуск глетиконов позволил прекратить закупку плюмбиконов за рубежом. В дальнейшем применение глетиконов в цветном телевизионном вещании расширялось, они эксплуатировались в камерах на 130 телецентрах. За разработку, организацию серийного производства глетиконов коллективу разработчиков была присуждена Государственная премия СССР по науке и технике

1983 г. Лауреатами премии стали сотрудники института д.т.н. Г. С. Виль-дгрубе (руководитель работ), к.т.н. П. И. Радченко, к.т.н. А. Г. Лапук, к.т.н. О. А. Тимофеев, В. А. Козлов, д.х.н. Ю.Ф. Орлов, д.т.н. И.Н. Суриков.

Совершенствование глетиконов продолжалось. Для разработанных малогабаритных трехтрубочных камер цветного телевидения потребовались 18 миллиметровые глетиконы с высокой чувствительностью, большой разрешающей способностью, малой инерционностью и равномерностью сигнала по полю изображения. Такие глетиконы были разработаны с целью применения в репортажном телевидении.

6.3. Фотоэлектронные телевизионные приборы для инфракрасной техники

С начала разработок телевизионных приборов для инфракрасной техники было ясно, что применение в качестве мишени фотопроводящих материалов с чувствительностью, протяженной в длинноволновую область спектра, существенно расширит возможности приборов. Однако поиск таких материалов был далеко не простым делом, но и потребность в них была очень острой: телевидение «осваивало» инфракрасный диапазон. Институту на рубеже 70—80-х годов было поручено создание новых фоточувствительных материалов и ИК видиконов для оснащения систем космического телевидения, что к этому времени приобрело первостепенное значение.

Проведенные большой группой специалистов под руководством главного конструктора Министерства электронной промышленности д.т.н. P.M. Степанова исследования фотопроводимости тонких слоев оксисульфидов свинца завершились созданием мишени видикона с чувствительностью в области спектра от 0,4 мкм до 2 мкм, а затем и ИК видикона. Освоенные в производстве четыре вида ИК видиконов с улучшенными со временем, с 1972 г., параметрами, прежде всего, чувствительностью и инерционностью, нашли применение в системах телевизионного наблюдения из космоса объектов на Земле. Эти ИК видиконы применяются также в ряде

систем прикладного телевидения, в частности, в научных исследованиях. Так, например, с помощью их в Эрмитаже и Русском музее изучались произведения живописи с целью их атрибуции, а также реставрации полотен, выявления подлинности и определения манеры работы художников. В основе исследования объектов лежит наблюдение скрытых от глаза деталей рисунка под слоем краски при ИК облучении картины. При этом на телевизионном изображении видны все нанесенные слом краски вплоть до полотна.

В развитие работ по телевизионным И К приборам был выполнен цикл исследований, направленных на разработку охлаждаемого до криогенных температур, чувствительного в средней И К. области спектра прибора со сверхбольшим массивом фоточувствительных элементов. В результате работы был создан прибор оригинальной конструкции с минимальной наработкой до 25000 ч. Фоточувствительной мишенью такого прибора служит полупроводниковая гетероструктура на основе материала AIIIBV. Для этих приборов была сконструирована и изготавливается специальная телевизионная камера космического базирования с целью обнаружения и наблюдения из космоса малоразмерных объектов. Устройство работает в специальном малокадровом режиме разложения сцены, позволяющем оптимизировать время накопления для мишени каждого прибора с целью получения максимального отношения сигнал/шум и высокой чувствительности.

В создание телевизионных ИК приборов вложен большой творческий труд сотрудников института. Руководитель комплекса работ д.т.н. Р. М. Степанов за создание ИК приборов в 1981 г. был удостоен Государственной премии СССР по науке и технике.

Все ИК видиконы не имеют прямых аналогов за рубежом и были созданы на основе изобретений сотрудников института. Приборы, чувствительные в ИК области спектра, показаны на рис. 6.4.

К середине 60-х годов прошлого столетия стало очевидным, что физические исследования и поисковые технологические разработки тонкослойных фоточувствительных полупроводниковых структур позволяют рассчитывать на появление твердотельных аналогов электровакуумных передающих телевизионных приборов. Эту уверенность подпитывали исследования, проводимые во ВНИИ телевидения (г. Ленинград) по инициативе и под руководством СИ. Кочергина. Однако на первых порах не ошущалось больших успехов в разработке твердотельных устройств, по-

добных электровакуумным приборам, достигшим рассвета в применении в черно-белом вещательном и прикладном телевидении.

Перелом наступил в 1970 г., когда для создания многофункциональных интегральных схем была высказана У. С. Бойлом и Дж.Э. Смитом плодотворная идея об использовании принципа зарядовой связи для хранения и перемещения локализованного в потенциальных ямах заряда в кристалле полупроводника. Потенциальные ямы в кристалле формируются внешним полем, создаваемым электродами управления. Вскоре появились первые приборы с переносом заряда. Наиболее распространенными представителями приборов с переносом заряда являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Основным элементом ПЗС, в котором происходит накопление и хранение информационного заряда, является МОП — структура или контакт с барьером Шоттки. Элементы в ПЗС расположены на одном чипе столь близко друг к другу, что потенциальные ямы под соседними электродами могут сливаться и между ними возможна зарядовая связь. Информационный заряд вводится в ПЗС при освещении полупроводника или при управляемой инжекции носителей заряда. Из всех устройств с зарядовой связью наибольшее распространение получили фоточувствительные ПЗС. При определенной организации электродов управления и расположении прибора в фокальной плоскости объектива в каждой потенциальной яме накапливается заряд, пропорциональный освещенности. Все изображение сцены записывается в виде зарядовых пакетов. Считывание этих пакетов осуществляется за счет подачи на электроды определенного пакета тактовых импульсов напряжения, обеспечивающих перемещение пакетов к выходному устройству. Последовательность его импульсов соответствует изображению сцены. При передаче зарядовых пакетов часть носителей заряда остается в потенциальной яме, часть теряется на ловушках и центрах рекомбинации. В зависимости от технологии изготовления и назначения ПЗС могут иметь различное число электродов управления и разную локализацию канала переноса заряда. Основным материалом для изготовления ПЗС служит кремний. Очевидно, что полноправным аналогом вакуумных приборов, в которых электронный луч считывает порядка 106 фоточувствительных элементов, могла стать матричная ИС на фоточувствительной ПЗС со степенью интеграции активных элементов на кристалл такого же порядка. Создание таких приборов стало крайне необходимым в связи с новыми открывающимися задачами телевидения.

В то же время были четко сформулированы основные задачи института, которые вытекали из насущных потребностей народного хозяйства и обороны страны, а также из тенденций развития микроэлектроники в мире. К середине 70-х годов микрофотоэлектроника в мире практически складывалась как специфическая отрасль электронной техники. В институте разработки были начаты широким фронтом по трем основным направлениям: многоэлементные твердотельные фоточувствительные приборы видимого и ближнего ИК диапазонов на основе кремния; приборы среднего ИК диапазона на основе тонкопленочных фотопроводников, примесного германия и соединений AIIIBV и гибридных приборов на основе кремниевых мишеней (кремникон и суперкрем ни кон). Несколько позднее для

обеспечения разработок была создана система машинного проектирования и производство шаблонов на больших полях.

По первому направлению была создана оригинальная технология изготовления ФПЗС, к концу 70-х годов исследования вышли на этап опытно-конструкторских работ и было начато производство нескольких разновидностей фоточувствительных приборов с переносом заряда. Многие из этих приборов выпускались в опытном производстве и находили применение не только в телевидении, но и в ряде отраслей промышленности и науки (рис. 6.5).

По второму направлению уже в 1972 г. была сформулирована концепция построения высокочувствительных матричных ИК фотоприемников на основе примесной проводимости с кадровым накоплением заряда, а в 1973 г. созданы первые в стране экспериментальные образцы с ХУ адресацией и с кадровым накоплением на основе германия с примесной проводимостью, чувствительных в диапазоне до 5,5 мкм, сначала с числом элементов 32x32, затем 128x128. В течение последующих 5 лет разработка приборов этого типа была завершена, приборы двух разновидностей были использованы для комплектации телевизионной аппаратуры.

На рубеже 70—80-х годов был разработан фотоприемник с использованием элементов так называемой Z технологии, который был первым в мире И К приемником модульного типа для получения больших фокальных сборок для космических систем обнаружения (рис. 6.6).

Параллельно формулируется концепция модульных, стыкуемых по четырем сторонам матричных ИК фотоприемников и фотоприемных устройств на их основе.

По третьему направлению в 1975—1979 гг. были разработаны и начали выпускаться кремниевые мозаичные мишени диодного типа для кремни-

конов и суперкремниконов. Опытное производство института освоило изготовление этих мишеней. Разработанные приборы не уступали по своим характеристикам зарубежным (рис. 6.7).

Наиболее активно развитие твердотельных фотоэлектронных приборов происходило в начале 80-х годов. Отдел твердотельных аналогов вакуумных фотоприборов был преобразован в отделение из шести отделов. В нем вступила в строй совершенная технологическая база, осваивалось специально созданное оборудование и новые материалы. Это позволило начать и энергично проводить разработки целого ряда приборов различного назначения.

Разработка новой технологии очувствления химически осажденных пленок сульфида свинца позволила увеличить их чувствительность до 10 А/Вт и создать к концу 80-х годов семейство тонкопленочных высокочувствительных матричных ИК. приборов с координатной адресацией с числом элементов 256x256, допускающих стыковку в четырехматричный блок фокальной сборки.

Накопленный опыт в разработке и производстве приборов с зарядовой связью и имеющаяся база позволили также создать новый тип ИК приборов с использованием барьеров Шоттки в матрице платина-кремний с количеством элементов 256x256. Эти приборы даже при относительно малой квантовой эффективности в диапазоне длин волн 3—5 мкм за счет малых темновых токов при 80 К обеспечивают эффективное накопление сигнального заряда. При определенных условиях пороговая мощность, детектируемая элементом матрицы, составляет величину до Зх10~¹³ Вт. Матрицы с барьерами Шоттки использованы в цифровых телевизионных камерах с поэлементной обработкой видеосигнала, обеспечивающих минимально разрешимую разность температур до 0,06 К (при плотности фона порядка 30 мкВт/см² и времени кадра 40 мс).

Среди класса передающих телевизионных приборов особое место занимает пировидикон, неселективный прибор, чувствительный к тепловому излучению. Он отличается от обычного видикона материалом мишени, конструкцией узла мишени и материалом входного окна, выполненного обычно из просветленного в диапазоне 8...14 мкм монокристаллического германия. В качестве мишени пировидикона служат диэлектрики, обладающие пироэлектрическими свойствами — спонтанной поляризацией в отсутствие электрического поля, изменяющейся при нагревании (охлаждении) мишени (рис. 6.8).

Пироэлектрический сигнал образуется только в момент изменения спонтанной поляризации, когда изменяется температура мишени за счет поглощенного излучения. Это означает, что пировидикон реагирует только на движущиеся объекты или объекты, излучение которых изменяется во времени. Для получения изображений неподвижных объектов с постоянным излучением обычно используется режим прерывания потока излучения объекта. Мишень современного пировидикона выполняют обычно в виде монокристаллической пластины (толщиной 25—50 мкм) или мозаики на кристаллах группы триглицинсульфата. Вследствие неселективной спектральной чувствительности мишеней из триглицинсульфата область спектральной чувствительности пировидикона определяется спектром пропускания входного окна. Чаще всего говорят о диапазоне длин волн 1,7—14 мкм.

Тепловизионные системы на основе пировидикона работают в условиях полной темноты, тумана, дыма, пыли, измороси. Они обладают демаскирующими свойствами, так как не нуждаются в дополнительном внешнем облучении объектов.

Разработка пировидиконов в институте была начата на рубеже 70-х годов и велась под руководством к.т.н. В. И. Фоминой. Промышленный выпуск пировидиконов начался во второй половине 70-х годов. Позднее было создано несколько модификаций пировидиконов. Они нашли применение в тепловизионных системах (медицинских, охранных и др.). Последние два десятилетия целенаправленно велась работа по увеличению чувствительности пировидиконов. Увеличение чувствительности было достигнуто благодаря созданию оригинальной конструкции мишени и использованию нового оригинального способа образования и считывания сигнала. В этом случае мишень пировидикона представляет собой матрицу пироэлектрических элементов, снабженную матрицей электровакуумных триодов. Ток сигнала такого прибора в этом случае — это анодный ток триода, который модулируется потенциалом «сетки», роль которой играет пироэлектрический микроэлемент размером порядка 20 мкм. Пироэлектрический потенциал образуется на поверхности пироэлемента при изменении его температуры под воздействием теплового изображения наблюдаемого объекта. Этот потенциал модулирует ток электронного луча, проходящего в зазоре между соседними пироэлементами на сигнальную пластину — анод мишени. Использование эффекта модуляции тока луча позволило получить чувствительность пировидикона в середине 90-х годов на порядок выше, чем у лучших зарубежных и отечественных пировидиконов: в режиме панорамирования она составила 35—40 мкА/Вт при разрешении 350 телевизионных линий на растр. Минимальная обнаруживаемая разность температур тепловизионных камер с такими пировидиконами достигает 0,05 К. Это на уровне лучших мировых достижений. Такие пировидиконы востребованы на рынке, в том числе зарубежном, и в настоящее время.

Развитие этого класса приборов направлено по пути создания электростатического пировидикона с еще большой чувствительностью и равномерностью тока сигнала при уменьшенном весе в результате использования электростатического отклонения.

Необходимо отметить, что использование обстоятельно изученного в институте пироэлектрического эффекта в диэлектриках позволяет рассчитывать на благоприятную перспективу создания неохлаждаемых безвакуумных матричных И К приборов с использованием пироэффекта, а также передающей камеры на их основе. Неоспоримым преимуществом применения пироэлектрических материалов в качестве приемников излучения являются низкие требования к термостабилизации и исключительно высокая устойчивость к воздействию высоких температур и радиации (наблюдаются обратимые изменения после воздействия).

6.4. Фоточувствительные приборы для ночных телевизионных систем

Первые серьезные попытки разработки передающих телевизионных приборов, предназначенных для работы в условиях малых освещенностей, были предприняты в ВНИИ «Электрон» в 1956—1957 гг., когда была поставлена исследовательская работа, имеющая своей целью создание суперортикона, сочлененного с однокамерным ЭОГТом в одной общей оболочке. Именно тогда впервые в мире и был создан такой сочлененный прибор, явившийся родоначальником большой серии приборов этого типа, разработанных в последующие годы. В дальнейшем, однако, разработки высокочувствительных приборов разделились на три основных направления: суперортиконы высокой общей чувствительности, сочлененные с суперортиконом высокочувствительные приборы, а затем изоконы и антиизоконы высокой контрастной чувствительности. Изокон — это прибор класса суперортиконов, в котором имеется электронно-оптическая система разделения обратного (отраженного от мишени) луча, пропускающая лишь рассеянные электроны. В этом случае для образования сигнала используется не весь обратный пучок, а только те электроны считывающего пучка, которые несут полезную информацию. Это позволяет увеличить контрастную чувствительность из-за существенного повышения сигнал/шум. В антиизоконе, изобретенном К. И. Осминкиной и Г. А. Господиновым, в отличие от изокона, сигнал выводится только зеркально отраженными электронами пучка.

Серия разработок высокочувствительных суперортиконов была начата с работы, в которой в 1956 г. д.т.н. Н.Д. Галинским впервые было показано, что для дальнейшего радикального увеличения чувствительности суперортиконов необходима сверхтонкая пленка мишени толщиною 0,3—0,5 мкм. В дальнейшем было найдено необходимое для этого стекло и разработана технология изготовления пластичных и прочных стеклянных пленок толщиной сначала 0,8—1 мкм, а затем 0,4—0,5 мкм.

В 1959—1964 гг. одна за другой были проведены работы, окончившиеся созданием приборов, предназначенных для работы при освещенности вплоть до 10~⁵ лк. Суперортикон ЛИ 214 являлся одним из самых высокочувствительных в мире. Он широко применялся в различных отраслях народного хозяйства, научных исследованиях и оборонной технике. В этих приборах впервые были применены 7-каскадные ВЭУ (вместо 5-каскадных) и повышенное напряжение в секции переноса изображения. Вместе с тем это были первые приборы с уникально высокой для того времени механической прочностью. Так, для ЛИ 214 допускались вибрационные перегрузки до 5 g. В это же время впервые были разработаны методология, критерии и нормы для оценки механической прочности и виброустойчивости приборов.

Параллельно в 1958—1964 гг. продолжались работы по второму направлению — созданию сочлененных приборов, объединяющих в одной оболочке суперортикон и однокамерный ЭОП. Уже в самом начале этого цикла разработок была доказана нецелесообразность использования в фотоэлектронных приборах, многокамерных ЭОПов. В результате теоретико-экспериментальных исследований д.т.н. Н.Д. Галинского были установлены два очень важных положения, определяющих практическую перспективу развития этого класса приборов. Первое положение касалось перераспределения вторичных электронов по пленке мишени. Оно устанавливало критичность числа электронов перераспределения для поддержания высокой разрешающей способности суперортиконов и сохранения безынерционности их работы во всем диапазоне рабочих освещенностей. Второе положение, касаясь состава и происхождения шумов на выходе прибора, гласит, что докоммутационные шумы в суперортиконе не достигают выхода прибора. Это положение показывает, насколько были перспективны разработки сочлененных приборов с большим усилением: сигнал растет пропорционально первой степени величины усиления, а шумы — пропорционально корню квадратному из этой величины.

Разработки с учетом этих положений завершились в 1964 г. созданием передающего телевизионного прибора ЛИ 217. Этот прибор, предназначенный для работы при освещенности вплоть до 5x10 ⁶ лк, являясь одним из самых высокочувствительных в мире, нашел применение в различных областях науки и техники.

В период с 1959 по 1965 гг. был проведен цикл натурных испытаний разработанных высокочувствительных приборов в условиях реальных или близких к реальным. Астрономические, астрофизические и космические исследования проводились во многих обсерваториях и в аппаратуре, специально разработанной для сочленения с телескопами или иными оптическими устройствами. Была также построена выездная аппаратура, смонтированная в автобусе, в которой приборы испытывались при наблюдении реальных объектов в естественных ночных условиях на всех широтах от Карельского перешейка до Черноморского побережья.

Было проведено несколько демонстрационных сравнительных испытаний систем ночного видения на ЭОПах и телевизионных ночных систем с использованием этих суперортиконов. Испытания убедительно показали, во-первых, преимущества телевизионного способа наблюдения и передачи изображения и во-вторых, возможность использования отечественных передающих телевизионных приборов для решения многих важных задач в условиях крайне низких освещенностей. К тому же полный комплекс лабораторных испытаний показал, что эти высокочувствительные приборы по основным фотоэлектрическим параметрам находятся на уровне лучших зарубежных образцов, заметно превосходят их по механической прочности.

Следующий этап работ (1966—1972) был направлен на повышение чувствительности до освещенности 5х10 ^-7 лк, и создание суперортикона в 5 раз с большей площадью фотокатода, чем у предшествующих приборов. Большая площадь фотокатода позволяла увеличить поле зрения телевизионных систем, стало быть, и возможности поиска и обнаружения астрономических и космических объектов, точного измерения их координат при повышенной разрешающей способности.

Наряду с увеличением площади фотокатода дальнейшее повышение чувствительности передающих приборов типа суперортикон проводилось, начиная с 1969 г., путем перехода к изоконному механизму съема сигнала. Простота и эффективность в изоконе конструкции узла разделения электронов в обратном луче на рассеянные и зеркально отраженные определили простоту изготовления прибора, упростили процесс настройки.

Параллельно при активной поддержке заместителя министра СВ. Илюшина и начальника ГНТУ Министерства электронной промышленности В.М. Пролейко, начиная с 1968 г., проводились исследования по созданию высокочувствительных передающих телевизионных приборов с использованием доком мутационного усиления в самой накопительной мишени и видиконного механизма образования сигнала, получивших название супервидиконов. В них использовались мишени с вторичноэлектронной проводимостью и мозаичные кремниевые мишени диодного типа. Мишени с вторично-электронной проводимостью создавались в физическом отделе института. Эти приборы отличались от суперортиконов и изоконов малыми габаритами, высокой чувствительностью и высоким отношением сигнал/шум.

Следует отметить, что в супервидиконах впервые начали применяться волоконно-оптические пластины на входе прибора, металло-керамические элементы оболочки и холодный отпай прибора, В дальнейшем на основе отработанных базовой конструкции и базовой технологии были разработаны супервидиконы 4-х типов. Созданные приборы нашли применение в системах прикладного и научного телевидения, в дефектоскопии, в телевизионных ночных системах оборонного характера. Не менее эффективным оказалось их применение в астрономии и астрофизике, в становлении нового направления — телевизионной астрономии. Только создание высокочувствительных передающих приборов, обеспечивающих надежную регистрацию малых освещенностей, создаваемых астрономическими объектами, позволило применить телевизионные системы в астрономических наблюдениях, обеспечивая их высокую эффективность. Развитие и использование современных  компьютеров для регистрации  видеосигнала

в цифровой форме позволило создать непревзойденные астрономические системы высокой точности.

Многолетние работы по фотометрированиго слабых звезд на полуметровом телескопе Крымской астрофизической обсерватории с использованием сочлененных с ЭОПом изоконов позволили получить результаты, превосходящие достижения американских ученых. В знак особого уважения к большим заслугам д.т.н. Н.Д. Галинского в становлении телевизионной астрономии открытая сотрудниками Крымской астрофизической обсерватории в 1983 г. малая планета № 4080 названа его именем. Это было признанием большой роли, которую сыграли отечественные высокочувствительные су-перортиконы в развитии мирового научно-технического прогресса.

Начиная с 1972 г. впервые в нашей стране был предложен новый путь построения передающих телевизионных приборов сверхвысокой чувствительности — модульная конструкция. Конструктивно в этом случае передающий прибор строится путем сочленения усилителя яркости с супервидиконом через прямой оптический контакт с помощью волоконно-оптической пластины. Были созданы модульные передающие приборы ЛИ 703 и ЛИ 704 (рис. 6.9). В этих приборах для сочленения использовались су первидикон ЛИ 702 и усилитель яркости ЭП М 20, разработанный в Н И И электронных приборов (Москва).

Приборы ЛИ 703 и ЛИ 704, освоенные в производстве, обеспечивали передачу изображений объектов при освещенности на фотокатоде 1 х 10 ^-7 лк с четкостью до 200 линий.

Появление высокочувствительных супервидиконов и модульных приборов обеспечило создание телевизионных комплексов наблюдения космических объектов и контроля околоземного пространства.

В последнее десятилетие усилия института сосредоточены на разработке конкурентоспособных унифицированных гибридных передающих телевизионных приборов с ПЗС считыванием и телевизионных модулей на их основе. Гибридные приборы обладают высокой чувствительностью — до

1x10^-6 лк и разрешающей способностью 450 телевизионных линий при освещенности до 3х10 ^-4 лк.

В отечественных приборах удалось оптимально согласовать параметры матрицы и ЭОП. Для этого была разработана ПЗС матрица с числом элементов 768x582 и рабочим полем 13,1x9,9 мм², что позволило исключить из сочленения фокон и, таким образом, уменьшить световые потери и сохранить разрешающую способность. Учтен ряд специфических требований, предъявляемых к ЭОП в сочлененных приборах, работающих в телевизионном режиме.

В настоящее время ведутся работы, направленные на создание ряда гибридных высокочувствительных приборов:

-на основе матрицы ФППЗ и ЭОП;

-на основе матрицы ФППЗ и плоского ЭОП для видимого диапазона спектра;

-на основе матрицы ФППЗ и ЭОП, чувствительного в ультрафиолетовой области спектра.

Актуальной задачей в разработке ЭОП и гибридных приборов на основе ЭОП и ПЗС является расширение спектральной характеристики и смещение границы чувствительности в инфракрасную область спектра. Первоначально работы по расширению спектральной чувствительности фотокатодов были направлены на применение новых материалов, в частности, твердых растворов на основе арсенида галлия с шириной запрещенной зоны меньшей, чем у арсенида галлия, т. е. In_xGa_1-x,__xAs; Ga_1-x AsSb_x. Однако простое активирование (покрытие дипольными слоями цезия и кислорода) полупроводника со все меньшей шириной запрещенной зоны не позволяет продвинуться дальше 1,1 мкм.

Для расширения области спектральной чувствительности за пределы 1,1 мкм применяются фотокатоды с отрицательным электронным сродством. Вариантом такого фотокатода является структура с гетеропереходом, в которой поглощающий слой изготавливается из более узкозонного материала, а эмитирующий слой — из широкозонного. Для создания структур фотокатодов чувствительных в области спектра до 1,7 мкм была использована система твердых растворов InP-In0,53 GaO,47 As.

6.5. Фотоэлектронные приборы дл космических исследований

В конце 1959 г. впервые в мире в нашей стране начала развиваться новая область науки и техники — область исследования космического пространства и планет солнечной системы с помощью автоматических межпланетных станций. В октябре 1959 г. в сторону Луны была направлена автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» с установленной на ней фототелевизионной передающей камерой. Она засняла на пленку и передала впервые в мире методом «бегущего луча» с помощью малогабаритного просвечивающего кинескопа «Аметист», разработанного в ЦНИИ «Электрон», с разрешением порядка 1000 строк (главный конструктор Н. Н. Нордстрем)

и ФЭУ-15 (главный конструктор д.т.н. ГС. Вильдгрубе) обратную, невидимую с Земли сторону Луны (рис. 6.10).

Впервые в мире люди нашей планеты увидели эту часть своего ближайшего спутника. Этот первый удачный эксперимент, полет и работа в космосе фотоэлектронных приборов, подтвердил правильность мер, принятых их главными конструкторами по обеспечению стабильности, надежности и механической прочности. Это сыграло большую роль во всех многочисленных дальнейших разработках передающих телевизионных приборов для космической техники.

С начала 60-х годов начали регулярно осуществляться запуски искусственных спутников Земли типа «Космос» с аппаратурой для исследования космического пространства, радиационных поясов Земли. Это было необходимо в связи с предполагаемым запуском на околоземную орбиту космических кораблей «Восток» с космонавтами на борту. В аппаратуре «Космос» для исследования радиационных поясов Земли использовались ФЭУ-16.

В этот же период на околоземную орбиту был запущен искусственный спутник Земли «Протон», на котором было установлено большое количество ФЭУ жалюзийной конструкции разных типоразмеров. В 1961 г. впервые в мире на околоземную орбиту был запущен космический корабль «Восток-1» с космонавтом на борту Ю.А. Гагариным. Начиная с космического корабля «Восток-2» в телевизионных камерах стал применяться малокадровый видикон разработки Г В. Кузнецовой и к.ф-м.н. А. Е. Гершберга с повышенной механической прочностью. При полете космонавта А. А. Леонова на корабле была установлена герметизированная камера с видиконом, позволившая наблюдать выход в открытый космос космонавта А. А. Леонова. Далее на спутниках типа «Космос» была испытана телевизионная стандартная система на 625 строк при четырехстрочном разложении 25 кадров, которая в дальнейшем на кораблях «Союз», а затем на станции

«Салют» использовалась для передачи с борта корабля в вещательную сеть изображений высокого качества.

За первой съемкой обратной стороны Луны последовало глобальное телевизионное изучение ее поверхности с пролетных орбитальных космических аппаратов. В 1965 г. в сторону Луны была направлена АМС «Зонд-3» с установленной на ее борту малогабаритной оптико-механической телевизионной камерой, разработанной д.т.н. А. С. Селивановым, с малогабаритным вибропрочным ФЭУ-54 (главный конструктор д.т.н. Г. С. Вильдгрубе), работающей по принципу оптико-механического телевидения. Этой телевизионной аппаратурой была завершена съемка обратной стороны Луны и получены материалы, необходимые для создания полной карты Луны и лунного глобуса.

В середине 60-х гг. от глобальных исследований поверхности Луны перешли к локальным исследованиям как из чисто научных интересов, так и из практических соображений, имея в виду реальную перспективу организации экспедиций на Луну. В феврале 1966 г. на поверхность Луны была впервые в мире совершена мягкая посадка советской автоматической лунной станции «Луна-9» с целью детального исследования лунного ландшафта. На АЛС была установлена малоразмерная (диаметром 30 мм и длиной 205 мм) оптико-механическая телевизионная камера с новым вибропрочным малогабаритным (диаметром 20 мм) ФЭУ-58. Телевизионная камера могла передавать изображение лунной поверхности с расстояния 1,5 м и «рассматривать» детали размером 1,5—2,0 м, что в 200 раз лучше, чем это можно было видеть с Земли с помощью телескопа. Полученные панорамные телевизионные снимки лунной поверхности эквивалентны телевизионному кадру, содержащему 500x6000 элементов. Хорошая линейность световой характеристики ФЭУ обеспечила работу-камеры при разных уровнях освещенности лунной поверхности, а его надежность, виброустойчивость, стабильность, механическая прочность и виброустойчивость гарантировали надежную работу без резервирования телевизионной аппаратуры.

В дальнейшем с помощью аналогичных камер, установленных на АЛС «Луна-13» и «Луна-19», находящихся на селеноцентрической орбите, проводилась передача изображений лунной поверхности. АЛС «Луна-9» передала на Землю большой объем новой информации о микрорельефе Луны, а со станции «Луна-16» был осуществлен контроль за взятием лунного грунта, доставленного затем на Землю. Как известно, с АЛС «Луна-9» были впервые получены сведения о достаточной механической прочности лунного грунта, выдержавшего ее массу (1500 кг), о наличии незначительной пыли на поверхности Луны в месте посадки.

За совокупность работ в области специального аппаратостроения и приборостроения руководителю разработок приборов для космических исследований в институте д.т.н. Г. С. Вильдгрубе было присуждено звание лауреата Ленинской премии СССР.

Десятки и сотни миллионов километров, отделяющие нас от ближайших планет, делают практически невозможным их детальное изучение с помощью наземных средств. Начиная с 1965 г. исследования планеты Марс выполнялись американскими специалистами с помощью аппаратов «Маринер», а затем — «Викинг». Существенный вклад в изучение Марса

внесли советские автоматические станции, особенно «Марс-4», «Марс-5» (1973). Они осуществили съемку отдельных районов планеты, в результате которой были получены детальная информация и первые цветные снимки поверхности планеты (рис. 6.11). Для телевизионных оптико-механических камер спутников «Марс» в институте был специально разработан малогабаритный ФЭУ диаметром 15 мм. В 1963 г. АМС «Марс-3» была совершена первая попытка доставить телевизионную аппаратуру на планету Марс.

Следует особо отметить запуск станции АЛС «Луна-17», первых передвижных лабораторий «Луноход-1» (1970) и «Луноход-2» (1973), на которых были установлены две оптико-механические телевизионные камеры с ФЭУ-58, служившие «глазами» луноходов для горизонтального обзора ландшафтов и для обзора передних колес луноходов при спуске на поверхность Луны, две камеры для вертикального обзора, а также две камеры на дюймовых видиконах с памятью (рис. 6.12). Видикон с регулируемой памятью имел разрешающую способность 500—600 линий в узкой полосе частот. В физическом отделе института был предложен и разработан для этого видикона фоточувствительный слой, позволяющий доводить длительность считывания изображения до десятков секунд при экспозиции всего в несколько долей секунды. Последние камеры, имеющие ограниченное поле зрения в передней зоне, предназначались для управления движением луноходов по команде водителя с Земли.

Следующей крупной работой, выполненной советскими учеными, было получение первых телевизионных изображений с поверхности Венеры с помощью автоматических станций «Венера-9» и «Венера-10», совершивших мягкую посадку на планету Венера в 1976 г. Этот научный эксперимент был связан с большими трудностями, обусловленными высокой температурой на поверхности Венеры, достигающей 480 "С, и высоким, доходящим до 100 атмосфер, давлением газов.

На автоматических станциях «Венера-9» и «Венера-10» были установлены также телевизионные оптико-мехинические камеры, но с другим фотоумножителем — ФЭУ-114, с более высокой чувствительностью в видимой области спектра. Несмотря на значительную температуру на Венере и высо-

кое давление, телевизионные камеры за свой короткий срок жизни (около 80—100 мин) успели передать на Землю телевизионные изображения ландшафта Венеры высокого качества (рис. 6.13).

В 1980 г. была выполнена еще одна крупная научно-исследовательская работа по исследованию Венеры с помощью автоматических станций «Ве-нера-13» и «Венера-14», совершивших 1 и 5 марта 1982 г. мягкую посадку на поверхность Венеры и передавших с помощью оптико-механических камер телевизионные черно-белые и, впервые в мире, цветные изображения поверхности планеты. Телевизионные камеры были значительно усовершенствованы по сравнению с первыми камерами. В каждой камере с помощью ФЭУ нашего института в 2 раза было повышено разрешение на местности, число строк в панораме увеличено до 1000. В результате с расстояния 1 м различались детали поверхности размером 4 мм. Значительно было увеличено число полутонов. Время, необходимое для передачи одной полной панорамы, было сокращено до 14 мин. Примененные в камере малогабаритные ФЭУ имели

высокую спектральную чувствительность в синей, зеленой и красной областях спектра, что позволило синтезировать цветное изображение.

Кроме передач на Землю телевизионных изображений поверхности планет широкое применение в интересах народного хозяйства имеют также телевизионные передачи с ИСЗ поверхности Земли. Примером может служить отечественная система космической службы погоды «Метеор», успешно функционирующая многие годы и дающая полезную информацию не только относительно облачного покрова, но и о различных природных образованиях на поверхности Земли (обнаружение полезных ископаемых, лесных пожаров, оценка созревания и поражений сельскохозяйственных культур и т. д.). В телевизионных камерах системы «Метеор» применялись различные типы видиконов, работающих как в малокадровом режиме, так и в стандартном режиме разложения.

В аппаратуре ИСЗ «Природа-Метеор» для телевизионной передачи метеорологической и другой информации применялись и фотоумножители.

Одним из значительных результатов работы коллектива института в 80-х годах было создание фотоприемного устройства для телевизионной системы «Вега», разработанной по международной программе «Венера — планета Галлея», имеющей целью исследование с помощью космических аппаратов этих небесных тел.

Комета Галлея, единственная большая комета из ожидаемых в конце второго тысячелетия, была заманчивым объектом для космических исследований, нацеленных на выяснение физических и других характеристик кометы и, в первую очередь, ее ядра. Считается, что ядра комет состоят из сложного конгломерата сконденсированных газов и летучих веществ, перемешанных с твердыми частицами размером от долей микрона до нескольких сантиметров. Образно говоря, ядра комет — «грязный снежный ком» с поперечником 2—20 км и массой 109—1012 т. К сожалению, в 1986 г. условия видимости кометы Галлея с Земли при ее появлении вблизи Солнца были самыми неблагоприятными за все 2000 лет новой эры: в момент прохождения кометы она и Земля оказываются по разные стороны Солнца. Следовательно, в наиболее удобной позиции исследовать комету можно было только космическими средствами.

Комета Галлея стала первой представительницей малых тел Солнечной системы, к которой могли быть направлены специальные автоматические межпланетные станции для исследования ее в непосредственной близости. Подготовка к этому началась заранее. Планировалось запустить с Земли в сторону кометы несколько космических аппаратов. В действительности последовательно было направлено пять. Сначала с советского космодрома Байконур в Казахстане в декабре 1984 г. стартовали две автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2», созданные в СССР по проекту «Венера — комета Галлея» с участием специалистов ряда стран.

Советские автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» достигли планеты Галлея в расчетное время. При этом проводились телевизионные съемки и изучение физико-химических характеристик ядра, а также исследование внутренних областей газопылевой оболочки кометы. С помощью телевизионной аппаратуры станции «Вега-2» получено около700 изображений кометы, снятых в различных зонах оптического спектра (рис. 6.14).

Кроме этих основных научных исследований обеими станциями проводилось зондирование кометы при подлете к ней с расстояния 7 млн км и 14 млн км, а также при удалении станций от нее на расстояния 7 и 14 млн км. Всего было передано на Землю около 1500 телевизионных изображений. Одна из конечных целей проекта «Вега» была достигнута — изображение ядра кометы Галлея украсило обложку одного из мартовских (1985 г.) номеров журналов «Огонек». Телевизионная система обеих станций «Вега» функционально была разделена на узкоугольную камеру высокого разрешения и широкоугольную камеру — телевизионный датчик наведения, а также двухпроцессорную систему, дополненную аппаратными устройствами и интерфейсами для связи. В каждой камере световой поток, проходящий входной объектив, распределяется на два оптических канала, в фокальной плоскости которых устанавливались приемники изображений. В качестве таковых во всех каналах телевизионной системы с накоплением были применены многоэлементные матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью, охлаждаемых до 230—235 К. Матрица ФПЗС полного телевизионного стандарта с кадровым переносом имела поверхностный канал переноса зарядов и трехфазное управление секциями и регистром. Входные устройства были выполнены по схеме с плавающим затвором и транзистором сброса. В зависимости от условий использования матрицы в режиме кадрового переноса обеспечивалось 288 или 576 строк разложения. Размер фоточувствительного элемента матрицы был 18x24 мкм.

Специфика создания видеотрактов для телевизионной системы «Вега» с входным узлом — фотоприемником изображения на ПЗС требовала решения трех основных задач:

определения и исследования необходимых фотоэлектрических параметров матриц ФПЗС при работе в малокадровом режиме телевидения и оптимизации систем видеотракта;

соблюдения необходимого теплового режима матриц ФПЗС при их работе в космосе, а также при испытаниях в земных условиях;

обеспечения надежной работы ФПЗС в бесподстроечном режиме в течение 15 месяцев полета космического аппарата в условиях космического ионизирующего излучения.

Эта задачи при создании специальных ФПЗС были решены коллективом сотрудников ВНИИ «Электрон», руководимом д.ф-м.н. Писарев-ским А. Н. Главным конструктором охлаждаемых фотоприемных устройств для аппарата «Вега» был д.т.н. Формозов Б.Н.

После успешного завершения уникального научного космического эксперимента, в котором телевизионные системы на базе охлаждаемых твердотельных приборов не имели ни одного отказа в течение всего полета космического аппарата «Вега», руководитель комплекса работ по их созданию д.ф-м.н. А. Н. Писаревский вошел в авторский коллектив, получивший Государственную премию СССР по науке и технике 1986 г. за «Создание научного комплекса для исследования кометы Галлея в обеспечение проекта «Вега». Ряд сотрудников института за творческий труд по этому проекту получил высокие государственные награды.

На автоматических межпланетных станциях «Фобос-1» и «Фобос-2», запущенных в июле 1988 г., была установлена телевизионная аппаратура, содержащая видеоспектральный комплекс и рентгеновский телескоп (рис. 6.15),

С помощью названного комплекса проводились наблюдения Марса и Фобоса в спектральной области 0,4—1,1 мкм. Он включал три телевизионных канала для разных диапазонов спектра и один канал спектрометра. Рентгеновский телескоп включал два канала для получения изображений Солнца и его короны: один — в разных областях рентгеновского излучения от 0,5 нм до 30,4 нм, а другой — в видимой части спектра 0,4—0,6 мкм. Во всех каналах в качестве фотоэлектрических преобразователей использовались термостатированные матрицы ФПЗС с кадровым переносом: канал переноса — объемный, тип проводимости дырочный. Каждая матрица содержала две идентичные секции (накопления и памяти) с числом элементов 520x290 и выходной регистр. Размер фоточувствительного элемента 18x24 мкм². Выходное устройство выполнялось по схеме с плавающим затвором и транзистором сброса.

В 1989 г. АМС «Фобос-1 и «Фобос-2» сначала вышли на околомарсианскую орбиту, а потом вокруг спутника Марса. На Землю через телевизион-

ные каналы было передано множество оригинальных изображений Марса и Фобоса, также уникальных снимков Солнца в мягком рентгеновском излучении с различных орбит при разных ракурсах и увеличениях. Полученные данные имеют непреходящую научную ценность. Можно сожалеть, что неудачи в управлении аппаратом «Фобос-1» и в наведении аппарата «Фобос-2» не позволили полностью раскрыть возможность охлаждаемых приборов, надежно работающих при изучении объектов в космосе.

Эти приборы перспективны для применения в системах при длительных исследованиях в дальнем космосе. Для передачи изображений различных объектов из ближнего космоса применение фотоэлектронных приборов в конце 80-х годов стало привычным. Например, они использовались для различных целей в ракетно-космической транспортной системе «Энергия—Буран», которая 15 ноября 1988 г. совершила пробный полет и посадку в автоматическом режиме.

Важно отметить, что исследования ближнего и дальнего космоса с помощью телевизионных фотоэлектронных приборов (рис. 6.16) различных космических аппаратов создали существенный научно-технический задел для создания и совершенствования информационных спутниковых систем, которые в настоящее время интенсивно эксплуатируются.

6.6. Фотоэлектронные умножители

В телевизионной фотоэлектронике значительное место занимают фотоэлектронные умножители — устройства, представляющие собой комбинацию фотокатода с электронным умножителем и анодом. Они предназначаются для усиления слабого эмиттируемого фотокатодом тока. Это усиление обеспечивается динодной умножйтельной системой за счет вторичной электронной эмиссии. Усиление динодной системы лежит, как правило, в пределах 103—108. Темновой ток в анодной цепи в отсутствие освещения катода не превышает 10-9 А. Уже упоминалось, что ФЭУ был неотъемлемой частью одной из первых телевизионных систем «бегущий луч».

Работающий в телевизионной системе ФЭУ должен иметь линейность в широком диапазоне и световой характеристики и быть стабильным в условиях больших освещенностей от проекционной электронно-лучевой трубки, в паре, с которой он работает. Для обеспечения этих характеристик была выбрана жалюзийная система умножения, изобретенная в 1934 г. А.А. Кубецким. Она, в принципе удовлетворяя этим требованиям, имела крупный недостаток — малое усиление из-за неэффективности действия жалюзийного динода. При работе больше трети фотоэлектронов пролетали мимо лопастей жалюзи.

Требовалось найти конструктивное решение этой проблемы, оптимизировать геометрию входной камеры, жалюзи и анодного узла, кроме того изыскать и исследовать материалы с высоком коэффициентом вторичной электронной эмиссии для динодов, разработать эффективные полупрозрачные фотокатоды, наносимые на входное окно прибора. К 1958 г, большая часть проблем была решена. Об этом свидетельствует создание и освоение в опытном производстве к этому времени 6 разновидностей ФЭУ, в их числе ФЭУ-15, с помощью которого впервые в мире было проведено фотографирование и передача на Землю изображения обратной стороны Луны.

Широкое внедрение в практику сцинтиляционного метода регистрации ионизирующих излучений потребовало создания высокочувствительных спектрометрических ФЭУ, необходимых для решения важнейшей задачи в ядерной физике и технике того времени — задачи определения и ха-рактеризапии энергетического спектра процессов радиоактивного распада, разделенных ультракороткими промежутками времени. Она была своевременно решена разработкой фотоумножителей нескольких типоразмеров, удовлетворяющих требованиям заказчиков.

Комплекс параметров ФЭУ-55 (1961) и ФЭУ-58 (1962) привлек внимание разработчиков космической аппаратуры. С помощью первого из них в 1966 г. впервые были переданы снимки поверхности Луны. Позднее направление разработок жалюзийных ФЭУ интенсивно развивалось. С помощью ФЭУ-96 в составе луноходов была обеспечена передача на Землю панорам и стереоскопических изображений ландшафта Луны (1971, 1973), а в 1975 г. с помощью ФЭУ-114 панорамы планеты Венера. Еще в начале 60-х годов возникла потребность в фотоприемниках излучения оптических квантовых генераторов (ОКГ), В этом случае фотоприемники должны были иметь полосу пропускаемых частот порядка сотен мегагерц, высокий квантовый выход на длинах волн ОКГ и низкий порог чувствительности.

Следующее десятилетие было посвящено разработке и выпуску миниатюрных ФЭУ для спектрозональных исследований, солнечнослепых ФЭУ, совершенствованию ФЭУ для ядерных, спектрометрических, коротковременных исследований, а также для детектирования и измерения предельно слабых световых сигналов.

Для экспериментаторов, которых интересовала непосредственная регистрация заряженных частиц к середине 60-х годов, было разработано несколько разновидностей электронных умножителей. Первыми из них были умножители, регистрирующие потоки ионов цезия в атомнолучевых трубках — цезиевых стандартах частоты.

С 1965 г. в институте получили интенсивное развитие разработки ФЭУ, в которых умножающая система представляет собой вторичноэлектронный эмиттер с распределенным сопротивлением. Интерес к этим эмиттерам, предложенным Л. А. Кубецким в 1934 г., возобновился во всем мире после нахождения конструктивно-технологического решения эмиттера в виде протяженного канала, внутри которого происходит умножение электронного потока. Каналовые электронные умножители, созданные в институте в 1975—1985 гг., были востребованы исследователями многих фундаментальных физических явлений. Разработки каналовых и жалюзийных ФЭУ проводились также специально для космических аппаратов с учетом конкретных условий их применения. С помощью этих ФЭУ были получены характеристики межпланетной магнитосферной плазмы, потоков заряженных частиц (солнечного ветра) вблизи Земли, Венеры, Марса, геомагнитного хвоста Земли. Некоторые разновидности приборов нашли столь широкое применение, что было организовано их серийное производство.

Для увеличения токосъема каналовых ФЭУ на выходе канала использовался полупроводник как умножающий на базе р-n перехода, обладающего эффектом катодоусиления. Для повышения пространственно-временного разрешения создавались многоканальные умножители с использованием микроканальной пластины (МКП). Создание электронных умножителей с МКП позволило выполнить ряд оригинальных плодотворных экспериментов как в наземной, так и космической аппаратуре.

С начала 70-х годов в институте были своевременно начаты разработки ФЭУ с использованием фото- и вторичноэлектронных эмиттеров с отрицательным электронным сродством. Применение новых материалов для эмиттеров и разработка совершенной технологии для активирования их поверхности позволяли, с одной стороны, поднять коэффициент усиления динода в 5—7 раз и обеспечить регистрацию сверхслабых излучений в режиме счета импульсов, вплоть до одноэлектронных и, с другой стороны, увеличить квантовую эффективность в области длин волн 600—1100 нм не менее чем на порядок. Речь идет о ФЭУ, получивших в США, где они были разработаны ранее, название «квантоконы». Первые отечественные квантоконы были разработаны в институте в 1977—1978 гг. и выпускались опытным производством института, а вскоре и на заводе «Гран» (рис. 6.17).

 концу 1980 г. был разработан технологический процесс получения квантоконов со световой катодной чувствительностью более 1000 мкА/лм. В последующие годы на базе этой технологии была разработана серия высокочувствительных квантоконов. Технология изготовления квантоконов в институте была защищена не менее чем десятком авторских свидетельств СССР. После 1985 г. разработки квантоконов были нацелены

6.7. Фотоэлектронные приборы мгновенного действия — диссекторы

К фотоэлектронным приборам мгновенного действия относится диссектор — передающий телевизионный прибор без накопления заряда для преобразования оптического изображения в последовательность электрических сигналов. Действие диссектора основано на отклонении потока электронов фотоэмиссии, пропорционального освещенности элемента фотокатода, относительно малого вырезывающего отверстия в диафрагме. Она отделяет секцию фокусировки и отклонения электронного луча от секции умножения, в которой электроны, прошедшие через вырезывающее отверстие, попадают во вторич-ноэлектронный умножитель и их ток на нагрузке образует сигнал.

Электронное изображение в плоскости диафрагмы перемещается так, что с вырезывающим отверстием поочередно совмещается строка за строкой все элементы изображения. Диссектор отличается от других вакуумных передающих телевизионных приборов возможностью применения любого алгоритма сканирования, линейностью сигнала в широком динамическом диапазоне, высокой надежностью и простотой в эксплуатации.

Разработка диссекторов в стране началась в 1961 г. Выпуск первого диссектора ЛИ 601 с висмуто-кислородно-серебряным фотокатодом состоялся в 1962 г. Прибор при освещенности 60 лк обеспечивал выходной сигнал 100 мкА.

Позднее была создана серия диссекторов с разными фотокатодами, спектральная чувствительность которых перекрывала диапазон от УФ до ближней ИК области спектра. Варьирование формы и размера вырезающего отверстия позволяло создавать приборы без накопления для самых различных областей применения. Основное применение диссекторы получили в телевизионных автоматах, аппаратуре технологического дистанционного контроля, в системе астроориентации и астрокоррекции летательных аппаратов. За разработку диссектора для аппаратуры оборонного назначения к.т.н. Н.К. Далиненко был удостоен почетного звания — Лауреат Государственной премии СССР по науке и технике за 1969 г.

Для телевизионных автоматических информационно-измерительных систем высокой точности в 70—80-х годах во ВНИИ «Электрон» разработаны диссекторы второго поколения. Для них характерно наличие в электронно-оптической системе (ЭОС) мелкоструктурной прифотокатодной сетки. В сочетании с рядом других конструктивных решений это обеспечило высокие характеристики: предельную разрешающую способность — 300 лин/мм, геометрические искажения — не более 1,5% и высокие эксплуатационные параметры — верхнюю границу рабочих освещенностей более 10000 лк, стабильность параметров в течение 4000 ч непрерывной работы (рис. 6.18).

Совершенствование диссекторов в дальнейшем велось за счет введения конструктивных и технологических новшеств, направленных на повышение стойкости к воздействию спецфакторов и увеличение срока службы.

К началу 90-х годов были созданы приборы с повышенной радиационной стойкостью, длительной долговечностью при нормальной и повышенной температуре эксплуатации. Долговечность диссектора ЛИ 619 характеризуется минимальной наработкой до ста тысяч часов. Ряд типоразмеров диссекторов обеспечивает работу в режиме счета электронов. Все разработанные диссекторы были освоены в производстве и выпускались серийно.

6.8. Заключение

ОАО «ЦНИИ «Электрон» в настоящее время активно работает в новых рыночных условиях, используя богатый творческий опыт и развитую технологию в производстве фотоэлектронных приборов.

С 1994 г. институт возглавил генеральный директор И.С. Васильев, ему удалось организовать работу института в новых условиях. Именно в этот период институту присвоен новый статус «Базовый научный центр». Под непосредственным руководством И.С. Васильева установились многие новые творческие связи с иностранными партнерами: фирмами Англии, Германии, Сирии, Финляндии, Китая, с которыми заключены взаимовыгодные контракты.

В 1998 г. институт выиграл тендер на поставку 16 тысяч ФЭУ для Европейского Центра ядерных исследований в Швейцарии.

За разработку научных и технологических основ создания фоточувствительных сверхбольших интегральных схем на принципе ПЗС и их промышленное освоение научным сотрудникам института В. А. Арутюнову и к.т.н. Г. И. Вишневскому была присуждена Государственная премия Российской Федерации 1998 г. в области науки и техники. Сотрудники института неоднократно награждались медалями на Международной выставке «Эврика» в Брюсселе.