Базовые лекции по электронике (в 2-х томах)

I том

Электровакуумная,

плазменная и квантовая

электроника

СБОРНИК

ПОД ОБЩЕЙ РЕДАКЦИЕЙ В.М. ПРОЛЕЙКО

Техносфера

Москва

2009

Базовые лекции по электронике (в 2-х томах)

TomI

Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника

Сб. под общ. ред. В.М. Пролейко

Москва: Техносфера 2009. - 480 с.

ISBN 978-5-94836-214-4 (том I)

ISBN 978-5-94836-213-7

Современные требования к специалистам электронной промышленности многократно возрастают и требуют пересмотра учебных планов многих вузов. Авторы книги — авторитетные ученые, руководители НИИ, КБ, совмещающие научное руководство в области электроники с преподаванием основ этого предмета, предлагают читателю компактно изложенные лекции, подготовленные в стиле «приглашенного профессора».

Сборник состоит из двух томов. В первом представлены электровакуумные и фотоэлектронные приборы, конденсаторы и резисторы, современные средства отображения информации, некоторые разделы квантовой и плазменной электроники.

Второй том, посвященный твердотельной электронике, открывается Нобелевской лекцией академика Ж.И. Алферова.

Книга адресована преподавателям вузов, специалистам в области электроники и студентам - будущим ученым, инженерам и руководителям отечественной электронной промышленности.

2009, ЗАО «Научно-производственный комплекс «Компьютерлинк» 2009, ЗАО «РИЦ «Техносфера», оригинал-макет, оформление

ISBN 978-5-94836-214-4 (том I)

ISBN 978-5-94836-213-7

К читателю

Уроки Великой Отечественной войны и начавшаяся  в конце 1940-х годов холодная война потребовали от отечественной промышленности новых усилии, направленных на развитие электроники, для того, чтобы вывести ее на мировой уровень, поскольку электронные средства борьбы использовались, в первую очередь, как средства предупреждения о возможной агрессии.

Противоборствующие стороны, иногда вступавшие и в непосредственные столкновения, например, в условиях военных действий в Корее, во Вьетнаме и на Ближнем Востоке, обладали разными условиями, необходимыми для развития радиоэлектронной промышленности. Ресурсная поддержка этой отрасли в странах Запада во много раз превосходила возможности Советского Союза. Кроме того, наша страна оказалась в условиях международной изоляции, в то время как ее противники пользовались всеми преимуществами международного разделения труда.

Несмотря на это уже к концу 1960-х годов советская электроника вышла на передовые рубежи в мире как по части электронных приборов, так и по части электронной аппаратуры по большинству направлений, а по ряду из них — специальной, оборонной и космической — превзошла лучшие зарубежные образцы.

Еще в конце 1950-х годов даже американцы оценили эти феноменальные достижения. Уже после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли США приступили к реорганизации собственной системы образования с использованием, при этом, опыта советской системы подготовки научных и инженерных кадров. Действительно, именно кадры стали тем главным ресурсом электронной промышленности нашей страны, который во второй половине XX века позволил ей выйти на мировой уровень.

К прекрасно зарекомендовавшим себя специалистам — выпускникам университетов таких традиционно ориентированных на электронику вузов, как МЭИ, МФТИ, МИФИ, МХТИ, ЛЭТИ, в 1960-е годы присоединились выпускники вновь созданных МИЭМ, МИЭТ, МИРЭА.

В этот период советская радиопромышленность, промышленность средств связи и особенно электронная промышленность развивались невероятно высокими темпами.

К сожалению, за последние четверть века отечественная электроника в целом и система подготовки кадров, в частности, потеряла многое из ранее достигнутого.

Однако тревожные тенденции современного этапа развития человеческого общества — угроза экстремизма, терроризма, военных конфликтов и войн, необходимость обеспечения безопасности, с одной стороны, и возрастающее значение современной электроники и информационной техники — с другой, привели к восстановлению и дальнейшему развитию российского  радиоэлектронного  комплекса.   Этот процесс,  естественно,

потребует подготовки высококвалифицированных кадров на самом современном уровне.

Предлагаемый читателям двухтомный сборник «Базовые лекции по электронике», безусловно, внесет свою лепту в выполнение этой непростой задачи — подготовки современных ученых, инженеров, технологов и руководителей для наиболее передовой отрасли науки и техники — электроники.

Лекции подготовлены ведущими учеными, академиками РАН Ж. И. Алферовым, К.А. Валиевым, Ю. В. Гуляевым, В. К. Левиным, А.А. Орликовским, В. В. Осико, а также научными руководителями НИИ и КБ радиоэлектронного комплекса, профессорами вузов. Лекции охватывают все виды электронных приборов, включая приборы наноэлектроники и микросистемотехники.

Надеюсь, что лекции будут интересны и полезны не только студентам, но и преподавателям средних и высших учебных заведений, специалистам радиоэлектронного комплекса.

Ю.И. Борисов, доктор технических наук, заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации

От составителя и редактора сборника

Подготовка и издание «Базовых лекций по электронике» вызваны желанием авторов содействовать решению некоторых актуальных проблем, стоящих перед отечественной электроникой.

Это, во-первых, необходимость в очередной раз попытаться донести до российской общественности и государственных структур доказательства государственного и общественного значения электроники. Авторами компактно изложенных лекций в сборнике выступают члены Российской Академии наук, руководители крупных НИИ, профессора ведущих ВУЗов.

Это, во-вторых, доказательство взаимообогащающего сотрудничества электроники и высшей школы, что также следует из приведенных лекций авторитетных ученых, совмещающих руководство научными работами в электронике с преподаванием основ электроники в ВУЗах.

Это, наконец, возможность предоставить студентам и специалистам, повышающим собственную квалификацию, информацию о современном состоянии и перспективах развития основных направлений электроники.

Электроника XX века развивалась как самая динамичная отрасль науки и техники. Особая роль электроники в процессе изменения мира за последнее столетие определялась рекордными темпами ее внедрения в военную технику, средства связи и транспорта, системы управления, энергетику, самолето- и автомобилестроение, медицину и в технологические процессы многих производств.

Успехи микроэлектроники обеспечили прогресс в вычислительной технике и информационных технологиях, что создало предпосылки для построения нового типа общества — информационного общества.

Характерная особенность электроники — ее развитие на стыке не только различных разделов физики, но и других естественных наук, создание новых электронных направлений, использование которых создает еще более эффективные технологии.

Очевидна определяющая в прогрессе электроники роль квалифицированных, специально подготовленных кадров. Наиболее эффективно уникальные свойства электроники реализуют специалисты, получившие в высшей школе базовые знания широкого профиля и постоянно продолжающие затем свое самообразование.

Важнейшим фактором в 100-летней истории электроники было ее постоянное взаимосвязанное сотрудничество с высшей школой. Электроника, как наука, возникла на рубеже XIX и XX веков на базе исследований физиков — профессоров университетов Германии, России и Англии: Г. Р. Герца, В. К. Рентгена, К.Ф. Брауна, А. Г. Столетова, А. С. Попова, Дж.Дж. Томсона и О. У. Ричардсона. Это были университетские теоретические и экспериментальные работы. И хотя исследования Герца и Попова легли в основу создания первых практических устройств искровой радиосвязи, а изобретения Столетова, Рентгена и Брауна использовались позже при разработке конструкции фотоэлектронных, рентгеновских и электронно-лучевых приборов, промышленного производства электронных приборов и аппаратуры не существовало до начала 20-х годов прошлого столетия.

Требования к организации производства электровакуумных ламп со стабильными параметрами для устройств радиосвязи 20—30-х годов привели к созданию новых направлений работ в зарождающейся в США и в СССР электронной промышленности и новых учебных дисциплин в высшей школе — электронных технологий. Уже тогда определился многофакторный характер электронных технологий. Необходимо было получать и сохранять высокий вакуум в изолированном объеме, использовать специальные металлы, диэлектрики и эмиссионные материалы, соблюдать режим активизации и тренировки электровакуумного прибора до и после его отпайки от вакуумного поста.

С этого времени электронные технологии стали главным фактором прогресса электронной промышленности.

Военная электроника впервые сыграла важнейшую роль в противостоянии Англии и США фашистской агрессии во Второй мировой войне. Первый успешный опыт радиолокационной войны позволил Англии уже в 1940 году выиграть битву с немецкой авиацией, а затем — и с ракетами ФАУ.

Оценив этот опыт, американское правительство в начале войны выделило 3 миллиарда долларов для создания средств радиолокации весьма авторитетному Массачусетскому технологическому институту, ведущему научные исследования и обучающему студентов по различным направлениям науки и техники. Уже к 1942 году в МТИ были созданы радиолокационные системы для различных военных применений. Эти РЛС успешно применялись в основных родах войск союзников, а с 1944 года и в Красной Армии. Теоретические и технологические наработки этого проекта МТИ были опубликованы и переведены в СССР на русский язык и использовались при создании базы отечественной СВЧ электроники.

Подготовка специалистов по электронике в СССР началась в послевоенные годы на кафедрах МГУ, МФТИ, МХТИ им. Менделеева, ЛЭТИ. При этом учебные программы учитывали основные три вектора развития электроники: освоение все более высоких частот, генерации и приема электронных приборов, получение все больших мощностей их генерации и лучшей чувствительности приема и все более тщательной отработки технологии их производства.

Рождение полупроводниковой электроники в конце 40-х годов потребовало создания принципиально новых видов электронных технологий. В истории отечественной электроники существует показательный пример совместной технологической подготовленности промышленного предприятия и ВУЗа к восприятию новых решений в электронике.

Как известно, изобретение транзистора в конце 1947 года было результатом длительных и дорогих исследований американской фирмы BellTelephon.

Создание первого отечественного транзистора имеет следующую историю. Летом 1949 г., через полтора года после изобретения транзисторов в США, студентка кафедры «Технология производства электронных приборов» (кафедры № 5) МХТИ им. Менделеева Сусанна Мадоян защитила дипломную работу «Исследование материалов для кристаллического триода», ставшую затем основой создания первого отечественного транзистора. Руководителем работы был А. В. Красилов — начальник отдела технологически продвинутого тогда НИИ 160. Что же касается МХТИ, то его студенты во все времена получали разностороннюю физико-химическую подготовку. Таким образом, советский транзистор — результат совместной работы отечественной промышленности и высшей школы.

Показательным является решение американской администрации об изучении советской системы высшего образования после запуска в СССР в 1957 году Первого искусственного спутника Земли.

В 1961 году в СССР была создана самостоятельная, разделенная с аппаратостроительными отраслями, электронная промышленность. Одним из первых активных действий новой отрасли была организация в 60-е годы МИЭМ, МИЭТ, МИРЭА — специализированных ВУЗов для подготовки специалистов для электроники.

Выпускники советских ВУЗов обеспечили в 60—80-е годы самые высокие в СССР темпы роста электронной промышленности, а научно-технический уровень ее продукции, особенно для военной радиоэлектроники, уже в 70-е годы соответствовал передовым мировым показателям, а зачастую и превосходил их. Парадоксально, но именно этот период истории СССР доморощенные дилетанты назвали «застойным периодом».

Серьезные проблемы в отечественной электронной промышленности, как и в ВУЗах, готовящих для нее специалистов, возникли в последние 20 лет. Постоянное свертывание промышленности и сокращение специальной подготовки студентов вошли в противоречие с соответствующими мировыми тенденциями.

Современные требования к специалистам электронной промышленности не только многократно возрастают, но и требуют кардинального пересмотра учебных планов многих ВУЗов. При этом необходимо учитывать развитие на рубеже веков таких новых направлений, как оптоэлектроника, функциональная электроника, наноэлектроника, органическая электроника, молекулярная электроника и микро(нано)электронно-механические системы. Продолжаются исследования по созданию квантовых компьютеров и спинтроники и т. д.

Современный специалист по электронике должен не только овладеть традиционно необходимыми знаниями базовых направлений электроники, но и ориентироваться во всех разделах физики и отдельных разделах химии, материаловедения, металлургии, кристаллографии, метрологии. Вышеприведенный далеко не полный перечень новых направлений в электронике говорит о необходимости обучения нанотехнологиям, органическим и молекулярным (в том числе и биологическим) структурам, микротехнике, новым углубленным разделам математики и т. д.

К сожалению, в уже упомянутый 20-летний разрушительный период реформ многие выпускники таких ВУЗов, как МГУ, МФТИ, МВТУ, оказались невостребованными в России, но востребованными в зарубежных странах, где часто они развивают «чужую» электронику, в том числе военную. Невостребованными в России оказались выпускники и других ВУЗов, но большинство из них оказались в далеких от электроники отраслях.

Однако неизбежно наступит период, когда России снова понадобятся специалисты широкого профиля, обладающие необходимыми знаниями в электронике и в смежных с ней областях науки и техники.

Авторы данного сборника предлагают читателям, интересующимся современной электроникой, лекции, подготовленные в стиле «приглашенного профессора», т. е. эквивалентные по объему двум академическим лекторским часам,

Сборник состоит из двух томов. Первый том посвящен электровакуумной, плазменной и квантовой электронике. Классические электровакуумные приборы представлены лекциями ГЛ. Брусиловского, Б. И. Горфинкеля, B.C. Прилуцкого и А.В. Галдецкого. Лекция P.M. Степанова знакомит читателя с фотоэлектронными приборами, а обзор К. Н. Быструшкина — с современными средствами отображения информации. Некоторые разделы квантовой электроники описаны в лекциях Г. М. Зверева, А. А. Шокина, Т. Т. Басиева, В. В. Осико и Е. В. Жарикова. Плазменная электроника представлена лекцией А, С. Арефьева и В. А. Коротченко, а конденсаторы и резисторы — лекциями Б. П. Беленького, В.П. Буца и В.Г. Недорезова.

Второй том, посвященный твердотельной электронике, открывается Нобелевской лекцией академика Ж. И. Алферова. Наноэлектроника и полупроводниковые приборы рассмотрены в лекциях К. А. Валиева, А. А. Орликовского, Б. Г. Грибова, Я.А. Федотова, Л.Н. Курбатова, А. И. Дирочки, Ф. И. Ковалева, Б. М. Малашевича, А. А. Щуки. Лекции по функциональной электронике подготовили Ю. В. Гуляев, А. А. Щука, Ю.М. Яковлев, В. В. Петров; по микроэлектронномеханическим системам — П. П. Мальцев и В. А. Телец.

Составитель и редактор сборника вместе с его авторами надеются, что подготовленные лекции будут полезны специалистам по электронике и особенно будущим ученым, инженерам и руководителям отечественной электронной промышленности.

В. Пролейко, к.т.н., профессор кафедры «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» РГТУ-МАТИ им. Циолковского

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ

В, М. Пролейко окончил МХТИ им. Менделеева. С 1956 г. — разработчик низковольтных магнетронов в ОКБ завода «Плутон». С 1961 г. — нач. отдела, управления ГКЭТ СССР, с 1968 по 1985 г. - нач. Главного Научно-технического управления МЭИ СССР. К.т.н, доцент (1973 г.), подготовил и вел первый в СССР курс «Комплексные системы управления качеством продукции» в МИЭМ. С 2001 г. — профессор РГГУ-МАТИ им. Циолковского, руководитель Научно-образовательного центра «Цифровая и наноэлектроника». С 1988 г. — генеральный директор НПК «Компьютерлинк».

1.1. Рождение электроники

Среди естественных наук, в значительной степени определивших развитие человеческой цивилизации, особое место занимает физика в силу своего фундаментального значения и многообразия.

«Физика — одна из древнейших естественных наук, уступает в исторической хронологии лишь математике и астрономии. В дошедших до нас свидетельствах античных летописцев упоминаются эмпирические наблюдения некоторых процессов при строительстве и ремесленном производстве, а также, попытки описания технологий, относящихся к VIII—VII векам до н.э.» [I].

Энциклопедия определяет: «Физика — наука, изучающая простейшие, и вместе с тем, наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы ее движения. Поэтому понятие «физика» и ее законы лежат в основе всего естествознания» [2].

За почти 3000 лет своей истории физика прирастала все новыми и новыми разделами, возникающими обычно как результат эволюции ранее известных и развивающихся направлений. Таким предшественником интересующего нас раздела физики по имени «электроника» было электричество.

Ключевым словом данных лекций можно считать слово «электрон». Этим словом древние греки называли янтарь — природный генератор статического электричества.

С древних времен в природе наблюдались электрические разряды и свечения, обнаруживались магнитные свойства некоторых материалов. Началом становления науки об электричестве можно считать работы английского физика У. Гильберта, описавшего в 1600 году природу электрических и магнитных явлений.

В 1745 году был создан прототип первого пассивного электронного (электрического) прибора — конденсатора, так называемой «Лейденской банки». Это был прибор электричества. Согласно определению «Электричество — это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением электрически заряженных тел или частиц» [3]. Электрически заряженные частицы в конденсаторе накапливают электрический заряд.

Важным событием, предопределившим рождение электроники, было открытие и описание в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция, согласно выводам Фарадея, связывает электрические и магнитные поля и дает основания для объединения понятия этих двух полей в общее понятие электромагнитного поля.

В 1832 году Фарадей высказал предположение о единой природе волн, расходящихся на поверхности возмущенной воды, и электромагнитных волн.

Теоретическое обоснование этого предположения было разработано другим английским физиком, Джемсом Максвеллом, в фундаментальных трудах «Динамическая теория электромагнитного поля» 1864 года и двухтомном «Трактате об электричестве и магнетизме» 1873 года.

В этих трудах Максвелл выразил законы электромагнитного поля в форме четырех дифференциальных уравнений в частных производных, из которых следовало убедительное обоснование существования электромагнитных полей.

Экспериментальное подтверждение наличия в природе электромагнитных волн осуществил в 1887 году немецкий физик Генрих Герц в опыте по передаче и приему электромагнитного сигнала, проведенном в лаборатории Высшей технической школы в Карлсруе.

Эти работы Фарадея, Максвелла и Герца выходили за рамки традиционного раздела физики с названием «электричество» и открывали путь

новому направлению физики — «электроника», основанному на использовании электромагнитных волн.

Именно эти работы и создали предпосылки зарождения на рубеже XIX и XX веков нового направления физики — электроники.

В последнее десятилетие XIX века и в первое десятилетие XX века произошел удивительный цивилизационный прорыв — одновременное возникновение нескольких крупных научных и технологических направлений, активно развивающихся с тех пор уже более 100 лет.

Это был старт квантовой и ядерной физики, электроники, рентгеновской техники, фототелеграфа, автомобиле- и самолетостроения, магнитной записи и техники кино. В каждом из этих направлений за последние годы достигнуты весьма значительные результаты, но эффективность развития электроники, универсальность и широта ее внедрения в деятельность человека, вывели электронику в наши дни на позиции науки и промышленности, определяющих дальнейшее развитие человечества.

1888—1907 гг. — период рождения электроники

Первые наблюдения электронных процессов принадлежат американскому изобретателю Т. А. Эдисону, открывшему при создании лампы накаливания в 1883 году эффект протекания тока в вакууме между угольной нитью и впаянным в вакуумированную стеклянную колбу металлическим электродом с положительным напряжением. Этот важный, хотя и необъясненный и неисследованный автором открытия эффект, названный позже «Эффектом Эдисона», фактически был открытием термоэлектронной эмиссии — одного из базовых процессов в электронных приборах.

Временем зарождения электроники как самостоятельного раздела физики можно считать 20-летний период между 1888 и 1907 годами. В эти годы в университетах и высших школах Германии, России, Англии и Голландии были проведены базовые исследования электронных процессов и созданы первые прототипы электронных приборов.

1888 — первый электронный прибор

Первый электронный прибор — вакуумный фотоэлемент — был создан русским физиком, профессором Московского Университета А. Г. Столетовым в 1888 году.

Фотоэлемент Столетова полностью соответствовал сформулированному позже определению электронного прибора, как прибора, в котором происходит взаимодействие электронов с электромагнитными волнами. Электромагнитные волны светового спектра, или, по терминологии Столетова, «энергия световых лучей», выбивали из фотокатода поток электронов. Между фотокатодом и анодом с положительным зарядом возникал фототок. Этот процесс, проходящий в вакууме, позже использовался в различных фотоэлектронных приборах.

1895-рентгеновская трубка, изобретение радио

В этом году немецкий физик В. К. Рентген создал высоковольтный ионный прибор — «рентгеновскую трубку», в котором энергия высокоэнергетических ионов (позже — электронов) преобразовывалась в энергию электромагнитного излучения самой высокой для электронных приборов даже настоящего времени частотой.

Это изобретение было отмечено в 1901 году первой Нобелевской премией.

В том же 1895 году преподаватель Высшего технического училища морского ведомства в Кронштадте А. С. Попов изобрел и продемонстрировал первые радиопередающее и радиопринимающее устройства. Символично, что первая в истории радиограмма, переданная и принятая А. С. Поповым при демонстрации радиосвязи 25 апреля (7 мая) 1895 года на заседании Русского физико-химического общества, состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этими словами изобретатель радио А. С. Попов отдавал должное ученому, экспериментально подтвердившему фундаментальные положения Максвелла об электромагнитных волнах.

Важным фактом было применение А. С. Поповым в радиоприемном устройстве усовершенствованного им когерера Э. Брандли — прототипа электронного прибора, детектирующего электромагнитные волны.

Недавние исследования российских историков науки доказали неоспоримый приоритет изобретения радио А.С. Поповым [4].

1897 — открытие электрона, катодная трубка

В 1897 году английский ученый, профессор Кембриджского университета Дж. Дж. Томсон открыл и описал элементарную частицу — электрон, а немецкий физик, профессор Страсбургского университета К. Ф. Браун изобрел катодную трубку — прототип электронно-лучевых приборов.

1892—1909 — электронная теория

В 1892—1909 годах голландский физик, профессор Лейденского университета, ГА. Лоренц создает электронную теорию. Согласно этой теории, всякое вещество содержит положительные и отрицательные заряды, движением и взаимодействием которых обусловлены электромагнитные явления, а также электрические, магнитные и оптические свойства вещества.

1900—1901 — термоэлектронная эмиссия

Английский физик из Кавендишской лаборатории Кэмбриджского университета О.У. Ричардсон в 1900—1901 гг. провел первые исследования открытой Эдисоном термоэлектронной эмиссии.

1904—1907 вакуумные диод — триод

Изобретение англичанином Дж. Флемингом вакуумного диода в 1904 году и американцем Ли де Форестом вакуумного триода в 1907 году завершило этап становления электроники как науки — период создания основ теории и разработки первых прототипов электронных приборов.

1.2. Специфика электроники

Следующие 100 лет развитие электроники происходило нарастающими темпами, как в научном и техническом, так и в технологическом и производственном направлениях. Электроника преображала применяемую человечеством технику, завоевав наиболее выигрышные позиции в эволюционной последовательности используемых процессов — от механических — через электромеханические — к электронным. Рассмотрим три примера такой эволюции:

1.    До изобретения в 30-е годы XIX века американским художником и изобретателем Самюэлем Морзе электромеханического телеграфа связь на расстоянии реализовывалась механическим способом — путем перемещения информации вместе с ее носителем — гонцом, послом, письмом, и т.д. Даже в устройствах искровой радиосвязи Попова и Маркони вместе с использованием электромагнитных волн использовались электромеханические устройства.  Изобретение Ли де Форестом вакуумного триода и разработка на его базе Э. Армстронгом схемы положительной обратной связи (регенерации) стали основой полностью электронной радиосвязи.

2.    На смену механическим устройствам передачи изображения П. Нип-кова (1884) и электромеханических телевизионных систем Д. Бэрда (20-е годы XX века), благодаря изобретению В. К. Зворыкиным приемной и передающей телевизионных трубок в 1935 году началась эпоха полностью электронного телевидения.

3.    Еще более эффективным стал процесс замещения электронными приборами механических и электромеханических вычислительных элементов в счетно-вычислительных устройствах. ЭВМ на электронных лампах в 50-е годы XX века полностью вытеснили вычислительные машины на базе электромеханического реле Айкена и Цузе, которые всего лишь одним десятилетием раньше пришли на смену механическим вычислителям Паскаля и Лейбница XVII века и Бэббиджа XIX века.

Количество подобных примеров уникальной эффективности электроники возрастало в течение всего XX и начала XXI века. Сегодня существуют реальные предпосылки дальнейшего рекордно продуктивного внедрения электроники в различные области жизни и деятельности человека.

20-е годы стали временем, когда впервые проявились три важнейших тенденции в истории электроники.

Это, во-первых, характер совместных работ специалистов в двух направлениях развивающейся электроники: электронного приборостроения и электронного (тогда — радиоэлектронного) аппаратостроения.

Первым результатом такого сотрудничества была, как уже говорилось выше, разработка в 1912 году американским военным инженером Э. Армстронгом схемы передачи части анодного напряжения на сетку вакуумного триода Ли де Фореста, что превращало триод в усилительный и генераторный прибор. Использование схем Армстронга в радиопередатчиках и радиоприемниках сделало возможным организовать в 1915 году американскую трансконтинентальную и трансатлантическую радиосвязь. Это научно-техническое разделение создателей электроники на специалистам по электронным приборам и специалистов по электронной аппаратуре сохранялось до 80-х годов XX века и изменилось в сторону объединения только в связи с прогрессом микроэлектроники и в комплексированных электронных устройствах СВЧ-диапазона.

С усложнением в 30—60-е годы функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры и параллельным развитием электронного приборостроения все в большей степени усложнялись и процедуры взаимного согласования между приборными и аппаратурными специалистами параметров базовых электронных приборов и конечной аппаратуры.

Развитие с начала 70-х годов микроэлектроники привело к росту степени интеграции микросхем, превращая их во все более сложные схемо-и даже, системотехнические приборы, что еще больше усложнило согласование параметров.

Проблемы нового взаимопонимания специалистов электроники были изучены, изменены, и в итоге описаны в выпущенном в 1987 году ГОСТ-27394 в форме более 40 последовательных шагов совместной работы математиков, системо- и схемотехников, топологов и технологов. ГОСТ-27394 имеет характерное название: «Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем». [5]

Это, во-вторых, определяющая роль специальной технологии, состоящей из многих различных технологических процессов для электронных приборов.

Около 10 лет потребовалось американским специалистам И. Лангмюру и Г. Арнольду и советским Н. Папалески и М. Бонч-Бруевичу и другим технологам для отработки технологии производства первых электронных ламп. С 1920-х годов, с начала серийного, а затем и массового производства электронных ламп для специалистов электроники стало не хватать только знаний электродинамики, разработанных основоположниками. Потребовались новые знания физико-химических и химических процессов, обеспечивающих воспроизводимый процесс производства электровакуумных приборов и стабильность их параметров в процессе эксплуатации. Сумма технологических процессов при этом обеспечивала получение и сохранение высокого вакуума, применение специальных вакуумных металлов и диэлектриков, получение высоконадежных сплавов металлов со стеклом и керамикой, использование высокоэффективных катодно-подогревательных узлов, применение систем охлаждения и многих других технологических операций и процессов. С появлением новых типов электронных приборов технология их производства изменилась по следующим направлениям:

а) Увеличение числа технологических процессов.

Технологический цикл производства первых электронных ламп вырос от нескольких десятков операций до 600—800 операций для сложных электровакуумных приборов СВЧ-диапазона Рекордсмен — производство цветного масочного кинескопа с тремя электронными пучками — состоит из более чем 8000 технологических операций.

б)  Возрастающее разнообразие применяемых технологических процессов.

В электронике используются технологии, базирующиеся на таких направлениях физики, как механика, электричество, оптика, колебания и излучения, термодинамика, химическая, квантовая и атомная физика, физика плазмы, вакуума, физика твердого тела, физика элементарных частиц и др. Большое число электронных технологий базируется на таких направлениях химии, как неорганическая, органическая и физическая химия, кристаллохимия, электрохимия, аналитическая и коллоидная химия и др. В последние годы разрабатываются электронные биотехнологии, в первую очередь, для создания молекулярных и биологических (в т.ч., ДНК) компьютеров. В электронных технологиях используются некоторые модифицированные процессы из металлургии, материаловедения, метрологии, эргономики, экологии и других прикладных наук.

Важную роль в производстве электронных приборов играют созданные в самой электронике электронно- и ионно-лучевые, рентгеновские, фотолитографические и квантовые технологии. В производственных отраслях мировой промышленности электроника — самая технологически насыщенная и технологически зависимая отрасль.

в)  Повышающаяся точность выполнения технологических процессов.

Требования к точности технологических операций возрастали еще в период освоения электровакуумными приборами все более высоких частот и уровней мощности.

Промышленные технологии полупроводниковых приборов потребовали, например, для диффузионных процессов, точности 0,02%, а о технических нормах в микроэлектронике, исчисляемых десятыми с сотыми долями микрометра, уже много лет на обывательском уровне рассуждают, как о курсе доллара и стоимости барреля нефти,

Третьей важнейшей тенденцией в истории электроники является быстрота развития электроники и эффективность ее применения. Так, в юбилейном выпуске журнала «Электроника: прошлое, настоящее и будущее», утверждается, что уже: «к 1940 году в США действовало 777 радиостанций и в пользовании находилось около 500 миллионов (!) радиоприемников» [6]

Наивысшую эффективность электроника показывала в военных применениях, в войнах и военных конфликтах, которыми, к сожалению, был насыщен весь XX век. Еще в Русско-Японской войне 1904—1905 годов в период развития искровой радиосвязи были впервые применены такие методы радиоэлектронной войны, как подавление русскими связистами корректирующих радиосигналов для японской артиллерии при осаде Порт-Артура и радионаведение японского флота на русскую эскадру в Цусимском проливе.

Высокая результативность применения радиоэлектронных систем связи и радиолокации во Второй мировой войне 1939—1945 годов дала основания многим аналитикам считать эту войну первой радиоэлектронной войной в истории человечества. Убедительные доводы в пользу этого определения дает история радиолокации. Радиолокационные системы, ускоренными темпами разрабатываемые в Англии и США до начала и в ходе Второй мировой войны, уже в 1940 году обеспечили победу британских ВВС над втрое превышающими по числу самолетов армадами германских бомбардировщиков, а также подавление в 1942 году американской авиацией подводного флота Германии и Японии и уничтожение с помощью радиовзрывателей в 1944—1945 году японской авиации, в т.ч., самолетов смертников — камикадзе.

Каждая следующая война XX века прирастала новыми видами электронного вооружения: в корейской войне 1953—55 годов впервые активно применялись военные системы инфракрасного диапазона, во Вьетнамской войне 1955—75 годов — зенитные ракеты, управляющиеся радиоэлектронными средствами. Эти войны, как и военные конфликты, демонстрировали результаты очередного этапа непрерывной гонки вооружений, в том числе, электронных. При этом электронные системы вооружения, благодаря своей беспрецедентной эффективности, развивались опережающими темпами, обеспечивая лучшие результаты по обнаружению, точности наведения, разрешающей способности наблюдения, скорости срабатывания, надежности выполнения функций и т.д.

1.3. Электронная промышленность

Электронная промышленность в двух основных, до 1990-х годов, электронных державах мира — США и СССР — возникла в годы Второй мировой войны. Американский журнал «Electronics» писал «Вторая мировая война была первой войной, в которой электроника сыграла решающую роль, и она же оказала феноменальное влияние на промышленность. За годы войны число занятых в электронной промышленности возросло от предвоенного максимума примерно ПО 000 рабочих до военного максимума 560 000» [6].

Началом создания советской радиоэлектронной промышленности считается постановление Государственного комитета обороны от 04.07.1943 об организации на базе двух НИИ, одного КБ и пяти заводов наркомата электропромышленности разработок и производства радиолокационных станций.

В последующие 18 лет отечественная радиоэлектронная промышленность развивалась высокими темпами, однако анализ специфики производства электронных приборов и электронной аппаратуры (см. табл. 1.1) привел к разделению в 1961 году радиоэлектронной промышленности на электронную промышленность и радиопромышленность [7].

Две конкурирующие, и даже противостоящие, электронные отрасли промышленности — американская и советская — были построены на разных принципах и развивались в различных условиях. Американская электронная  промышленность  состоит  из  частных  фирм,   работающих

в условиях широкой внутриамериканской и международной кооперации и располагающих значительными государственными ресурсами для выполнения военных и престижных (например, космических) заказов.

Советская электронная промышленность до 1990-х годов состояла из государственных НИИ, КБ и заводов, объединенных в сконцентрированную отрасль, в основном обеспечивала себя необходимыми материалами и оборудованием и имела в 5—7 раз меньшую, чем американские фирмы, государственную ресурсную поддержку.

С 1961 по 1991 годы электронная промышленность СССР, производила все виды электронных приборов, научно-технический уровень которых в основном соответствовал высшему мировому, а по большинству типов СВЧ-приборов превосходил его.

За этот период количество предприятий отрасли увеличилось более чем в 10 раз — до 816, в т.ч. 232 НИИ и КБ, объем научных и технологических работ вырос в 35 раз, основные промышленные производственные фонды возросли в 50 раз. А объем производства — в 185 раз [8].

СССР весь этот период сохранял позицию второй (после США) электронной державы мира, В результате непонимания руководством нашей страны государственного значения электроники, все эти достижения были потеряны за последующие 10—15 лет. Так, объем производства электронных приборов с 1990 по 2000 год сократился более чем в 3 раза [8].

И это происходило тогда, когда не только в США, Японии, Европе и Южной Корее, но и на Тайване, в Сингапуре, Китае, Индии и Малайзии электроника развивалась рекордно высокими темпами.

В сборнике «Электроника. Вчера...Сегодня, Завтра?» авторы пишут: «На протяжении последних 30 лет среднегодовой рост микроэлектронной промышленности составлял 15%, и ожидается, что он сохранится еще 10— 15 лет, когда она по объему производственного продукта может достигнуть 20% от всего промышленного продукта передовых стран» [9].

1.4. Определения в электронике

Само понятие «электроника» западные и отечественные источники трактуют по-разному.

В США и других западных странах долгое время электроника определялась как «прикладная наука о различных приборах, в которых контролируется движение электронов». [10]

Этому краткому определению Phaidon Enciclopedia 1978 года соответствуют все типы электронных приборов и все виды электронной аппаратуры. Однако, под это определение подпадают и все электротехнические приборы и устройства (электромоторы, коммутаторы и т.д.), т.е., специфики электроники оно не отражает.

Наиболее полное определение понятия «электроника» дано в энциклопедической статье основателя и создателя отечественной электронной промышленности министра А. И. Шокина в третьем издании БСЭ в 1978 году: «Электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации» [11].

Данное определение является не только первым полным определением, но и одновременно, сконцентрированной формулировкой комплексного понятия электроники, так как определяет два разных аспекта единой электронной науки и два вида различной электронной продукции: базовой — электронных приборов, и конечной потребительской — электронной аппаратуры.

Интересно, что современное зарубежное понятие «электроника» приблизилось к определению А. И. Шокина 1978 года. Так, настольная библиотека «Britanica» 2006 года определяет: «Электроника (electronics) — отрасль физики, занимающаяся электронной эмиссией, поведением электронов, и связанными с этим эффектами, а также созданием электронных устройств» [12].

В итоге, можно сформулировать два составляющих понятия «электроника» определения: электронный прибор и электронная аппаратура.

Электронный прибор (ЭП) — это прибор или комплекс приборов, в которых происходит взаимодействие электронов с электромагнитными полями в различных средах.

СССР был единственной страной в мире, электронная промышленность которой разрабатывала и производила все известные типы электронных приборов.

Область освоения спектра электромагнитных волн электронными приборами и электронной аппаратурой.

ЭВП - электровакуумные приборы

ППП - полупроводниковые приборы

ПФЭ - приборы фотоэлектроники

ПКЭ - приборы квантовой электроники

Электронная аппаратура (ЭА) — обобщенное название технических средств для передачи, приема, преобразования информации с использованием электронных приборов.

В СССР электронную аппаратуру производили многие отрасли промышленности: радиоэлектронная, приборостроительная, средств связи, медицинская, ряд оборонных отраслей и др.

Как техническое решение и как производственный продукт, электронные приборы не могут использоваться вне электронной аппаратуры, а электронная аппаратура не существует без электронных приборов.

Как следует из определения, в электронном приборе происходит взаимодействие заряженных частиц (электронов, ионов) с электрическими полями. История развития электроники — это история освоения электронными приборами (ЭП) и, как следствие, электронной аппаратурой (ЭА) диапазонов спектра электромагнитных волн и повышение эффективности этого взаимодействия.

В табл. 1.2 показаны области освоения электроникой спектра магнитных волн.

1.5. Электронные приборы — основа электроники

Производству конечного продукта электроники, электронной аппаратуры (ЭА) различного назначения, обычно предшествует этап разработки и производства электронных приборов (ЭП). Электронная промышленность производит несколько сот типов и несколько сот тысяч типономиналов трех основных видов ЭП, созданных в результате изобретений в электронике, имеющих значение научно-технических революций:

- изобретения вакуумного триода в 1907 году;

- изобретения транзистора в 1948 году;

- изобретения лазера в 1960 году.

Каждое из этих изобретений стало базой создания соответствующих направлений в электронике: вакуумной, твердотельной и квантовой электроники.

Диапазон параметров, совокупность всех типов ЭП описывается следующими величинами:

- масса прибора лежит в пределах от 0,01 г. до нескольких тонн.

- габаритные размеры — в пределах от 0,1 мм. до 2—3 м.

- диапазон рабочих частот — от 10~² до 10²¹ Гц.

- диапазон принимаемых и излучаемых мощностей — от  10~¹⁸ до 10¹³ Вт.

Основное направление вектора развития ЭП — освоение новых диапазонов в координатах излучения — частота/мощность, в координатах приема — частота/чувствительность, в координатах преобразования информации — частота/потребляемая мощность. Позиция нового типа ЭП в перечисленных координатах является основанием для создания нового типа (или вида) ЭА.

Корректно созданная аппаратура повторяет параметры электронного прибора, используя их для выполнения функций аппаратуры. Однако, один параметр конечного продукта, эксплуатационная надежность ЭА, требует особого подхода.

Дело в том, что некоторым материалам и физико-химическим процессам, используемым при производстве ЭП, присущи природные, и возникающие в процессе изготовления необратимые нестабильности характеристик. Эти явления достаточно подробно изучены и совместными работами специалистов двух ветвей (аспектов) электроники созданы методы построения аппаратуры с показателями эксплуатационной надежности, на несколько порядков превышающими показатели производственной (испытательной) надежности ЭП, на базе которых создается конкретный тип ЭА.

Прогресс микроэлектроники усилил базовые позиции ЭП в электронике. С ростом интеграции микросхем схемотехнические и некоторые системотехнические традиционно-аппаратурные функции все в большей степени реализуются в кристаллах БИС.

Более того, в последние десятилетия на базе электронных технологий развивается новое направление — микроэлектронные, микромеханические системы (МЭМС).

1.6. Классификация электронных приборов. Определения для основных типов ЭП

Три главных изобретения в электронике — вакуумной лампы, транзистора и лазера — предопределили возникновение трех основных направлений исследования и разработок: вакуумной электроники, твердотельной электроники и квантовой электроники. На базе этих направлений создавались основные виды электронных приборов (ЭП) — вакуумные, твердотельные (в т.ч. полупроводниковые) и квантовые. Каждый вид ЭП подразделяются на классы ЭП, которые, в свою очередь, состоят из типов ЭП и типономиналов ЭП.

Рассмотрим кратко основные виды и классы ЭП [13].

1.6.1. Вакуумные (электровакуумные и газоразрядные) приборы (ЭВП)

ЭВП приборы, в которых взаимодействие эмитируемых катодом электронов происходит в вакууме в герметизированном баллоне.

Создание и развитие этого вида электронных приборов связано с решением таких проблем, как:

•  получение и сохранение высокого вакуума;

•  использование электронной (термо- и фото-) эмиссии;

•     формирование потоков электронов и ионов и управление ими: формирование электромагнитных полей и управление ими; катодо- и электролюминисценция;

•     теплофизические процессы, в т.ч., процессы охлаждения и др. проблемы. Вакуумные приборы генерируют и принимают электромагнитные излучения в диапазоне от 10-² до 10²¹ Гц, и подразделяются на следующие классы:

1.6.1.1. Электронные (приемно-усилительные) лампы (ПУЛ)

Электронные (приемно-усилительные) лампы (ПУЛ) — диоды, триоды, тетроды, пентоды и др. приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется электростатически, с помощью электродов.

ПУЛ предназначены главным образом для усиления и генерирования электромагнитных колебаний с частотой до ЗхЮ⁹ Гц и мощностью рассеивания на аноде до 25 Вт. Основные области применения ПУЛ — радиотехника, радиовещание, радиосвязь, телевидение.

Несмотря на то, что первые ПУЛ были созданы в начале XX века Д. Флемингом (1904), Ли де Форестом (1907), В.М. Коваленковым (1910), М.А. Бонч-Бруевичем (1915), их широкое применение в радиоаппаратуре стартовало только в 20-е годы в связи с изобретение Э. Армстронгом в 1920 году схемы супергетеродинного приема, ставшей основой развивающейся радиотехники и усовершенствованием конструкции и технологии производства ПУЛ. Увеличение числа управляющих сеток в конструкции ПУЛ (гексоды, гептоды, октоды, пентагриды) и интеграция в одном вакуумном баллоне функций различных ламп (двойные триоды, диод-пентоды, триод-гектоды и т.д.), повышали функциональные и эксплуатационные характеристики радиоаппаратуры.

В результате продажи радиоаппаратуры в США выросли с 60 миллионов долларов в 1922 году до 900 миллионов долларов в 1929.

Дальнейшее совершенствование ПУЛ шло по конструкт и вно-технологическому пути уменьшения их габаритов, повышения долговечности и устойчивости к механическим и температурным воздействиям. Некоторые типы ПУЛ сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды от —60 до 500 °С и механических ударах с ускорением 20 000 g. Производство первых отечественных ламп началось в 1922 году на старейшем отечественном радиотехническим предприятии «Вектор», основанном 100 лет назад в 1908 году.

В Санкт-Петербурге в 20-е годы были созданы основные научно-исследовательские центры отечественной электроники довоенного периода: Центральная радиолаборатория, (ЦРЛ) в 1923 году и Отраслевая вакуумная лаборатория (ОВЛ) в 1928 году.

В 1933 году во Фрязино под Москвой началось производство радиоламп на специализированном заводе с соответствующим названием: завод «Радиолампа».

За период 1920—1965 годов в мире было разработано более 10 000 различных типов ПУЛ, а суммарное годовое количество произведенных ламп составляло сотни миллионов.

Наибольший вклад в отечественное радиолампостроение внесли М.А. Бонч-Бруевич, С.А. Векшинский, С.А. Зусмановский, Н.В. Черепнин, Б. И. Горфинкель.

1.6.1.2. Газоразрядные (ионные) приборы

Газоразрядные (ионные) приборы — электронные приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через разреженный газ — газовый разряд. Газовый разряд происходит при ионизации разреженного газа в вакуумированном баллоне, и при подаче достаточного для разряда напряжения между катодом и анодом. Образовавшиеся положительные ионы газа компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов, поэтому газоразрядные приборы, по сравнению с вакуумными электронными приборами, имеют малое внутреннее сопротивление, и способны пропускать токи до 10⁴ А. В приборах этого класса используются дуговой, тлеющий, искровой и коронный разряды.

Первые газоразрядные приборы — выпрямители на парах ртути — появились на рубеже XX века.

Первые отечественные ртутные выпрямители были разработаны в начале 20-х годов в Нижегородской радиолаборатории, производились они с 40-х годов на заводах «Светлана» и МЭЛЗ. В 1958 году был создан специализированный для разработки газоразрядных приборов рязанский НИИ «Плазма»,

Отдельную группу газоразрядных приборов представляют газоразрядные СВЧ-приборы, используемые в качестве активных или пассивных элементов СВЧ-цепи.

К газоразрядным приборам относятся газотроны и стабилитроны, ртутные и водородные тиратроны, счетчики ионизирующих частиц и газоразрядные источники света.

Особый интерес представляют газоразрядные лазеры и плазменные панели для различных дисплейных систем, включая телевизионные экраны.

1.6.1.3.  Генераторные лампы

Генераторные лампы — электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источников тока в энергию высокочастотных (до 10^ю Гц) колебаний.

Диапазон мощностей генераторных ламп от 25 Вт до 250 кВт.

Генераторные лампы применяются в качестве радиопередатчиков в радиовещании, телевидении, радиолокации, в измерительной технике, в медицинской электронной аппаратуре, в ускорителях заряженных частиц и т.д.

В созданной в СССР в J918 году Нижегородской радиолаборатории, а затем и на заводе «Светлана» в 20—30-е годы были разработаны, а затем и производились генераторные лампы, используемые в самых мощных в Европе московских радиопередающих станциях.

Первые российские генераторные лампы «катодные реле Палалек-си» были созданы в 1914 году в Санкт-Петербурге в «Русском обществе беспроволочных телеграфов и телефонов» (НИИ «Вектор») под руководством Н.Д. Папалекси. Первые радиовещательные станцией в Европе была Московская радиостанция на генераторных лампах М.А. Бонч-Бруевича (Нижегородская Радиолаборатория), действующая с сентября 1922 года.

Самые мощные радиостанции в Европе на отечественных генераторных лампах были введены в Москве: им. ВЦСПС в 1929 году, им. Коминтерна в 1933 году и под Куйбышевым (Самара) в 1942. Советские генераторные лампы и радиопередатчики на их основе создавали известные ученые — Н.П. Богородицкий, С.А. Векшинский, В. П. Вологдин, А.Л. Минц, В. И. Сифоров, А. М. Щукин и др.

1.6.1.4. Электровакуумные СВЧ приборы (ЭВП СВЧ)

Электровакуумные СВЧ приборы (ЭВП СВЧ) — (магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волны и др.) — приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ-поля происходит вследствие дискретного (например, в клистронах) или непрерывного (в ЛЕВ, приборах магнетронного типа) взаимодействия электронов с СВЧ электромагнитным полем.

ЭВП СВЧ используются для генерирования, усиления и преобразования электромагнитных сигналов с частотой от Зх \0^s до Зх 10¹³ Гц.

СВЧ электронные приборы обеспечили продвижение электроники в более высокие частоты электромагнитного спектра, чем генераторные лампы, частотные ограничения которых связаны с соизмеримостью периода колебаний с временем пролета электронов в межэлектродном пространстве.

Освоение ЭВП СВЧ диапазона частот от 300 МГц до 10000 ГГц обеспечило получение высокой направленности излучения, что стало базой развития радиолокации и увеличения числа каналов связи — основы радиорелейной и космической связи.

Потенциал СВЧ особенно широко востребован в военных применениях электроники.

В одной из американских книг по истории радиолокации с характерным названием «The Invention that Changed the World...» и еще более характерным подзаголовком «... how a small group of radar pioneers won the Second World War and launched a Technological Revolution» [14] приводится карта размещения 19-ти радиолокационных станций (РЛС), установленных на восточных и южных берегах Англии к сентябрю 1939 года.

Эти наземные и бортовые самолетные РЛС обеспечили победу 900 британских истребителей над 2 500 германских бомбардировщиками уже в октябре 1940 года, спустя 4 месяца после начала массированных бомбардировок Англии.

С тех пор и по настоящее время средства электронного вооружения продолжают совершенствоваться, используя все возрастающий потенциал электроники. Основные события Вьетнамской войны 1955—1975 годов были напрямую связаны с дуэлью американской и советской СВЧ-электроники. В 1965 году в связи с началом действия в Северном Вьетнаме советских зенитно-ракетных комплексов (ЗРК) С — 75 значительно возросли потери американской авиации. В 1966 году американцы срочно разработали и применили ракету класса воздух-земля «Shrike», которые наводились по лучу РЛС — С75 на частоте 3 ГГц. Ответом в 1977 году было изменение частоты РЛС — С75 с 3 ГГц на 5 ГГц и в 1968—1969 годах число сбитых американских самолетов снова значительно возросло. Общее количество сбитых системой С75 американских самолетов во Вьетнамской войне составило 1163, в том числе 54 стратегических бомбардировщика В-52.

Примечательно, что в арабо-израильских войнах 1960—1970-х годов главными объектами разведки, диверсий и даже похищений были не штабы и склады, а радиолокационные комплексы.

С 1950-х годов и по настоящее время, СВЧ-электроника все шире применяется в радиолокации, радионавигации, радиорелейной и космической связи, радиоастрономии, метеорологии, телевидении, системах посадки и контроля над воздушным пространством, наземными и водными границами и др.

Государственное значение СВЧ-приборов, технологий и аппаратуры ведущий ученый отечественной СВЧ-электроники СИ. Ребров определил следующим образом. «Микроволновые технологии и СВЧ-техника, основанная на их использовании, были, есть и останутся критическими базовыми технологиями, являющимися показателями принадлежности страны к высокому уровню технической цивилизации и развитии. Продукция этих технологий обеспечивает высокий уровень оборонной техники страны и ее информационных систем и гарантирует сохранение технического суверенитета. В связи с этим, СВЧ-техника, безусловно, относится к приоритетным и сложнейшим направлениям научно-технического и технологического развития отечественной элементной базы» [15].

Со второй половины 1960-х годов и по настоящее время, отечественная школа СВЧ ЭВП и комплексированных устройств на их основе, удерживает передовые позиции в мировой электронике. Во главе этой школы находится созданный в 1943 году по решению Государственного комитета обороны НИИ «Исток» и его руководители и ученые: СИ. Ребров, Н.Д. Девятков, С.А. Зусмановский, В. Ф. Коваленко, В.А. Афанасьев, З.А. Гельвич и др.

1.6.1.5. Электронно-лучевые приборы (ЭЛП)

Электронно-лучевые приборы (ЭЛП) — приборы, в которых сфокусированный в узкий луч поток электронов взаимодействует с мишенью (экраном). 1С основным типам ЭЛП относятся:

ЭЛП отображения информации (приемные ЭЛП), телевизионные и дисплейные, осциллографические, индикаторные, проекционные, запоминающие ЭЛП; передающие ЭЛП, преобразующие оптические сигналы для телевизионных систем; преобразовательные ЭЛП, в которых мишень является промежуточным элементом. В них при взаимодействии с одним или двумя электронными лучами последовательность входных электрических сигналов преобразуется в модифицированную последовательность выходных электрических сигналов в процессах записи и считывания информации. Одним из первых электронных приборов была осциллографическая катодная трубка К. Брауна (1897 год) и катод но-лучевая трубка для воспроизведения телевизионного изображения Б. Розинга (1907 год). Основные телевизионные ЭЛП были изобретены В. Зворыкиным: передающий — иконоскоп (1923) и приемный — кинескоп (1924).

ЭЛП для отечественного телевидения были созданы коллективом под руководством Б. Круссера, Г.С. Вильдгрубе, P.M. Степанова и др.

1.6.1.6.  Фотоэлектронные приборы (ФЭП)

Фотоэлектронные приборы (ФЭП) — электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитных излучений видимого или невидимого оптического диапазона в электрическую энергию, или изображения в невидимых (ИК, УФ, рентгеновских) излучениях в видимое изображение.

К ФЭП относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электрон но-лучевые приборы.

Первым электронным прибором был фотоэлемент, созданный А. Столетовым в 1888 году. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) впервые были разработаны А. Кубецким в 1930 году, а электрон но-оптические преобразователи (ЭОП) — Г. Холстом и Я. де Буром в 1934. Первые снимки обратной стороны Луны, поверхности Венеры и Марса были выполнены с помощью ФЭУ, разработанных в НИИ «Электрон» под руководством P.M. Степанова. В большом андронном коллайдере международного проекта установлено 16 000 ФЭУ НИИ «Электрон»

1.6.1.7.  Рентгеновские трубки

Рентгеновские трубки- электровакуумные приборы, генерирующие самое высокочастотное для электронных приборов излучение (до 10¹⁸—Ш²¹ Гц) в результате бомбардировки металлической мишени пучком ускоренных напряжением 10—2000 Кв. электронов. На использовании рентгеновского излучения основаны медицинские диагностические и терапевтические методики, рентгенография для микроэлектроники, а также методы рентгеноструктурного анализов, рентгеновской микроскопии и рентгеновской астрономии и др.

Первые рентгеновские трубки, использующие открытое в 1895 году В. Рентгеном рентгеновское излучение были ионными. Усовершенствованные У. Кулиджем в 1913 году вакуумные рентгеновские трубки стали прототипом современных трубок. Отечественный производитель современных трубок — С.-Петербургское объединение электронного приборостроения «Светлана» многие десятилетия входит в ряды передовых мировых производителей рентгеновских трубок.

Таким образом, первые революционные изобретения в электронике — создание ЭВП и радиоэлектронной аппаратуры на их основе, предоставили человечеству новые возможности по развития глобальных средств радиосвязи и телевидения, эффективных систем вооружения, первых ЭВМ, новых методов научного исследования и многого другого. Но еще более глубокие революционные изменения в цивилизацией ном развитии человечества обеспечили открытия и изобретения в твердотельной, и, в первую очередь, полупроводниковой электронике.

1.6.2. Приборы твердотельной электроники

Твердотельная электроника — область электроники, охватывающая исследование электронных процессов в твердых телах, и использование этих процессов с целью преобразования электромагнитной энергии в электронных приборах, предназначенных, в основном, для генерирования, усиления, преобразования и индикации электромагнитных колебаний. Управление потоками электромагнитной энергии, выполнение арифметических и логических операций в устройствах хранения, обработки и отображения информации. По сравнению с ЭВП того же функционального назначения и уровня мощности, приборы твердотельной электроники имеют значительные преимущества по габаритно-весовым и надежностным характеристикам, а также энергопотреблению. Чрезвычайно высокая концентрация электронов в твердых телах (10^u—10²⁴ в см~³) создает возможность практически неограниченной миниатюризации приборов, вплоть до нескольких межатомных расстояний (10~⁹ м) развитие твердотельной электроники проводится в направлениях детального изучения электронных процессов в различных материалах, в том числе материалов и структур с заданными электрофизическими свойствами и создания электронных устройств методом физической интеграции различных функций в объеме твердого тела.

Специфической особенностью технологии производства приборов твердотельной электроники являются физико-химические процессы создания материалов, основанные на сочетании свойств химических элементов, заложенных в основу периодической системы Менделеева.

Приборы твердотельной электроники делятся на полупроводниковые приборы и приборы твердотельной функциональной электроники.

1.6.2.1. Полупроводниковые приборы (ППП)

Полупроводниковые приборы (ППП) — электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. К основным классам ППП относятся:

- электропреобразовательные приборы (полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и др.);

- оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры,

- полупроводниковые лазеры, излучающие диоды и др.);

- термоэлектрические приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и др.);

- магнитоэлектрические приборы (например, преобразователи на основе эффекта Холла и др.);

- пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на давление или механическое смещение.

Физической основой полупроводниковой электроники является свойство полупроводников, обеспечивающее одновременное существование в них двух типов электропроводности: электронной, с отрицательными подвижными носителями — электронами, и дырочной, с положительными подвижными носителями — дырками. Тип и величина электропроводности определяется типом и концентрацией атомов примесей в полупроводниковом материале.

В результате получение полупроводникового материала с необходимыми характеристиками — основная задача полупроводниковой технологии. В отличие от традиционных материалов технологии ЭВП (металлы, диэлектрики), в ППП применяются материалы (в основном, монокристаллические) с требуемыми, т.е., технологически получаемыми свойствами.

В ППП слой полупроводниковых материалов сочетается с диэлектрическими и металлическими. Этот конструктивно-технологический принцип предопределил создание планарной технологии — массовой технологии производства дискретных и интегральных ППП. Традиционное разделение ППП на дискретные и интегральные (ИС — интегральные схемы) постепенно теряет строгость определения в связи со следованием ППП основному вектору развития электроники в координатах частота-мощность. Освоение более высоких частот и уровней мощности привело к интеграции нескольких, а затем и многих дискретных транзисторов в корпус одного транзистора.

Впервые полупроводниковый эффект — изменение сопротивления селенового столбика под действием света был открыт У. Смитом в 1873 году, что привело к созданию первого ППП — фоторезистора. Годом позже. В 1874 году К. Браун открыл одностороннюю проводимость контакта металл — полупроводник. Это открытие позволило изобретателю радио А. С. Попову впервые в 1899 году создать некогерерное электронное радио, в котором электромеханический элемент — когерер Э. Бранли был заменен на полупроводниковый детектор К. Брауна. В 1922 году О. Лосев в Нижегородской радиолаборатории использовал полупроводниковый кристалл цинкит для усиления и генерирования радиочастотных колебаний.

Но настоящий революционный прорыв в становлении полупроводниковой электроники совершили в 1948 году американские ученые Bell Labs У. Браттейн, Дж. Бардин и У. Шокли (1951), создавшие более совершенный и несоизмеримо более эффективный, чем вакуумный триод Ли де Форе-ста, усилительный и генераторный электронный прибор — транзистор. В 1949 г. А. В. Красиловым и С. Г. Мадоян был создан первый отечественный транзистор. С 1950-х годов отечественная полупроводниковая электроника развивалась высокими темпами. Наибольший вклад в ее развитие на начальном этапе внесли А. В. Красилов, С. Г. Калашников, Д. Н. Наследов, А. В. Ржанов, В.Е. Лошкарев, Я.А. Федотов, Ф.А. Щиголь.

В транзисторах сочетались два различных начала: физико-химические (или химико-физические) методики получения требуемого полупроводникового материала и разработка уникальной структуры его совмещения с диэлектрическими и металлическими слоями с одной стороны, и изящная схема реализации в твердом теле вакуумных триодных характеристик с другой стороны. Это было достигнуто за счет транзисторного эффекта, суть которого состоит в управлении током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода.

Дальнейший прогресс полупроводниковых технологий шел по пути как расширения применения традиционного материала — кремния, так и создания новых полупроводниковых материалов, а также микроэлектронной транзисторной интеграции в единичном кристалле полупроводника.

Вновь создаваемые не существующие в природе гетероструктурные полупроводниковые материалы обозначались символами А^х, В^у, C^z, где А.В.С — элемент таблицы Менделеева, а х, у, z — номер группы в периодической системе, которой данный элемент принадлежит.

Микроэлектронная интеграция все большего числа транзисторов в одном кристалле, хотя и носила только эволюционный технологический характер, революционно меняла принципы создания конечного продукта электроники — электронной аппаратуры. (ЭА).

В течение без малого 50-ти последних лет рост интеграции интегральных схем (ГИС — ИС — БИС — СБИС — УБИС) позволял создавать

в кристалле полупроводника все более сложные блоки ЭА, и в настоящее время привел к возможности создания законченных аппаратурных однокристальных систем.

Эффективность результатов этого процесса по сравнению с классическими ЭПВ представлена в табл. 1.3.

Малые размеры транзисторов предоставили разработчикам аппаратуры возможность миниатюризировать ее отдельные блоки. Эволюция миниатюризации прошла этапы микромодулей, гибридных микросхем, и, наконец, в 1960 году, работы схемотехника Дж. Килби и, особенно, технолога Р. Нойса привели к созданию первой однокристальной интегральной схемы триггера, содержащего 12 элементов. В 1965 году один из создателей фирмы Intel Г. Мур на основе опыта создания первых разновидностей ИС опубликовал практическую формулу дальнейшего роста микроэлектронной интеграции: удвоение числа транзисторов в кристалле должно происходить каждые 18 месяцев. Удивительно, что этот интуитивный прогноз, названный вскоре «законом Мура» сбывается с небольшими уточнениями и сегодня, в течение более 40-летнего периода. В табл. 1.4 представлен рост числа транзисторов в микропроцессорных схемах Intel за период с 1971 по 2008 годы.

Очевидно. Что при незначительном изменении размеров кристалла, повышение числа транзисторов в нем прямо связано с уменьшением размеров транзисторов. И. соответственно, их элементов. Размеры элементов транзисторов — минимальный топологический размер (МТР) определяется разрешающей способностью процесса фотолитографии — самого сложного и дорогостоящего процесса микроэлектронного производства.

В результате, именно МТР определяет как число транзисторов в кристалле, так и быстродействие процессоров (табл. 1.4), производительность процессоров (табл. 1.5), а также емкость ИС памяти (табл. 1.6).

В табл. 1.4 указана производительность персональных компьютеров (ПК) с указанием типа микропроцессора.

Последняя строчка табл. 1.6 говорит об уникальной особенности микроэлектроники — снижении стоимости при повышении качества продукции.

Академик Ж. И. Алферов, получивший в 2000 году Нобелевскую премию за работы по микроэлектронике пишет: «Демонстрация бурного развития микроэлектроники за прошедшие годы — это крайне интересно и занимательно. В микропроцессорах стоимость одного мегагерца в 1970 голу составляла 7 600 долларов, а в 2000 году — 16 центов. Стоимость посылки при скорости передачи в гигабитах в секунду составляла 150 000 долларов в 1970 году, и 12 центов сегодня (2005).... 65% валового национального продукта США определяются промышленностью, связанной с электроникой, основанной на использовании электронных компонентов. Сегодня производство электронной техники на душу населения составляет 1260 долларов в США и Канаде и 14 долларов в России» [16).

В последние десятилетия микроэлектроника развивается рекордными темпами а США, Японии, Южной Корее, Тайване, Китае. Если учесть количество транзисторов в составе интегральных схем, то их число составило в 2003 году 10¹⁸ штук, а ожидаемое производство 2015 года оценивается в 10⁷ транзисторов в день на одного человека.

Отечественная полупроводниковая и интегральная электроника в 70— 80-е годы занимала одну из передовых позиций в мировом производстве, но из-за непродуманной государственной политики была полностью потеряна в микроэлектронике. Благодаря усилиям НИИ «Пульсар» удалось в значительной степени сохранить эти позиции в отечественной транзисторной электронике.

1.6.2.2. Приборы твердотельной функциональной электроники

Приборы твердотельной функциональной электроники — класс ЭП, использующих разнообразные физические явления в твердых средах для интеграции различных схемотехнических функций на поверхности или в объеме одного твердого тела (функциональной интеграции) и созданием ЭА с такой интеграции.

В описанной ранее интегральной схемотехнической электроники технологическими методами на поверхность полупроводникового материала создаются участки статической неоднородности. Эти статические неоднородности в виде функциональных простых элементов (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и др.) статически локализованы в различных участках твердого тела и способны выполнять сложные функции лишь в совокупности, например, в составе ИС, с элементами межсоединений.

В приборах функциональной электроники интеграция сложнных схемотехнических функций реализуется физическим и процессами в динамических неоднородностях, создаваемых на поверхности или в объеме твердого тела физико-химическими методами. Динамические неоднородности могут быть локализованы или перемещаться по рабочему объему твердого тела в результате взаимодействия с различными физическими полями или другими динамическими неоднородностями.

К динамическим неоднородностям относятся ансамбли заряженных частиц и квазичастиц, домены, динамические неоднородности волновой природы и др. [17].

Переход от схемотехнической интеграции к функциональной позволяет обойти некоторые принципиальные и технологические ограничения. Связанные с необходимостью формировать в одном кристалле множество мелкоструктурных элементов и межсоединений.

К основным приборам функциональной электроники относятся приборы:

- функциональной акустоэлектроники (линии задержки, приборы на поверхностно-акустических волнах, акустические процессоры и запоминающие устройства и др.);-

- функциональной диэлектрической электроники (генераторы, процессоры и др.);

- функциональной полупроводниковой электроники (ПЗС-структуры, Гановские приборы и др.);

- функциональной оптоэлектроники (процессоры, генераторы, детекторы и др.);

функциональной   магнитоэлектроники   (ЦМД-структуры,   МСВ- структуры и др.).

Основы функциональной электроники были заложены в 60-е годы Ю. Гуляевым и В. Пустовойтом (акустоэлектроника), Дж. Ганном (диоды Ганна) и в 1970 году В. Бойлом и Дж. Смитом (ПЗС-структуры). Наиболее широкое применение получили акустоэлектронные приборы в мобильной связи и ПЗС-матрицы в фото- видео-технике.

1.6.3. Приборы квантовой электроники

Приборы квантовой электроники — приборы, в которых генерация и усиление электромагнитных колебаний реализуется на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. В отличие, например, от вакуумной электроники, использующей для преобразования электромагнитной энергии свободные электроны, в приборах квантовой электроники происходит взаимодействие со связанными и находящимися только в определенных энергетических состояниях (уровнях) электронами атомов, молекул, кристаллов. Изменение при этом взаимодействии внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом электрона с одного энергетического уровня на другой с выделением или поглощением порции (кванта) электромагнитной энергии. Эта энергия вынужденного излучения используется для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное, т.е., усиливающееся при сложении двух или более колебательных волн излучение возможно при мощном внешнем возбуждении (например, накачки) внутриатомных элементов. Генерация электромагнитных волн в приборах квантовой электроники осуществляется с помощью активной среды, помещенной в резонатор, в котором реализуется необходимая для генерации положительная обратная связь.

Первый прибор квантовой электроники — молекулярный генератор на аммиаке был создан в 1955 году одновременно в СССР (Н. Басов и А. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). Первые квантовые приборы оптического диапазона — лазеры на рубине и смеси атомов гелия и неона были изобретены в 1960 году, первые полупроводниковые лазеры — в 1962 году.

Приборы квантовой электроники имеют ряд преимуществ, отличающих их от ЭП других видов. Так, молекулярные генераторы СВЧ-диапазона, обладают рекордной — до 10~¹³ стабильностью частоты колебания — часы с таким генератором ошибутся на 3 секунды за 1 миллион лет. Некоторые типы лазеров способны накапливать энергию возбуждения, а затем излучать ее в виде короткого (10~⁸ сек.) им пульса с недостижимой ранее мощностью 10⁹—10^ю вт., что стало основой создания лазерной импульсной локации и дальнометрии. Чрезвычайно малая расходимость лазерного луча (на 4 порядка меньше, чем у СВЧ-излучения при сравнимых диаметрах антенных систем) делает возможным передачу информации на огромные. В т. ч., космические расстояния, а квантовым усилителям с коэффициентом шума ниже 10 К — принимать обратный сигнал. Инжекционные полупроводниковые лазеры обеспечивают запись и считывание информации для CD, DVD и blue-ray носителей. Лазеры находят все большее применение в электронных системах вооружения. Производство приборов квантовой электроники в промышленно развитых странах сформировалось в крупные отрасли промышленности.

1.7. Ограничения в электронике

Среди многих параметров электронных приборов рабочая частота и генерируемая мощность в основном определяют технический уровень электронной аппаратуры. Именно от значения частоты и мощности зависят такие эксплуатационные характеристики, как дальность и точность действия, разрешающая способность, помехоустойчивость и т.д.

На рис. L.1 представлена динамика изменений значений рабочей частоты и генерируемой мощности для приборов вакуумной и твердотельной СВЧ-электроники за период с 1991 по 2008 годы.(данные взяты из уже цитируемых источников [13] и [15]).

Достижение более высоких значений этих и других характеристик связаны с преодолением различных ограничений при создании и производстве электронных приборов.

Основными типами ограничений являются:

1. Ограничение процессов проектирования с расширением функциональных возможностей ЭП при повышении степени интеграции БИС и комплексировании СВЧ-приборов и с повышением частотно-мощностного диапазона и возрастает многофакторность проектирования приборов и систем, что может приводить к снижению эффективности САПР. В процессе проектирования учитываются основные типы ограничений, включая технологические, тепловые, экономические и др.

2.    Физико-технологические   ограничения   —   характерные  для   всех основных видов ЭП и возрастают с увеличением рабочей частоты и уровня мощности приборов. Для ЭВП технологические ограничения определяют ресурсные и надежностные характеристики. Для микроэлектроники главным ограничением являются фотолитография, разрешающая способность которой зависит в основном от длины волны (Л) источника ультрафиолетового излучения. Если в 80-е годы в качестве таких источников использовались ртутные лампы с Л = 436 нм. и 365 нм., что обеспечивает технологическую норму производства (МТР) 5000—350 нм. то с 90-х годов применяются эксимерные лазеры с Л = 24, 193 и 157 нм., что позволяет получить МТР от 250 нм., а при решении дополнительных проблем до 65—55 нм. Использование источников экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ) создает предпосылки для использования степеров (литографов) с А =  10 —  14 нм. Для дальнейшего прогресса микроэлектроники потребуются источники рентгеновского излучения, а также решение большого количества сопутствующих проблем.

3.    Тепловые ограничения — также типичны в электронике. И если для мощных и высокочастотных крупногабаритных ЭВП проблема теплотвода решается путем использования внешних устройств. Охлаждающих коллектор электронов (анод), то для ППП, особенно в составе БИС высокой интеграции отвод тепла становится проблемой. Современная БИС, выполненная с технологической нормой 65 нм., выделяет 130 вт., а в случае достижения МРТ 13 нм. БИС будет выделяться 250 вт. Это тепловыделение уже сейчас требует интенсивного охлаждения и проблема при росте интеграции будет только усложняться. Все идет к тому, что кремний с предельной рабочей температурой 200 °С, сменившим в начале полупроводниковой эры германий (70 °С) должен быть заменен арсенидом галлия (250 °С) и карбидом кремния (500 °С).

4.    Ограничение возможностей применения материалов. Борьба с этим видом ограничений характерно для всех видов ЭП в течение всей истории электроники. Для ЭВП это был многолетний отбор металлов и диэлектриков, долговечно и стабильно функционирующих в вакууме. Основным полупроводниковым материалом до конца 90-х был кремний, основным межэлектродным изолятором — двуокись кремния,  а металлом  межсоединений  — алюминий.  Рост микроэлектронной  интеграции  и  уменьшение размеров транзисторов в БИС потребовал замены этих традиционных материалов. При МТР менее 100 нм., уменьшение размера канала проводимости приводит к резкому снижению в кремнии подвижности носителей зарядов и требуется применение полупроводников с более высокой подвижностью носителей. К таким полупроводникам относятся материалы типа А₃В₅ — А₂В₆ и твердые растворы Si — Ge.

В кремниевой технологии при МТР 45 мм., толщина подзатворного диэлектрика составляет 1 нм., что приводит к туннельному

пробою основного в этой технологии изолятора SiO₂ из-за низкого коэффициента диэлектрической постоянной 1 = 4. применение изоляторов с S = 20 — 2 — двуокисей гафния (НГО₂) и циркония (ZrO₂) позволяют справиться с проблемами туннельного пробоя.

Применение для металлизации меди вместо алюминия позволяет на 15% увеличить быстродействие БИС.

5. Экономические ограничения. Рекордная эффективность применения микроэлектронных приборов требует рекордных по стоимости капиталовложений. Ведущая по производству микропроцессоров в мире фирма Intel тратит на НИОКР более 10 миллиардов долларов в год, а стоимость современного завода по производству БИС с технологическими нормами 45 нм. Превышает 4 миллиарда долларов.

Существуют также ограничения, связанные с условиями окружающей электронную аппаратуру среды, и другие ограничения.

Приведенные примеры ограничений в электронике далеко не исчерпывают все проблемы, существующие на пути ее дальнейшего развития.

1.8. Основные перспективы электроники

Еще одной специфической особенностью электроники являются трудности прогнозирования ее перспектив. При этом наиболее частые ошибки прогнозирования связаны с недооценкой достижений электроники. Сегодня, в начале 2009 года, можно прогнозировать дальнейший прогресс электроники в следующих направлениях:

а)    Информационная и вычислительная техника — дальнейшее повышение быстродействия и объемов памяти, сокращение габаритов и энергосбережения, увеличение срока службы и упрощение процедур пользования путем использования новых ЭП, включая:

увеличение степени интеграции БИС;

применения БИС типа «система на кристалле» и «система на подложке»;

развитие наноэлектронных, одноэлектронных и внезарядо-вых — спинтронных — технологий;

разработка молекулярных, в т.ч., ДНК и квантовых компьютеров на базе принципиально новых ЭП.

б)   Системы отображения информации, включая телевидение — расширение применения новых типов экранов с ЭП на основе органических и пластиковых светодиодов, в т.ч., для гибких экранов.

в)    Энергосбережение: замена прямоканальных и люминисцентных осветителей всех типов на светодиодные.

г)    Электронное вооружение:

развитие электронно-информационных систем управления системами вооружения;

расширение применения без опреаторных систем вооружения;

•     разработка и внедрение систем вооружения на базе микроэлектронных — микромеханических систем (МЭМС); дальнейшее   развитие   радиолокации   в   новых   частотно-мощностных диапазонах с использованием преимущественно антенных фазированных решеток и полупроводниковых генераторов;

разработка на базе современных и перспективных ЭП эффективных средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

д)    Системы управления всех типов:

•     расширение применения информационно-управляющих систем на базе достижений микро- и наноэлектроники.

е)    Медицина:

кардинальное улучшение диагностики за счет потенциала электронных технологий;

создание   новых   электронных  датчиков   и   медицинских МЭМС приборов и устройств;

разработка новых электронных имплантантов и долговечных электронных источников энергии; широкое применение электронных технологий для решения медицинских проблем.

В заключение необходимо отметить, что в короткой лекции с соответствующим названием «Введение в электронику» невозможно было описать все важные аспекты самой эффективной сегодня и перспективной отрасли науки и промышленности — электроники. Более подробная информация о специфике электроники дана в последующих лекциях двухтомника «Базовые лекции по электронике».

Литература

[1] Я. Г. Дорфман «Всемирная история физики» — Изд. «Наука», Москва, 1974.

[2] БСЭ т.ЗО, стр. 48 в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», — Изд. «Техносфера», Москва, 2008

[3]   БСЭ т.ЗО, стр. 74, — Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1978

[4] В. Меркулов «Мнимые приоритеты начальных работ Г. Маркони» — «Радио», № 5, 2008

[5] ГОСТ-7394 «Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем» — Изд. «Стандарты», Москва, 1987

[6] «Электроника — прошлое, настоящее, будущее», № 9, 1980, — Изд. «Мир», Москва, 1980

[7] В. Пролейко «О базовых факторах динамики отечественной электроники» в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», — Изд. «Техносфера», Москва, 2008

[8] Б. Авдонин «Динамика развития электронной промышленности России» в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», — Изд. «Техносфера», Москва, 2008

[9] Б.Н. Авдонин, В.В. Мартынов «Электроник. Вчера...Сегодня. Завтра?», — Изд. «Дека», Москва, 2005

[10] «Phaidon Conside Enciclopedia of Science and Technology», «Phaidon Press Ltd.», - Oxford, 1978

[11] А.И. Шокин «Электроника», статья в БСЭ, т.ЗО, стр. 754 — 76, — Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1978

[12] «Britanica» — Настольная энциклопедия, т. 1, стр. 2262, — Изд. Астрель, Москва 2006

[13] «Электроника» Энциклопедический словарь, — Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1991

[14] R. Buderi «The Invention That Changes the World», — Touchstone Rockefeller Center, N. Y., 1996

[15] СИ. Ребров «СВЧ-электроника», статья в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», — Изд. «Техносфера», Москва, 2008

[16] Ж. И. Алферов «Нанотехнологии — перспективы развития в России», — Научно-технический журнал «Нанотехнология и наномате-риалы», — № 1, 2005, Изд. «Компания МКМ Проф», — Москва, 2005

[17] А.А. Щука «Электроника» — учебное пособие. Изд. Типография «Наука», С.-Петербург 2005

ЛЕКЦИЯ 2

РЕНТГЕНОВСКИЕ ПРИБОРЫ. УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ

Брусиловский Геннадий Львович, окончил Л ЭТИ в 1968 г., к.т.н. с 1986 г., имеет более 50 научных трудов. Работает в ЗАО «Светлана-Рентген» — начальник отдела. В 1993-1998 гг. - главный инженер, в 1998-2005 гг. -зам. главного инженера.

2.1. Введение

В настоящее время значительно возрос спрос на различную рентгеновскую аппаратуру как медицинского, так и промышленного назначения.

С одной стороны, это обусловлено оживлением отечественной промышленности, особенно таких ее отраслей, как добывающая, металлургическая, где широко используются рентгеновские аппараты для спектрального и структурного анализа, а также аппараты для дефектоскопии. В свою очередь, это вызывает потребность в производстве рентгеновских трубок. С другой стороны, многие клиники, больницы, диагностические центры закупили большое количество зарубежных медицинских аппаратов, что потребовало быстрой разработки и освоения трубок — аналогов зарубежных производителей.

Кроме того, некоторые ведущие мировые производители постоянно совершенствуют досмотровую рентгеновскую аппаратуру (досмотр багажа в аэропортах, проверка большегрузных контейнеров, борьба с терроризмом), которая переживает настоящий бум. Естественно, что параллельно происходит и совершенствование рентгеновских трубок для таких аппаратов.

Для опенки современного уровня развития и перспектив дальнейшего совершенствования трубок их целесообразно классифицировать. Наиболее естественной является классификация по основным областям применения приборов. Условно можно выделить следующие группы приборов:

•     трубки для медицинской диагностики и терапии;

•    трубки для досмотровой аппаратуры;

•     трубки для промышленного просвечивания (дефектоскопии) и проекционной микроскопии;

•     импульсные трубки для исследования быстропротекающих процессов и других целей;

•     трубки для рентгеноструктурного анализа;

•     трубки для рентгеноспектрального (элементного) анализа; источники излучения для рентгенолитографии.

2.2. Физические процессы в рентгеновских трубках

Одним из важнейших открытий конца XIX века было открытие Рентгеном особых не видимых глазом лучей, названных им Х-лучами.

Значение этого открытия трудно переоценить. В 1901 году Рентгену была присуждена первая Нобелевская премия по физике. Х-лучи стали называться «рентгеновскими лучами».

Первым практическим применением рентгеновских лучей было медицинское просвечивание. Следующим этапом практического применения рентгеновских лучей стал рентггеноструктурный анализ. Физик-теоретик М. Лауэ в 1912 году доказал возможность получения дифракционных картин пространственного расположения атомов кристаллов различных соединений при использовании рентгеновских лучей. В 1913—1914 гг. английский физик Г. Мозли заложил основы рентгеноспектрального анализа. В 20-е годы применение метода рентгеноспектрального анализа позволило открыть предсказанные Менделеевым новые элементы: гафний и рений.

В дальнейшем рентгеновское излучение нашло применение в технической дефектоскопии, геологии, горнодобывающей промышленности, криминалистике, досмотровой и другой просвечивающей технике. Особо следует отметить импульсную рентгенографию, широко используемую при исследовании в военной технике: при изучении баллистических законов, детонации при взрывах и других быстропротекающих процессах.

В России производство рентгеновских трубок начало интенсивно развиваться уже в начале XX века. Активное участие в разработке принимали известные ученые: А.Ф. Иоффе, А. А. Чернышов и др. В 20-х годах создается электровакуумный завод, где производство рентгеновских трубок успешно развивал Ф. Н. Хараджа, возглавивший впоследствии кафедру рентгеновских и электроннолучевых приборов (ЛЭТИ им. В. И. Ульянова-Ленина). Начиная с 50-х годов, в составе Ленинградского завода «Светлана» создается и развивается завод рентгеновских приборов, где разрабатывались и осваивались практически все отечественные рентгеновские трубки. В настоящее время завод носит название ЗАО «Светлана-Рентген» и является единственным отечественным производителем рентгеновских приборов, выпускающим около ста типов трубок практически для всей гаммы рентгеновских аппаратов. Завод имеет международный сертификат качества в соответствии со стандартом ISO 9001 и успешно конкурирует с западными производителями трубок на мировом рынке [1].

2.2.1. Природа рентгеновского излучения

Особенности характеристического и тормозного излучения

При взаимодействии электронных пучков больших энергий с твердым телом происходит множество взаимодействий, которые можно разделить на два основных класса:

1)  упругие взаимодействия, которые воздействуют на траектории электронов без существенного изменения их энергии;

2)  неупругие процессы,  при  которых происходит передача энергии твердому телу,  приводящие к рождению вторичных электронов,  оже-электронов, характеристического и непрерывного тормозного рентгеновского излучения и т. д. При этом процессы, вызывающие разные виды излучения, существенно различны. Торможение электронного пучка в кулоновском поле атома, состоящего из ядра и слабо связанных электронов, приводит к возникновению непрерывного спектра рентгеновского излучения с энергией от нуля до энергии падающего электрона. Такое излучение принято называть тормозным.

Взаимодействие электрона пучка с электронами внутренних оболочек атомов может привести к выбиванию связанного электрона, покидающего атом в возбужденном состоянии с вакансиями на электронной оболочке атома. Механизм такого процесса, приводящего, в конечном счете, к возникновению характеристического рентгеновского излучения, иллюстрируется рис. 2.1. [2]

При бомбардировке атома электронами с достаточно высокой энергией на его внутренней оболочке (атомном энергетическом уровне) А может образоваться вакансия (дырка) за счет выхода вторичного электрона. Возбужденный атом неустойчив, и атом возвращается в основное состояние путем заполнения этой вакансии электроном с более высокого энергетического уровня, например, с уровня В.

При этом должна выделяться энергия, приближенно равная разности энергий связи электронов Е_Л — Е_в этих уровней.

Если эта энергия выдается в виде кванта hV= E_A~ Е_ю возникает характеристическое рентгеновское излучение (излучательный переход). Но эта энергия может быть передана и другому электрону в атоме (например, находящемуся на уровне С), который сможет покинуть атом. Энергия эмитируемого электрона приблизительно равна Е = Е_Л~ Е_в — Е_с.

Такой электрон называется оже-электроном, а процесс — безызлучательным переходом, или оже-переходом.

Эти два процесса конкурирующие и определяются вероятностью того или иного вида перехода.

Если обозначить вероятность испускания рентгеновского излучения через _х, а через W_Х и W_А — соответственно, скорости излучательного и безызлучательного переходов, то можно записать

(2.1)

Время жизни возбужденного состояния т равно  и составляет

примерно 10-¹⁰-10-¹² с.

При этом следует отметить, что для переходов на вакансии в К-облочке вероятность излучательного снятия возбуждения пропорциональна Z_H, а вероятность оже-перехода в сущности не зависит от Z.

Как видно из рис. 2.2, оже-переходы преобладают для элементов с малым Z. Такая зависимость не означает уменьшение скорости оже-переходов от Z, а лишь подчеркивает, что рентгеновские переходы становятся преобладающим способом снятия возбуждения при больших Z.

Таким образом, мы установили механизм образования рентгеновских квантов излучения.

Место, которое занимают рентгеновские лучи по длине волны среди других видов электромагнитного излучения, показано в табл. 2,1. [3]

Следует отметить, что рентгеновские лучи возникают только тогда, когда быстрые движущиеся электроны резко затормаживаются поставленной на их пути преградой.

Преобладающая часть энергии тормозящихся электронов при этом превращается в теплоту, и только ничтожная часть их энергии (~ 0,1—1% при U до 200 кВ) превращается в энергию рентгеновских лучей.

Так как энергия кванта

(2.2)

видно, что с уменьшением длины волны излучения X энергия увеличивается.

Ранее мы рассмотрели процесс возникновения характеристического рентгеновского излучения. Таким образом, рентгеновское излучение состоит из двух компонентов: тормозного, испускаемого электронами, тормозящимися в веществе анода, которое разлагается в непрерывный спектр от X min, и характеристического, представляющего линейчатый спектр и возникающего только тогда, когда энергия электронов превзойдет определенное значение, характерное для атомов вещества.

Характерный вид полного спектра излучения представлен на рис. 2.3.

Возникновение тормозного излучения можно объяснить следующим образом.

Торможение электронов может происходить разнообразными способами: одни из них тормозятся на самой поверхности и излучают всю свою энергию, другие проникают в глубь вещества, постепенно теряя свою скорость при взаимодействии с атомами, и излучают, обладая уже меньшей энергией.

Основные закономерности поведения спектра тормозного излучения видны из рис. 2.4.

При увеличении ускоряющего напряжения растут интенсивность лучей каждой длины волны X в непрерывном спектре и полное излучение трубки.

При этом смещается в сторону коротких волн не только длина граничной волны X min, но и длина волны максимума кривой спектрального распределения интенсивности.

Это можно понять, исходя из квантовомеханических представлений.

Если электрон с зарядом е пролетел разность потенциалов U, то энергия его к моменту торможения в аноде будет

                                   (2.3)

Если вся кинетическая энергия электрона полностью преобразуется в одни квант энергии рентгеновского излучения, то в этом случае возникает максимальный квант энергии hv max. Очевидно должно существовать равенство

откуда

(2.4)

Если ввести все числовые значения, выражение примет вид

                          (2.5)

Рассмотрим зависимость интенсивности рентгеновского излучения от напряжения и тока трубки.

В идеальном случае, без учета ослабления в мишени, интенсивность тормозного излучения I описывается выражением [4]

                                (2.6)

а характеристического

                                    (2.7)

где i и U — анодные ток и напряжение; U_B — потенциал возбуждения данной серии излучения; z — атомный номер вещества; п — константы, зависящие от серии излучения.

Из приведенных формул следует, что основным способом увеличения интенсивности излучения является повышение тока и напряжения трубки.

Как уже упоминалось выше, интенсивность излучения зависит от атомного номера материала. Эта зависимость приведена на рис. 2.5.

Видно, что при одних и тех же i и U интенсивность тормозного излучения прямо пропорционально атомному номеру Z. Поэтому наилучшими материалами для анодов рентгеновских трубок являются элементы с большим Z.

Глубина генерации рентгеновского излучения

Характеристическое рентгеновское излучение генерируется в значительной части области взаимодействия, образованной рассеянными в твердом теле электронами и зависит от их глубины проникновения. В общем случае уравнение для пробега электронов имеет вид [5]

, (2.8)

где ρ — плотность мишени; Е_о — начальная энергия пучка, R — длина пробега электрона, К — коэффициент, зависящий от параметров материала, а п изменяется от 1,2 до 1,7.

Глубина генерации излучения всегда меньше величины R. Характеристическое рентгеновское излучение может возникать лишь внутри огибающей, содержащей электроны с энергией выше критической энергии ионизации Е_кр для заданной линии. Точно так же непрерывное рентгеновское излучение может возникать лишь за счет электронов с энергией Е, которая больше или равна данному значению энергии непрерывного излучения. Чтобы учесть этот предел по энергии, массовая глубина генерации излучения данной энергии записывается в виде

(2.9)

где Е_кр — критическая энергия ионизации, а К — некая константа. Например, в работе [6] выражение (9) принимает вид

(2.10)

2.2.2. Прохождение рентгеновских лучей через твердое тело

При прохождении через слой вещества интенсивность пучка рентгеновского излучения уменьшается.

Ослабление пучка вызывается тремя основными процессами: рождением фотоэлектронов, комптоновским рассеянием и рождением пар. Подробно эти процессы рассмотрены в ряде работ, например [7].

Интенсивность I рентгеновского излучения, прошедшего через тонкую пленку вещества, подчиняется экспоненциальному закону убывания от начального значения I₀:

(2.11)

где ρ — плотность твердого тела (в г/см³); μ — линейный коэффициент поглощения; μ/р — массовый коэффициент поглощения (см/г); х — толщина пленки.

Измеренные величины массового коэффициента поглощения для различных веществ показаны на рис. 2.6.

2.2.3. Устройство рентгеновской трубки

Типичная конструкция рентгеновской трубки показана на рис. 2.7.

Рентгеновская трубка изготавливается в виде замкнутого стеклянного или керамического баллона, внутри которого создается вакуум Ю"⁴—Ш"⁶ Па.

В вакуумированной колбе 6 располагаются анод 3 и катод 1, являющиеся двумя основными электродами трубки.  Катод,  являющийся ис-

точником электронов при его нагреве, представляет собой в большинстве случаев спираль из вольфрамовой проволоки, нагретую до температуры 2200-2700 К.

В некоторых типах приборов используются пленочные типы катодов (торированный карбидированный вольфрамовый катод — ТКВК, оксидные, импрегнированные и другие типы). Фокусирующий электрод создает электрическое поле специальной формы, собирающее электроны в узкий пучок. Одновременно он является защитой от осевого рентгеновского излучения. Анод 3 изготовлен из обладающей высокой теплопроводностью меди, в торцевую часть его вплавлена мишень из вольфрама. Часто анод выполняется полым для отвода тепла жидкостью либо снабжается специальным радиатором для принудительного охлаждения. Все это делается из тех соображений, что, как уже говорилось выше, лишь небольшая часть энергии электронного пучка преобразуется в рентгеновское излучение, а основная часть кинетической энергии преобразуется в тепловую на аноде. Величина анодного напряжения определяет (согласно формулам 2.6, 2.7) интенсивность, а также спектральный состав рентгеновского излучения.

Главной причиной, ограничивающей интенсивность излучения, величину энергии квантов рентгеновского излучения и минимальный размер фокусного пятна, является сильный локальный и общий нагрев мишени анода, что может привести к его разрушению. Поэтому в большинстве случаев мишени изготавливаются из самого тугоплавкого материала — вольфрама.

Высокая точка плавления 3665 К и его сравнительно хорошая теплопроводность (0,3 кал/см.с.град.) допускает высокую удельную нагрузку на мишень при электронной бомбардировке, при этом рабочая температура в фокусе мишени может достигать 3300 К. Кроме того, благодаря высокому атомному номеру (Z = 74) вольфрам обладает хорошим выходом тормозного рентгеновского излучения. Массивный медный чехол с отверстием для входа электронов (4) служит для поглощения неиспользуемого рентгеновского излучения, а бериллиевое окно (8) защищает колбу от вторичных электронов, возникающих в фокусе анода, и препятствует ее зарядке. Очень часто (в металло-стеклянных конструкциях трубок, где анод является частью оболочки прибора) бериллий используется в качестве выходного окна, непосредственно соприкасающегося с атмосферой.

Уникальность бериллия состоит, прежде всего, в высокой прозрачности для рентгеновского излучения благодаря его самому малому атомному номеру (Z = 4) из всех металлов.

На рис. 2.8 приведены сравнительные характеристики пропускания бериллия и алюминия, а в табл. 2.2 — эквивалентные толщины пропускания для ряда металлов.

Как видно из табл. 2.2, ценность бериллия как материала для окон заключается не только в его большой прозрачности для мягкого рентгеновского излучения, но также в его высокой теплопроводности. Кроме того, он обладает и высокой температурой плавления (1557 К).

2.3. Обзор мирового рынка рентгеновской техники

Современный мировой рынок рентгеновской техники имеет три взаимосвязанных сектора:

1)    рентгеновская аппаратура для различных областей применения;

2)    рентгеновские трубки, обеспечивающие генерацию рентгеновского излучения определенного спектра в аппаратуре;

3)    системы визуализации рентгеновского излучения. Систематизация основных областей применения рентгеновских трубок

была представлена во введении.

1. Из представленных областей применения наиболее массовый характер имеет использование рентгеновских лучей в медицине и стоматологии.

В свою очередь, медицинская рентгеновская техника делится на общедиагностическую и специальную. К первой относятся: рентгеновские флюорографы, палатные и хирургические аппараты, а ко второй — маммографы, компьютерные рентгеновские томографы, аппараты для ангиографии, урологии и травматологии.

В этом секторе мирового рынка представлены такие крупные транснациональные компании, как Siemens, Philips, General Electric, Toshiba, которые наряду с разработкой и выпуском комплектной аппаратуры имеют собственные компании, производящие рентгеновские трубки.

Кроме того, в мире есть ряд фирм, специализирующихся только на производстве рентгеновских трубок для медицинской диагностики. К. таким фирмам, прежде всего, следует отнести фирмы Varian (США) и IAE (Италия), хотя фирма Varian производит рентгеновские трубки и для других целей. В последние годы аналогичное производство очень динамично развивается в Китае.

В России выпуск общедиагностической медаппаратуры осуществляется как одними из старейших предприятий приборостроительного комплекса «МОСРЕНТГЕН» (Москва) и НПО «Ор ел Hay ч прибор» (г. Орел), так и рядом молодых динамичных предприятий, таких как ЗАО «АМИКО», ОАО СП «Гелпик», ЗАО «Геолинк» (все — Москва), ЗАО «Электрон» (Санкт-Петербург) и др. 80% выпускаемой этими предприятиями аппаратуры комплектуется рентгеновскими трубками производства единственного в России специализированного предприятия ЗАО «Светлана-Рентген».

2.  Наиболее массовой рентгеновской техникой, производимой в мире, является аппаратура для дентальных исследований. Ежегодно в мире продается более 30 тысяч единиц такой аппаратуры. Диапазон сложности в этом классе рентгеновской техники очень широк: от простых аппаратов для одиночных снимков с регистрацией на пленку до сложных аппаратов для панорамных снимков с выводом информации на монитор и последующей компьютерной обработкой.

Основными производителями являются следующие фирмы: SIRONA Dental Systems, GENDEX Dental Systeme (Германия), TROPHY Radiology (Франция), VILLA Sistemi Medicali, BLUE X Imaging (Италия), PLANME-CA Oy, SOREDEX Oy, Instrumentaruim Imaging (Финляндия), CYGNUS Technologies (США), FEDESA (Испания).

Рентгеновские трубки со стационарным анодом для этих и других, более мелких производителей аппаратуры выпускают более 15 фирм в мире. Наиболее известными из них являются такие фирмы, как CEI (Италия), TOSHIBA (Япония), Patrick (Германия), «Светлана-Рентген» (Россия).

В последние 3 года на мировой рынок рентгеновских трубок активно внедряются китайские фирмы.

Общий объем продаж трубок этого класса превышает 50000 в год.

3.  События 11 сентября 2001 г. в США вызвали стремительный рост продаж аппаратуры для контроля багажа и грузов с одновременной интенсификацией разработок нового поколения этого класса приборов. Наиболее важными являются разработки аппаратуры для обнаружения взрывчатых веществ и контроля крупногабаритных грузов на морском и автомобильном транспорте.

Мировыми лидерами в этом классе рентгеновской и ускорительной техники являются фирмы SMITHS Heimann (Германия), L-3 и INVISION, Control Screening (США), RAPISCAN (Великобритания).

Рентгеновские трубки для этой аппаратуры выпускают в основном «Светлана-Рентген» (Россия) и ряд фирм КНР, а ускорительную технику — фирма VARIAN (США) и «НИИЭФА» и «НИИ интроскопии» (Россия).

4.  Для выявления дефектов в продукции машиностроительной и металлургической промышленности уже многие годы используются методы неразрушающего контроля с помощью рентгеновской аппаратуры. Наиболее массовой продукцией этого класса приборов являются так называемые «кроулеры», самодвижущиеся рентгеновские аппараты, перемещающиеся внутри стальных труб, предназначенных для нефте- и газопроводов.

Эти приборы выпускают фирмы JME (Великобритания), ICM (Бельгия), «Спектрофлеш» (Россия).

Для инспекции машиностроительной и автомобильной продукции фирмами BALTEAU NDT (Бельгия), ANDREX (Нидерланды), GILLARDONI (Италия), PANTAK (США) выпускается специализированное оборудование в виде стационарных кабинетов или мобильных систем.

Рентгеновские трубки для этого класса приборов выпускаются как в металло-стеклянном, так и в металло-керамическом исполнении такими фирмами как PHILIPS (Нидерланды), THAILIS и COMET (Швейцария), LOHMANN (Германия), «Светлана-Рентген» (Россия).

5.   В  металлургической   промышленности   и   производстве  листовых пластмасс широко применяются рентгеновские методы измерения толщин материалов и тонких покрытий.

Для этих целей ряд фирм, таких как THERMO Radiometrie (Германия) и KEVEX (США), выпускают как отдельные приборы, так и целые автоматизированные комплексы с одновременным использованием как рентгеновского, так и других видов электромагнитного излучения.

Производителями рентгеновских трубок для этой техники являются фирмы ТО5Н1ВА(Япония), PATRICK (Германия), OXFORD и МОХТЕК (США) и «Светлана-Рентген» (Россия).

6.  Одним из старейших методов анализа внутренней структуры материалов является метод дифракционного рентгеноструктурного анализа. Аппаратура для этого применения появилась на мировом рынке в начале 50-х годов прошлого столетия и до настоящего времени имеет устойчивый спрос как для промышленных предприятий, так и для научных учреждений.

Рентгеновские диффрактометры выпускаются в настоящее время фирмами RIGAKU (Япония), PHILIPS (Нидерланды), ASK (Германия).

Рентгеновские трубки для структурного анализа изготавливают несколько фирм в мире: VARIAN (США), PHILIPS (Нидерланды), THAILIS (Швейцария), TOSHIBA (Япония) и «Светлана-Рентген» (Россия).

Кроме традиционных мощных рентгеновских трубок с 4-мя выходными окнами некоторые из перечисленных выше фирм-производителей трубок выпускают трубки с анодами «прострельного» типа, в которых характеристическое рентгеновское излучение генерируется в тонкой мишени, нанесенной на бериллиевое окно. Эти трубки используются в специализированной аппаратуре структурного анализа.

7.  Рентгенофлуоресцентный анализ материалов широко используется в химической промышленности, цветной металлургии и в производстве строительных материалов для прецизионного контроля химического состава материалов как в процессе производства, так и в готовой продукции.

Рентгеновские спектрометры выпускаются как в многоканальном варианте, т. е. для многоэлементного анализа, так и в одно-, двухканальных вариантах для анализа конкретного элемента. Лидерами в этой области являются фирмы RIGAKU и SHIMADZU (Япония), ARL (Швейцария), а в России и СНГ — НПО «Орел Hay ч прибор».

К этому же классу приборов можно отнести рентгеновские люминисцентные сепараторы, которые используются в алмазодобывающей промышленности. В России НПП «БУРЕВЕСТНИК» разработано семейство

таких сепараторов, которые активно эксплуатируются в компании «АЛРО-СА» и на предприятиях в Анголе.

Производителями рентгеновских трубок для этого класса аппаратуры! являются фирмы VARIAN (США), TOSHIBA (Япония), PHILIPS (Нидерланды) и «Светлана-Рентген» (Россия).

Ниже будут рассмотрены наиболее обширные классы рентгеновских трубок различного назначения.

2.4. Трубки для рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа

2.4.1. Особенности аппаратуры и трубки для спектрального анализа

Качественный и количественный рентгеноспектральный анализ широко применяется для определения элементного состава различных веществ в промышленности (металлургия, химия, добыча полезных ископаемых и т. д.) и научных исследованиях. Наиболее распространенным является флуоресцентный метол рентгеноэлектронного анализа. Он отличается большой чувствительностью и малым временем выполнения.

Техника анализа основана на возбуждении линий флюоресцентного излучения элементов и последующего измерения длин волн и интенсивности I этих линий. Для реализации флюоресцентного метода созданы и выпускаются кристалл-дифракционные и бескристалльные спектрометры [8]. Первые из них имеют большую чувствительность, однако они более сложны и дороже. Существенно более простую конструкцию имеют спектрометры, в которых вместо кристалла использованы анализаторы типа дифференциальных детекторов или дифференциальных фильтров. Большое развитие в последние годы получили бескристалльные полупроводниковые спектрометры на основе главным образом 51{1л)-детекторов. Различием в принципе построения спектрометров обусловлено и различие применяемых рентгеновских трубок. Поскольку светосила кристалл-дифракционной аппаратуры невысока, используемые в ней трубки должны иметь большую, достигающую нескольких кВт мощность. В бескристалльных спектрометрах используются трубки, имеющие мощность на 2—3 порядка меньше. Выпуск излучения из трубки осуществляется через бериллиевые окна диаметром 10—15 мм и толщиной 0,1—1 мм. В некоторых приборах с боковым выходом излучения, например, в трубках БХВ-6, используются окна прямоугольной формы. Как правило, трубки работают при напряжении 50—70 кВ, что дает возможность возбуждать флюоресцентное излучение К- или L-серии всех элементов [9].

В бескристалльной- аппаратуре широкое применение нашли малогабаритные трубки с прострельными анодами. Такими приборами укомплектованы, например, анализаторы БАРС-3 и БАРС-5. Мощность рентгеноспектральных трубок с прострельньтм анодом обычно составляет 0,5—10 Вт, номинальное напряжение 10—50 кВ. Устройство такой трубки показано на рис. 2.9.

Прострельный анод 1 представляет собой бериллиевый диск, на поверхность которого со стороны вакуума нанесена тонкопленочная мишень из Ti, Fe, Ag, Me. Катод 3, выполненный в виде короткой спирали, размещен внутри фокусирующего электрода 2. Фокусное пятно на мишени имеет форму, близкую к эллипсу размером 2*(2—4)мм.

2.4.2. Трубки для люминесцентной сепарации минералов

В 30-е годы в Советском Союзе впервые для изучения алмазосодержащих руд начал применяться рентгенолюминесцентный метод, который нашел применение на обогатительных фабриках. На рис. 2.10 изображена схема этого метода.

На транспортирующем устройстве 1 сортируемая руда 2 подается в зону обмера, где подвергается воздействию рентгеновского излучения, генерируемого трубкой 3.

Возникающее в результате облучения люминесцентное излучение регистрируется блоком детектирования 4. Сигнал с блока детектирования управляет работой сортирующего устройства, которое отделяет алмазосодержащую породу от пустой. Производительность рассмотренного метода существенно зависит от интенсивности излучения извлекаемой породы, что требует применения мощных рентгеновских трубок (1—5 кВт), работающих при напряжении 20—100 кВ. Так как излучение трубки должно равномерно засвечивать породу на всей ширине лотка (250—300 мм), желательно иметь протяженный фокус излучения. Для работы в сепараторах используются, как правило, специальные трубки. Параметры некоторых из них приведены в табл. 2,3.

В последней серии аппаратов, разработанных Санкт-Петербургским \ НПО «Буревестник», применяется трехэлектродная трубка БХВ18. Особенностью этой трубки является то, что она трехэлектродная с сеточным управлением. При сепарации руд анализу подвергаются последовательно двигающиеся на транспортирующем устройстве порции руд. Поэтому, чтобы в регистрирующем устройстве не происходило наложение излучения от I разных порций, используется импульсный режим.

Конструкция трубки представлена на рис. 2.11.

Характерной особенностью является протяженное фокусное пятно i (100—130 мм). Для его получения в трубке использован спиральный катод 5, состоящий из нескольких секций. Секции закреплены в держателе 3 с помощью керамических изоляторов 2. Между мишенью 4 и катодом 5 расположена плоская управляющая сетка 7. Мишень 4 из рения нанесена на внутреннюю поверхность корпуса трубки гальваническим способом. Для выпуска рабочего пучка излучения в трубке предусмотрено протяженное окно из бериллия 6 толщиной 1 мм. Трубка работает с заземленным анодом. Катодный фланец 10, изоляция которого от анодного узла I 8 осуществляется с помощью цилиндрического баллона 9 и специального защитного кожуха с масляной изоляцией. В анодном узле 8 предусмотрен канал 1 для охлаждения его проточной водой. Трубка может эксплуати-

роваться в статическом и импульсном режимах. В импульсном режиме, который позволяет повысить чувствительность аппаратуры, трубка имеет следующие параметры: анодный ток 400 мА; длительность импульса 100— 1000 мкс; частота импульсов не более 250 Гц; отрицательный потенциал запирания (i <= 5 мА) 1 кВ.

На рис. 2.12 представлены экспериментальные кривые распределения мощности экспозиционной дозы излучения по ширине лотка для трубок БХВ6 и описанной трубки БХВ18 при фокусном расстоянии 300 мм. Из рисунка видно, что трубка БХВ18 обеспечивает существенно более высокую равномерность облучения породы.

2.4.3. Трубки для рентгеноструктурного анализа

Рентгеноструктурный анализ является наиболее распространенным экспериментальным методом исследования атомарного строения кристаллических тел. Он основан на изучении дифракционной картины, возникающей при когерентном рассеянии рентгеновского излучения на исследуемом объекте.

Существуют несколько методов получения дифракционных картин [9):

•     метод Лауэ, где объекты исследования — монокристаллы облучаются узким пучком рентгеновского излучения с непрерывным спектром. Дифракционные максимумы возникают вследствие того, что в излучении всегда найдутся составляющие с длинами волн, удовлетворяющими уравнению Вульфа— Брэгга:

, (2.12)

где n — порядок дифракции; λ — длина волны рентгеновского излучения; θ — брэгговский угол; d — постоянная кристаллической решетки; для некоторых атомных плоскостей монокристалла, ориентированных к пучку под соответствующими углами;

•    метод вращения, когда монокристалл облучают узким пучком монохроматического излучения, направленного перпендикулярно оси вращения. Благодаря вращению угол между пучком и атомными плоскостями монокристалла непрерывно меняется. Поэтому в определенные моменты плоскости будут занимать положения, удовлетворяющие уравнению Вульфа— Брэгга;

•   метод порошков используется для исследования поликристаллических материалов фазового состава, структурных изменений и т.д. Для регистрации дифракционной  картины применяют фотопленку, специальные рентгеновские детекторы (сцинтилляционные, полупроводниковые).

Рентгеноструктурные аппараты, в которых регистрация осуществляется с помощью детекторов, получили название дифрактометров. Перемещение детекторов в таких приборах обеспечивается прецизионными гониометрами.

Класс рентгеновских трубок для структурного анализа включает в себя приборы широкого назначения на напряжение 50—60 кВ и группу специализированных приборов (с вынесенным прострельным анодом, с растровой разверткой электронного пучка, с вращающимся анодом и др.).

Приборы широкого назначения применяются в дифрактометрах и аппаратах с фоторегистрацией дифракционной картины. Вакуумная оболочка трубок является комбинированной. Она состоит из цилиндрического стеклянного или керамического баллона и металлического корпуса, в который впаяны окна для выпуска рабочих пучков излучения. Обычно трубки имеют 2—4 окна из бериллия. Ось рабочих пучков составляет угол 5—8° с поверхностью мишени. Фокусное пятно трубок — линейное. Это дает возможность при четырех выпускных окнах иметь две точечных и две штриховые его проекции.

В качестве мишеней используются 24Cr; 26Fe; 27Co; 20Cu; 42Мо, а также 74W. Как правило, трубки выпускаются с внутренним цоколем, и присоединение их к источникам высокого напряжения и накала катода осуществляется с помощью высоковольтного кабеля.

Трубки этого типа представлены серией БСВ (рис. 2.13). Катод 3 в виде винтовой спирали размещен в пазу массивной фокусирующей головки. Медный анод 1 охлаждается проточной водой, которая

вводится в его полость через щелевой охладитель. Для выпуска рабочих пучков излучения служат бериллиевые окна 2 (толщина 0,5 мм), впаянные в массивный цилиндрический корпус. Баллон трубки 7 выполнен из стекла С-52. Экран 5 предназначен для повышения электрической прочности трубки. Для улучшения рабочего вакуума в приборе используется геттер 4. Подача на катод высокого отрицательного потенциала осуществляется с помощью кабеля через внутренний цоколь 6. Трубки выполняются с мишенями из V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag и W, т. е. имеют более широкий ассортимент материалов мишени, чем приборы зарубежных фирм. Это позволяет использовать их для решения широкого круга задач кристаллографического анализа.

Параметры трубок серии БСВ приведены в табл. 2.4, общий вид представлен на рис. 2.14.1.

При разработке и производстве трубок для структурного анализа предусматривается ряд конструкторских и технологических приемов, направленных на уменьшение загрязненности спектра излучения линиями посторонних элементов, обусловленной попаданием на мишень атомов этих элементов в процессе изготовления и работы трубки.

Для снижения интенсивности процессов, проводящих к переносу посторонних веществ на поверхность мишени, необходимо, как было отмечено ранее, обеспечивать высокий устойчивый вакуум в трубке, повышать качество обработки поверхностей внутренней арматуры и снижать рабочую температуру катода.

Высокий устойчивый вакуум в трубках в процессе работы достигается, в частности, с помощью эффективных газопоглотителей. В целях уменьшения термоиспарения катоды из вольфрама рекомендуется эксплуатировать при понижении мощности накала. В приборах отечественного производства в тех же целях используются катоды из торированного карбидированного вольфрама, рабочая температура которых (1800—2000 К) существенно ниже, чем вольфрамовых нитей накала (2400—2700 К).

Питание трубок в большинстве случаев осуществляется от стабилизированных источников высокого напряжения. При работе трубок в дифрактометрах, где регистрация дифракционной картины осуществляется последовательно, их анодный ток и анодное напряжение стабилизируют очень жестко. Благодаря этому достигается требуемая стабильность интенсивности рабочего пучка.

Если при топографировании монокристаллов в качестве источника излучения используют трубки на напряжении 50—60 кВ, то для регистрации дифракционного изображения на фотопленке необходимо длительное время. Для повышения экспрессности исследований необходимо увеличить интенсивность излучения трубок, что требует повышения рабочих напряжений.

Увеличение напряжения до 100 кВ позволяет получить достаточно интенсивное К-излучение тяжелоатомных мишеней. В результате появляется возможность исследовать относительно толстые монокристаллы различных материалов.

Промышленные образцы приборов на 100 кВ, освоенные в России, — это трубки БСВ20 и БСВ26.

Для обеспечения поверхностной электрической прочности баллона трубок они эксплуатируются в защитном кожухе, заполненном трансформаторным маслом (в отличие от рентгеноструктурных трубок на 60 кВ, работающих на воздухе). Повышение электрической прочности вакуумных промежутков достигнуто практически без увеличения их длины за счет улучшения конфигурации электродов и качества обработки поверхностей внутренней арматуры.

В трубках на 100 кВ использован медный корпус квадратного сечения (60x60 мм) с цилиндрической полостью,

по оси которой расположен катодный узел. Минимальная толщина стенки корпуса составляет 6 мм, что обеспечивает высокие защитные свойства трубки. В корпус впаяны четыре выпускных окна из бериллия толщиной 0,5 мм и анод.

В трубке применен щелевой охладитель, направляющий струю воды в виде ленты по нормали к квазиизотермической охлаждаемой поверхности анода на наиболее нагретый ее участок. Щель охладителя ориентирована параллельно большой оси линейного фокусного пятна трубки. Вода поступает в охладитель через входной патрубок и канал в стенке корпуса, омывает полость анода и выводится наружу через выходной канал и патрубок.

Такая система каналов способствует хорошему охлаждению корпуса трубки и снижению температуры  анода.

Катод трубок — прямонакальный, из торированного карбидированного вольфрама — представляет собой винтовую спираль диаметром 1,3 и длиной 14 мм. Массивный фокусирующий электрод имеет два паза прямоугольного сечения. Монтаж катодного узла выполнен на металлической катодной ножке, что обеспечивает надежную юстировку ЭОС трубок. Откачка  приборов осуществляется через металлический штенгель в ножке. Контактная часть выполнена в виде наружного цоколя.

Основные параметры трубок приведены в табл. 2.5, а внешний вид показан на рис. 2.14.2.

На рис, 2.15 показана зависимость интенсивности дифрагированной на монокристалле кремния (220) АgК_а - линии характеристического излучения трубки BCB20-Ag от анодного напряжения при постоянной мощности. Из рисунка видно, что повышение напряжения от 50 до 90 кВ приводит к почти двукратному выигрышу в интенсивности для этой мишени, а сле-

довательно, к соответствующему сокращению времени топографирования по сравнению с трубками широкого назначения.

2.5. Трубки для дефектоскопии (неразрушающего контроля) материалов и изделий

Метод промышленной дефектоскопии основан на анализе рентгеновского теневого изображения объекта. При этом последний помещают между источником и приемником излучения, в качестве которого может быть рентгеновская пленка, флюоресцентный экран либо ренгенотелевизионная система.

Основной характеристикой метода является контрастная чувствительность, которая характеризует минимальную разницу в толщине или плотности составных частей объекта, различимую при просвечивании. Зависимость контрастной чувствительности стали от толщины образца приведена на рис. 2.16.

Следует отметить, что выявляемость мелких дефектов в образцах из тяжелых, сильно ослабляющих рентгеновское излучение материалов выше, чем в легких.

Рентгеновские трубки для просвечивания должны иметь малый размер фокусного пятна (для улучшения разрешения), большую мощность и широкий диапазон изменения анодного излучения.

2.5.1. Трубки с вынесенным анодом

Отличительной особенностью этих трубок является то, что их анодный узел выступает за пределы защитного кожуха аппарата на 2—3 диаметра анодного узла, что позволяет использовать аппаратуру для просвечивания полых изделий и объектов, расположенных в труднодоступных местах. Как правило, рабочее напряжение приборов этого типа не превышает 160 кВ. Выпуск рабочего пучка излучения осуществляется через бериллиевое окно.

Эти трубки применяются для просвечивания изделий из легкоатомных материалов и работают в малогабаритных кабельных аппаратах. На рис. 2.17 представлена конструкция трубки 1БПВ15—100 с вынесенным анодом.

Электрооптическая система формирует на вольфрамовой мишени 1 линейное фокусное пятно шириной 1,1 мм и длиной 3,0 мм.

Угол наклона мишени составляет 70°, что позволяет получить в направлении, перпендикулярном к оси трубки, эффективное фокусное пятно квадратной формы. Бериллиевое окно 12 имеет толщину 1 мм, благодаря чему нижняя граница диапазона рабочих напряжений составляет 10 кВ. Охлаждение анода осуществляется проточной водой при расходе не менее 3 дм³/мин. Медный корпус 4 соединен со стальным экраном, предназначенным для уменьшения напряженности электрического поля в области спая коварового кольца 6 со стеклянной оболочкой 7. Для повышения вакуума в приборе применяется титановый ленточный геттер 8, периодически включаемый в процессе технологической тренировки. Трубка работает в схеме с постоянным напряжением и заземленным анодом. Высокий отрицательный потенциал подается на катод через цоколь 10. В анодной гильзе установлена специальная диафрагма 2, препятствующая разлету вторичных электронов в направлении стеклянной оболочки трубки.

В стационарной и передвижной аппаратуре для дефектоскопии чаще всего используются трубки торцевой конструкции с чехлом на аноде. Подробно такая трубка описана в п. 2.2.3 (см. рис. 2.7). Они, как правило, работают в диапазоне напряжений 160—320 кВ и характеризуются высокой мощностью, достигающей 4 кВт.

2.5.2. Трубки со сканированием электронного пучка

В последние годы в области промышленного просвечивания начала применяться рентгеновская  аппаратура на базе трубок со сканированием

электронного пучка. Особенность этой аппаратуры заключается в том, что в качестве приемников излучения здесь применяется система точечных детекторов.

Они позволяют получать картину просвечивания в виде цифровой информации, которая может обрабатываться и сохраняться с помощью ЭВМ.

Для работы в сканирующих интроскопах применяются трубки с однострочной или растровой разверткой электронного пучка, имеющие массивные или прострельные аноды.

На рис. 2.18 показана конструкция трубки с растровой разверткой электронного пучка. Для формирования пучка здесь использована комбинированная ЭОС, состоящая из трехэлектродной электронной пушки с прямоканальным катодом (он может быть выполнен в виде V-образной или короткой винтовой спирали) и короткой магнитной линзы 4, располагаемой на анодной пролетной трубе 5. Массивный рентгеновский анод охлаждается проточной водой. Для этого в теле анода 8 предусмотрена система каналов 10 круглого или прямоугольного сечения. Подключение системы охлаждения анода к водопроводу осуществляется через патрубки 9. Анод методом аргонодуговой сварки соединен с корпусом 12, изготовленным из листовой нержавеющей стали. На поверхность тела анода нанесена мишень 11 в виде покрытия. При работе рентгеновской трубки анод заземляется. Заземляется также анод электронной пушки, а высокий ускоряющий отрицательный потенциал подается на ее катод через поколь /. Крепление трубки в масляном моноблоке производится с помощью уплотнительного фланца 3. Для выпуска рабочего пучка излучения используется прямоугольное бериллиевое окно 7 Растровая развертка электронного пучка по поверхности мишени осуществляется с помощью электромагнитной отклоняющей системы 6.

Трубки с прострельными анодами имеют аналогичную конструкцию. Основное отличие от трубок с массивными анодами заключается в конструкции рентгеновского анода. Он представляет собой прямоугольную (иногда круглую) пластину из бериллия толщиной 0,5—4 мм, на которую нанесена тяжелоатомная мишень в виде покрытия. Такой анод обычно

имеет систему принудительного воздушного охлаждения или охлаждается путем естественной конвекции. Примером описанного типа может служить трубка с однострочной разверткой электронного пучка 0,2БПК7-100. Она имеет следующие параметры: ускоряющее напряжение 100 кВ, мощность 0,2 кВт, диаметр фокусного пятна 0,8 мм, длину строки 500 мм, частоту развертки 200 Гц, охлаждение воздушное принудительное. Трубка (рис. 2.19) применяется в сканирующем интроскопе.

В будущем трубки со сканированием электронного пучка будут находить в аппаратуре для дефектоскопии все более широкое применение.

2.5.3. Металлокерамические рентгеновские трубки

Керамика по сравнению со стеклом обладает рядом преимуществ: значительно большей механической прочностью; более высокой теплопроводностью; постоянством пробивного напряжения в относительно широком температурном диапазоне; существенно большей рабочей температурой.

Кроме того, допуски на размеры металлокерамических конструкций (керамика, армированная металлом) могут быть установлены более жесткие, чем на размеры стеклянных элементов (баллона, катодной и анодной ножек) обычных приборов.

Впервые керамика была применена для изготовления баллона рентгеновской трубки в 1965 г.

Металлокерамическая оболочка позволила существенно повысить температуру прогрева трубки на откачке, что обеспечило получение в приборе высокого устойчивого вакуума. Благодаря сокращению габаритов баллона и масляной изоляции излучатель рентгеновского аппарата, в котором используется трубка, получился компактным. Это дало возможность широко использовать аппарат для дефектоскопии в нестационарных условиях, в частности, в авиационной промышленности.

В последующие годы развитие трубок с керамическими гофрированными баллонами шло в направлении повышения рабочих напряжений и создания серии приборов с различными размерами фокусных пятен. В результате была создана серия трубок с заземленным охлаждаемым анодом на напряжениях от 60 до 300 кВ, предназначенных для кабельных и моноблочных аппаратов. Трубки имеют линейные фокусные пятна от 0,05 до 3 мм и направленный или панорамный выход излучения. С целью дальнейшего уменьшения массы и габаритов моноблочных излучателей

в некоторых из них в качестве изолирующей среды применен сжатый газ и воздушное принудительное охлаждение анода.

Конструкция современного излучателя с металл о керамической трубкой приведена на рис. 2.20.

Керамический изолятор конусной формы 4 в качестве основы катодного узла позволил создать конструкцию излучателя, в котором не требуется масляной или газовой изоляции. Высокое напряжение с помощью кабельного наконечника подается на катодный узел 7 через двухслойную переходную втулку 3, состоящую из слоев резины и твердого диэлектрика. Для плотного поджима кабельного наконечника и переходной втулки к керамическому изолятору используется рычажной замок 1.

Оболочка трубки 5 выполнена в виде тонкостенной стальной трубы, в которую впаян медный анод 8 с вольфрамовой мишенью. Охлаждение анода осуществляется проточной водой, которая поступает в полость анода по каналам 2. Для защиты от неиспользуемого рентгеновского излучения трубка покрыта слоем свинца, на который сверху надевается декоративный чехол 6.

К настоящему времени ЗАО «Светлана-Рентген» по заказу фирмы BAL-TEAU X-Ray S. А. разработала две металлокерамические трубки на 300 кВ: 1,5БПК20-300 с направленным излучением и 1,5БПК22-300 с панорамным излучением. Они имеют выносной анод и работают в элегазе (5F₆). Трубки используются для контроля сварных швов трубопроводов.

2.5.4. Импульсные рентгеновские трубки

Трубки, применяемые в современной импульсной аппаратуре, можно разделить на два основных класса: с холодным катодом, работающим в режиме автоэлектронной либо взрывной электронной эмиссии (это наиболее обширный класс трубок), и с термокатодом. Приборы с холодным катодом используются в аппаратуре большой и средней мощности микро- и наносекундного диапазонов; трубки с термокатодом — преимущественно в аппаратуре относительно небольшой мощности, но и с повышенной длительностью импульсов (до десятков и сотен микросекунд) и большой частотой.

Основное назначение импульсной рентгеновской аппаратуры — исследование процессов, протекающих с большой скоростью в оптически непрозрачных объектах. Исследуемый объект просвечивается очень короткими вспышками излучения, благодаря чему удается избежать «размазывания» снимка. Таким методом исследуются взрывные и детонационные явления; процессы электрического пробоя диэлектриков и динамического уплотнения материалов; особенности распространения ударных волн в жидкостях и газах; изменения в структуре кристаллов при динамических воздействиях различных внешних факторов и т. д.

Импульсы рентгеновского излучения применяются для измерения малых высот и расстояний.

Импульсная аппаратура имеет малые габариты и массу. Поэтому она широко применяется также при дефектоскопии в нестационарных условиях (просвечивание сварных швов газо- и нефтепроводов, корпусов судов, мостовых сооружений и т. д.).

На базе маломощных импульсных трубок созданы системы контроля багажа в аэропортах и таможнях.

Серийные импульсные трубки с холодным катодом работают при токах от десятков до тысяч ампер. Они имеют коаксиальную или плоскую электродную систему.

На рис. 2.21 показаны наиболее распространенные типы коаксиальных электродных систем, в которых используются многосерийные и лезвийные катоды. Анод трубок изготавливается из вольфрамового прутка диаметром 3—7 мм. Рабочая часть анода имеет коническую форму.

В промышленных трубках отечественного производства широко применяются лезвийные взрывоэмиссионные катоды в виде одной или нескольких шайб (рис. 2.21,г), внутренняя заостренная кромка которых является эмитирующей. Примером могут служить трубки типа ИМА6Д (на напряжение амплитудой 100 кВ); ИМА5-320Д (320 кВ); ИА6 (1000 кВ) и др.

На рис. 2.22 показана конструкция трубки ИМА6Д, используемая в портативных аппаратах для медицинской диагностики типа ДИНА. Анод 6 трубки изготовлен из вольфрамового стержня диаметром 4 мм; угол при вершине конической части составляет 14°. Катодом служит шайба 5 из вольфрамовой фольги. Диаметр эффективного фокусного пятна трубки равен 2 мм. Штенгель 8 (тонкостенная трубочка из меди) расположен в цокольной части прибора. Плоское выпуклое окно 1 выполнено из бериллиевой пластины диаметром 20 и толщиной 1 мм. Такое окно вызывает незначительную фильтрацию низкоэнергетической части генерируемого излучения: например, спектральная составляющая с энергией фотонов 5 кэВ ослабляется примерно в 2 раза. Неиспользуемое же излучение, идущее в радиальном направлении, в сильной степени ослабляется коваровым колпачком 2, в который впаяно окно, фланцем 3, экраном 4 и стеклянным изолятором (баллоном) трубки 7

В некоторых импульсных аппаратах применяются трехэлектродные трубки (как с холодным, так и с термокатодом). Это позволяет управлять моментом появления рентгеновского импульса и синхронизировать его с соответствующей фазой исследуемого процесса.

2.6. Рентгеновские трубки в толщинометрии

Хотя толщинометрия является одним из методов неразрушающего контроля, развитие этого направления настолько широко представлено на мировом рынке как самими приборами, так и применяемыми в них рентгеновскими трубками, что это направление является самостоятельным.

Принцип действия толщиномер основан на следующем: ослабление узкого пучка монохроматического рентгеновского излучения веществом зависит при прочих неизменных условиях от толщины ослабляющего слоя:

где I_o — интенсивность пучка излучения перед ослабляющим слоем; I_х — интенсивность излучения за слоем; х — толщина слоя ; μ — линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей.

Таким образом, при использовании узкого пучка монохроматического излучения появляется возможность непосредственно определять или контролировать толщину ослабляющего слоя x=ln(I₀/I_x)/μ.

Однако на практике при использовании в качестве источника излучения рентгеновской трубки необходимо учитывать, что по мере прохождения через вещество тормозного излучения линейный коэффициент ослабления μ не остается постоянным. Это обстоятельство не позволяет провести достаточно точное определение величины непосредственно указанным способом. Чтобы такое измерение стало возможным, применяют несколько различных методов: компенсационный и т. д. Компенсационный метод основан на использовании двух систем детектирования, одна из которых постоянно регистрирует излучение, прошедшее сквозь градуировочную пластину (эталон), другая — сквозь контролируемый слой вещества.

В качестве источников излучения в этих устройствах используются рентгеновские трубки для просвечивания, имеющие специальные конструкции. При этом, как правило, применяются две разновидности компенсационного метода: в одном из них используются две идентичные рентгеновские трубки, во втором — одна трубка, имеющая два пучка излучения. На рис. 2.23 представлена принципиальная схема толщиномера

с двумя рентгеновскими трубками. Трубки питаются от стабилизированного источника высокого напряжения 1. Излучение первой трубки (рабочий пучок 2) проходит сквозь контролируемый объект 4, так называемый клин коррекции нуля 5, и регистрируется блоком детектирования 8. Излучение второй трубки (компенсирующий пучок 3) проходит сквозь компенсирующий клин 7, подстроечные пластины 6 и также регистрируется блоком детектирования. Если сигнал от рабочего пучка отличается от сигнала компенсирующего пучка из-за изменения толщины объекта, то в блоке рассогласования 9 формируется разностный сигнал, который передается на двигатель 10, перемещающий клин 7 в положение, при котором сигналы выравниваются. По положению компенсирующего клина определяют толщину проката, и соответствующий сигнал передают в следящую систему //, которая управляет устройством автоматического регулирования толщины. На таком принципе основана работа отечественных толщиномеров ИТХ-5736, ИТХ-6170, ИТГ-5688 и др., предназначенных для контроля толщины проката в производстве. С их помощью удается контролировать толщину стального листа до 12 мм с погрешностью порядка 1%.

Аналогичным является принцип действия толщиномеров, в которых применяется один источник излучателя — трубка с двумя пучками излучения.

Толщиномер ТРГ-7138 с двухлучевой трубкой 0,5БПМ6-150 позволяет контролировать стальной прокат толщиной до 16 мм с более высокой точностью (погрешность 0,3—0,5%). Конструкция трубки, имеющая круглое фокусное пятно, схематически показана на рис. 2.24. Она имеет чехол на аноде 3 с двумя выпускными отверстиями для пучков излучения, закрытыми бериллиевыми дисками толщиной 1 мм. Отверстия расположены симметрично относительно рабочей поверхности мишени, а следовательно, и фокусного пятна. Благодаря этому обеспечивается высокая идентичность обоих пучков. Угол между осями пучков — 90°, угол раствора каждого пучка — 10°. Трубка имеет стеклянный баллон 4 и работает в моноблоке с масляной изоляцией на переменном напряжении в схеме с заземленной средней точкой. Для охлаждения анода используется радиатор 2 с развитой поверхностью теплообмена.

Широкое применение рентгеновских толщиномеров позволяет повысить точность листового проката, обеспечивает значительную экономию материалов и способствует улучшению условий труда обслуживающего персонала прокатных станов.

2.7. Контроль багажа и грузов

Хотя настоящий вил оборудования по классификации относится к неразрушающим методам контроля, на сегодняшний день его применение в различной досмотровой аппаратуре настолько широко, что его выделяют в отдельную самостоятельную группу методов контроля.

В зависимости от видов просвечиваемых объектов досмотровая рентгеновская техника (ДРТ) классифицируется на 6 групп [12]:

•    ДРТ для углубленного контроля отдельных предметов;

•    ДРТ для контроля содержимого ручной клади и багажа;

•    ДРТ для контроля международных почтовых отправлений;

•    ДРТ для контроля содержимого среднегабаритных грузовых упаковок;

•    ДРТ для контроля крупногабаритных грузов (контейнеры, автотранспортные средства);

•   ДРТ для просвечивания в оперативных (полевых) условиях.

С точки зрения конструктивного построения и принципов работы рентгеновская техника для таможенного досмотра может быть классифицирована следующим образом (рис. 2.25).

Как видно, средства просвечивания основаны на применении одного из двух методов:

1) проекционного (флюороскопического) метода, в котором сразу весь объект освещается широко расходящимся рентгеновским пучком, и теневая картина от него воспроизводится на плоском наблюдательном экране;

2) метода сканирования: с использованием веерообразных пучков рентгеновских лучей и с использованием «бегущего» рентгеновского луча (узкого пучка рентгеновских лучей). В обоих случаях объект располагается на движущемся конвейере, освещается пучком рентгеновских лучей, а теневое изображение объекта на экране телевизионного монитора составляется из отдельных точек (интенсивностей), фиксируемых электронными детекторами в различные моменты времени.

Для определении я химического состава материалов в таможенном оперативном контроле используется одна из модификаций метода флуоресцентного рентгеноспектрального анализа. При этом на образце облучается та часть поверхности, от которой следует получить результат.

Для определения кристаллической структуры веществ с целью их идентификации используется метод рентгеноструктурного анализа. Здесь используются узкие пучки рентгеновского излучения со строго определенной длиной волны. Перемещающимся одноэлементным детектором регистрируется поле дифракционного излучения вокруг образца.

Метод сканирования имеет очень высокую производительность контроля, а также обеспечивает простой способ записи рентгеновского изображения в цифровой форме. Для метода сканирования характерно высокоэффективное использование излучения и снижения влияния рассеянной компоненты излучения на регистрируемую теневую картину. Как следствие, при проведении просвечивания этим методом обеспечивается максимальная радиационная безопасность людей и товаров при высокой разрешающей способности и контрастной чувствительности контроля.

Этот метод дает возможность применения методик компьютерной обработки цифровых изображений для повышения их «читаемости».

В настоящее время наибольшее распространение получил метод сканирования с применением узких «бегущих» пучков рентгеновского излучения.

Привлекательность получения рентгеновских изображений объекта этим методом заключается в том, что в каждый момент времени на объекте облучается только небольшой участок поверхности, который будет затем представлен своей точкой на изображении. При использовании узких «бегущих» пучков рентгеновских лучей отсутствуют «мешающие» сигналы от соседних участков образца, которые не облучаются при просвечивании данного участка. Рентгеновская информация с соседних участков будет зафиксирована только тогда, когда до них «дойдет» сканирующий пучок.

Принципиальная схема сканируемого устройства показана на рис. 2.26.

Излучение, выходящее из источника, формируется в виде узкого веерообразного пучка. Веерообразный пучок попадает на модулятор, который представляет собой вращающийся с постоянной скоростью диск из непрозрачного для рентгеновского излучения материала. На краях диска имеется несколько симметрично расположенных узких радиальных прорезей. Прорези на диске расположены таким образом, чтобы на пути веерообразного пучка всегда оказывалась  только одна из них. При вращении диска каждая радиальная прорезь «сканирует» веерообразный пучок излучения в вертикальном направлении.

Развертка по горизонтали осуществляется за счет перемещения объекта.

Детекторы излучения представляют собой монокристаллические сцинтилляторы большой площади, на которых установлены фотоэлектронные умножители.

На рис. 2.27 приведена классификация современной сканирующей техники.

В зависимости от назначения досмотровой аппаратуры применяемые в ней рентгеновские трубки имеют достаточно большую номенклатуру, разделяющуюся по анодному напряжению (диапазон 70—200 кВ), размерам фокусного пятна (от долей мм² до нескольких мм²) и его конфигурации, способам вывода рентгеновского излучения (через бериллий, через стекло), мощности (от десятков Вт до 1 кВт), и сочетают, как правило, свойства рассмотренных ранее трубок для дефектоскопии, рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа. Только отечественной промышленностью выпускается сегодня более 10 наименований таких трубок.

В качестве примера на рис. 2.28 представлена трубка 0,ЗБПМ25-150.

мощности 0,3 кВт, имеет эффективное фокусное пятно 0,8x1,2 мм.

На анод трубки 6 надет защитный чехол 4 для защиты от неиспользованного излучения. Выход рентгеновского излучения осуществляется через выходное бериллиевое окно 5, для охлаждения анода на его вынесенную часть напрессован охладитель 7.

На рис. 2.29 представлены выпускаемые ЗАО «Светлана-Рентген» рентгеновские трубки для досмотровой техники.

2.8. Рентгеновские трубки для медицинской диагностики

Высокая оснащенность современной рентгеновской аппаратурой клиник и больниц играет исключительно важную роль в системе профилактических и лечебных мероприятий.

Для реализации диагностики необходимо различное техническое оснащение: профилизированное для изучения отдельных органов, например, желудочно-кишечного тракта; универсальное и специализированное, например, для томографии. Для этого в основном применяются флюорографические аппараты для исследования органов грудной клетки, гастрофлюорографы для изучения желудочно-кишечного тракта, маммографы для исследования молочных желез, аппараты и панорамные томографы для дентальных исследований.

Естественно, что к рентгеновским трубкам в зависимости от назначения аппаратов предъявляются различные требования [13].

1.  Фотографирование сердечно-кровеносных сосудов

Фотографирование должно иметь малую экспозицию, сводящую к минимуму влияние движения снимаемого объекта, что связано с повышением мощности источника рентгеновского излучения. При фотосъемке используются трубки с высокой скоростью вращения (9000 об/мин) при максимальном токе анода 1000 мА.

При облучении, повторяющемся с высокой частотой в короткий промежуток времени при фотографировании сосудов сердца, вместе с повторением облучения происходит накопление тепла на мишени, поэтому для снижения температуры мишени теплоемкость ее увеличивают до 400—450 кДж.

2.  Флюорографирование широкого применения

История флюорографии связана с развитием класса рентгеновских микрофокусных трубок. Однако трубки с малым фокусом имеют очень малую мощность. Для повышения мощности требуется увеличение диаметра мишени, уменьшение ее угла наклона и повышение скорости вращения анода. Современные трубки для флюорографии имеют фокус 0,1—0,3 мм при диаметре анода 10—120 мм и угле наклона 10—12°. Скорость вращения анода 9000-18000 об/мин.

Применяются также трубки с сеточным управлением фокусного пятна.

3.  Томография органов тела

Основной особенностью метода компьютерной томографии является необходимость получения большого количества измерений для создания качественного изображения среза объекта.  Это достигается путем дискретного или непрерывного сканирования рентгеновской трубки вокруг объекта. В первом случае трубка должна работать в импульсном режиме I с длительностью импульса 1—8 мс и частотой повторения 50—100 1/с при I общем времени сканирования до 12 с (режим томографа третьего поколения). Во втором случае разделение сигналов происходит в блоке детекторов (режим томографа четвертого поколения). Для получения достаточного разделения сигнал—шум и информативности в больших пределах плотностей спектр излучения должен иметь Е_эф = 55...70 кэВ, что соответствует напряжению анода 120 кВ при анодном токе до 1 А. Как правило, размеры оптического фокуса не превышают 1 мм, причем предпочтительнее использовать линейный фокус длиной до 5—10 мм.

Требование получения нескольких срезов объекта с минимальными перерывами между ними обеспечивается большой теплоемкостью мишени, которая в трубках для томографии составляет 400—1000 кДж. Угол наклона мишеней в трубках для томографии 10—12°, а скорость вращения 9000—10000 1/с.

Высокое требование к стабильности пространственного распределения излучения и его спектрального состава как при кратковременном, так и при длительном режиме предполагает особую конструкцию анодного узла, недопустимость радиальных и аксиальных смещений мишени во время работы трубки.

4. Маммографы

Для получения удовлетворительного изображения низкоконтрастных деталей в мягких тканях необходимо однородное длинноволновое рентгеновское излучение высокой интенсивности. Поэтому трубки для маммографии обычно работают при напряжениях, не превышающих 50 кВ. С целью повышения интенсивности излучения кроме тормозного излучения используют также характеристическое излучение, обычно это К -  линия молибдена. Уменьшение потерь достигается применением в качестве материала выходного окна бериллия. Размеры оптического фокуса трубки не превышают 0,6 мм.

2.8.1. Рентгеновские трубки с неподвижным анодом

Трубки с неподвижным анодом широко используются в аппаратуре для зубной и челюстной флюорографии, в рентгенотелевизионных просвечивающих установках для хирургии и некоторых диагностических аппаратах.

Выпускаются трубки двух типов: с массивным анодом и с полым вынесенным анодом.

В качестве примера рассмотрим трубку с массивным анодом типа 1.6БДМ9-90.

Анодный узел трубки (рис. 2.30) представляет собой монолитную конструкцию, состоящую из собственно анода с вольфрамовой мишенью и теплоотводящего стержня 2, выступающего за пределы вакуумной оболочки. Конец стержня снабжен резьбой, которая служит для крепления трубки в аппарате. Монолитная конструкция анода обеспечивает хороший отвод тепла от мишени, что позволяет развивать на аноде высокие удельные нагрузки (до 135 Вт/мм²). Для снижения дозы неиспользуемого излучения анод имеет массивный чехол с боковым отверстием для выпуска рабочего пучка рентгеновских лучей и осевым отверстием для выхода потока электронов катода. Размеры выходного окна обеспечивают угол расхода конуса полезного пучка излучения 30°.

На рис. 2.31 приведена диагностическая трубка с вынесенным полным анодом типа 0,01БД57-90, используемая для дентальных исследований. Трубка имеет анодную трубку длиной 90 мм и диаметром 12 мм, в торце которой размещена коническая вольфрамовая мишень. На анодной трубке размешается катушка для магнитной фокусировки электронного прожектора. Кроме того, для центровки электронного пучка используется магнитная отклоняющая система, которая располагается на анодной трубке между корпусом трубки и фокусирующей катушкой. Отклоняющая система состоит из четырех катушек, закрепленных на общем магнитопроводе.

Ряд рентгеновских трубок с неподвижным анодом новых разработок ЗАО «Светлана-Рентген» представлен на рис. 2.32.

2.8.2. Рентгеновские трубки с вращающимся анодом

По своим конструктивным особенностям рентгеновские трубки с вращающимся анодом делятся на малогабаритные, трубки средней мощности со скоростью вращения анода 3000 об/мин, трубки большой мощности со скоростью вращения анода 9000 об/мин и более и трубки специального назначения — для маммографии, компьютерной томографии.

2.8.2.1. Трубки с вращающимся анодом средней мощности

Наибольший ассортимент трубок отечественного производства занимают трубки средней мощности. Основное их применение — в стационарных диагностических аппаратах и обшей флюорографии. Все эти трубки двухфокусные, отличаются размером фокусов.

Устройство трубки средней мощности рассмотрено на примере прибора 6-10БД8-125 (рис. 2.33)

Анодный узел трубки (рис. 2.34) представляет собой вращающуюся консольную систему, обеспечивающую нормальное токопрохождение через прибор и распределение механических нагрузок, при которой возможна

/

долговечная и надежная работа всей трубки. Конструкция состоит из неподвижного и вращающегося узлов.

Вращающийся узел включает в себя ротор 8, вал 5, мишень 3. Несущим основные нагрузки элементом анодного узла является стальной стакан с коваровым кольцом 12. Вал состоит из двух частей — молибденовой и стальной — и предназначен для размещения мишени. Применение двух различных металлов объясняется тем, что часть, на которой устанавливается мишень, во время работы может нагреваться до температуры 2000 °С, что требует применения тугоплавкого материала. Другая часть вала, на которой монтируются подшипники, нагревается значительно меньше, но подвергается в процессе работы большим механиче-

ским усилиям, что требует для ее изготовления материалов с высокой механической прочностью.

Зафланцевая часть валика предназначена для установки двух подшипников качения.

В трубках средней мощности используются вольфрамовые мишени диаметром 100 мм и толщиной 3—4 мм, с углом наклона рабочей поверхности 17°. Для повышения излучательной способности на мишень с обратной стороны наносится чернящее и газопоглощаюшее покрытие.

Катодный узел трубок средней мощности (рис. 2.35) унифицирован для всех типов трубок с вращающимся анодом.

2.8.3. Трубки для томографии

Интенсивное развитие компьютерной техники создало благоприятное условие для развития медицинской компьютерной томографии.

К настоящему времени имеется несколько конструктивных разновидностей вычислительных томографов.

Классификация основных поколений томографов приведена в табл. 2.7.

Каждое из поколений выдвигает определенные требования к излучателям, т. е. к рентгеновским трубкам. Трубки в томографах первого и второго поколений должны работать длительное время в непрерывном режиме. Это обеспечивается применением интенсивно охлаждаемых стационарных анодов.

Для рентгеновских трубок томографов третьего и четвертого поколения характерен импульсный режим работы с длительностью импульса 1—6 мс

частотой следования 5—10 с ^! с током в импульсе до 1 А. В таком режиме могут работать только мощные трубки с вращающимся анодом.

Примером такой трубки является конструкция типа SRC фирмы Philips.

Основой ее является металлокерамический корпус. Мишень в трубке закреплена на двухопорной оси, что дает уменьшение вибрации мишени, вследствие чего повышаются пространственная стабильность излучения и надежность работы трубки, упрощается балансировка мишени и снижается мощность питания статора.

Ротор в трубке изолирован от анода керамическим изолятором. Это позволило уменьшить зазор между ротором и статором и тем самым увеличить эффективность двигателя и снизить время разгона анода до 1 с.

Возможности повышения быстродействия томографов связаны с заменой механических узлов электростатическим или магнитным отклонением электронного луча, на чем базируются томографы шестого поколения. Здесь применяются растровые трубки, которые дают возможность получить в скоростном томографе сразу несколько срезов одновременно. Такие системы обладают повышенной стабильностью, улучшенными тепловыми режимами и более высоким пространственным разрешением.

Рассмотрим опытный образец кольцевого рентгеновского вычислительного томографа (КРВТ), принятый к серийному выполнению фирмой «Ассоциация Иматрон». Образцы других фирм имеют аналогичное конструктивное решение.

В состав КРВТ (рис. 2.37) входит трубка с электронным сканированием 1, неподвижная матрица детекторов 3, система регистрации данных 2, вычислительная система регистрации данных, реконструкции и визуального представления изображения 4, включающая в себя записывающее устройство с произвольной выборкой (ЗУ), реконструктивный спецпроцессор (PC) с микроЭВМ, система управления сканирования (СУ) и дисплей (Д).

Технические параметры томографа:

•    время сканирования — 35—50 мс

-    толщина сканируемого слоя — 1 см

•    напряжение трубки — 120 кВ

•    ток трубки — 1000 мА.

Подводя итоги, следует отметить, что создание метода компьютерной томографии в диагностике предъявило к конструкции рентгеновских трубок ряд специфических требований, заставивших конструкторов вести поиск новых технических решений.

Это, в свою очередь, создало условия необходимости разработки новых типов рентгеновских трубок, таких как трубки с двухопорной конструкцией анодного узла; трубки со сканированием электронного пучка и т.д., на базе которых создаются диагностические аппараты, способные поднять медицинскую диагностику на качественно новый уровень.

Литература

[1]    Куликов Н.А., Сербии В.А., Валуев Н.Н., Кузьмин Э. В. Рентгеновские трубки // Обзоры по электронной технике. Сер. 4. 2003. Вып. 1.

[2]   Методы анализа поверхности/ Под ред. А. Зандерны: Пер. с англ. М.:

[3]   Мир, 1979. 582 с.

[4]   Хараджа Ф. И. Общий курс рентгенотехники. М.: Энергия, 1966. 588 с.

[5] Иванов С. А. Рентгеновские трубки для научных исследований, промышленного контроля и технологии // Обзоры по электронной технике. Сер. 4. 1982. Вып. 1. 48 с.

[6] Баскаков А. В. Методы рентгеновского микроанализа тонких пленок // Обзоры по электронной технике. Сер. 7. 1992. Вып. 1.

[7]    Heinrich К. Electron probe microanalysis. New York. — 411 p.

[8] Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: Пер. с англ. М: Мир, 1989. 344 с.

[9] Комяк Н.И. Перспективы развития приборов для рентгеновского микроанализа // Заводская лаборатория. 1987. Т. 53. № 12. С. 31—34.

[10] Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с.

[11]   Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие. М.: Высшая школа. 1988. 368 с.

[12] Кошелев В.Е. Рентгеновские требования и технические средства таможенного контроля: Учеб. пособие. М.: ООО «Бином-Пресс», 2003. 248 с.

[13] Зеленое Ю. Н. Рентгеновские трубки для диагностики // Обзоры по электронной технике. Сер. 4. 1992. Вып. 4. 52 с.

ЛЕКЦИЯ 3

ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Горфинкель Борис Исаакович, д.т.н., профессор — окончил Московский энергетический институт (МЭИ) в 1948 году, к.т.н. с 1967года, д.т.н. с 1989 года, профессор с 1991 года, лауреат Государственной премии СССР 1983 года, залуженный деятель науки РФ с 2003 года, имеет 170 научных трудов и изобретений. Работает заместителем директора ФГУП «НИИ «Волга» по научной работы.

XX век стал временем коренных изменений в жизни человечества. Следовавшие одна за другой научно-технические революции привели к созданию постиндустриального общества, к созданию глобальных государственных образований с интегрированной экономикой, к фантастическому повышению производительности труда и, как следствие, к резкому повышению качества жизни в развитых странах.

В наши задачи не входит анализ конкретных событий, ответственных за указанные изменения, мы не предполагаем оценивать влияние общественно-политических движений, культурных достижений, философских аспектов развития человечества.

Рассматривая пути развития научно-технических достижений в последнее десятилетие девятнадцатого и в двадцатом веках, мы можем констатировать, что решающее влияние на создание современного постиндустриального общества оказало рождение электроники — науки и промышленности, преобразивших мир.

В самом деле, в это время последовательно появились в распоряжении человечества радио, телевидение, радиолокация, фундаментальные методы исследований, позволившие реализовать грандиозные достижения в медицине, физике, биологии, материаловедении, аэрокосмической области, в автоматизированных системах управления различными областями человеческой деятельности, в вычислительной технике, в создании массовых ЭВМ, массовых телекоммуникаций и, в конечном счете, создании информационного общества.

Современная электроника базируется практически на трех важнейших событиях, положивших начало развитию этой области человеческой деятельности.

Так, в 1883 г. Эдисон открыл эффект электронной эмиссии. Эдисон открыл названный его именем эффект, пытаясь продлить срок службы созданной им ранее осветительной лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического электрода, При этом он обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода.

Тем не менее, с 1883 по 1904 г. не только Эдисон, но и никто другой не догадались использовать указанный эффект для создания электронной вакуумной лампы, способной детектировать и усиливать электрические сигналы. Возможно, к этому не было достаточных побудительных мотивов.

В 1886 г. А. С. Попов и итальянец Маркони независимо друг от друга передали по радио на дальние расстояния телеграфные сигналы. К началу XX века стала очевидной необходимость создания для радио хорошего усилителя.

Если первым шагом в создании такого усилителя было открытие эффекта Эдисона, то вторым стало изобретение Флемингом в 1904 г. вакуумного диода. Как точечный кристаллический детектор он выпрямлял радиочастотные сигналы, но не был в состоянии их усилить.

Третий шаг в создании усилителя был осуществлен Ли де Форестом. В 1906 г. он подал заявку на выдачу патента на трехэлектродную вакуумную лампу. Эта лампа была аналогична лампе Флеминга, за исключением весьма важной особенности — она содержала управляющую сетку между нитью накала и анодом.

Первые приборы имели низкое усиление. Необходимы были дополнительные решения, чтобы превратить их в полезный усилитель. На это ушло шесть лет, и тогда действительно началась эпоха радио и современной электроники.

Этим новым решением было создание регенеративной схемы. Она представляла не только ожидаемый всеми чувствительный приемник, но, кроме того, была также первым немеханическим генератором чистых непрерывных синусоидальных сигналов.

Регенерация, или положительная обратная связь, заключалась в передаче части сигнала с анода обратно на сетку для повышения усиления триода. Очевидно, что при достаточной обратной связи усилитель превращался в генератор. В 1915 г. между Нью-Йорком и Сан-Франциско была организована трансконтинентальная телефонная связь с применением регенеративных ретрансляторов, а позже был осуществлен эксперимент, когда речевые сигналы успешно передавались из Арлингтона (штат Виргиния) в Париж. Экспериментальная система использовала регенеративную схему как в передатчике, так и в приемнике.

С этого момента радиотехника стала стремительно развиваться. Супергетеродин, радионавигация, триггерная схема — все это только часть изобретений, сделанных в начале пути.

Вакуумные лампы с теоретической точки зрения были изучены вполне достаточно, чтобы служить трамплином для развития радио. Триод с высоким усилением был полностью разработан в 1927 г. главным образом благодаря вкладу Лангмюра, предсказавшего, что, заключив лампу в колбу с высоким вакуумом, можно добиться лучших технических характеристик.

Приблизительно тогда же была разработана четырехэлектродная лампа — тетрод. Достигнутое в тетроде повышение коэффициента усиления позволило улучшить чувствительность приемника.

В 1929—30 гг. были созданы приемные маломощные радиочастотные пентоды, в которых снижены эффекты вторичной эмиссии электронов с анода, влияющие на работу тетрода. В результате была получена лампа с очень высоким коэффициентом усиления, большим анодным сопротивлением и равномерной характеристикой. В мощных лампах пентодная конструкция позволила обеспечить высокую выходную мощность при большом выделении энергии в анодной цепи и без чрезмерных искажений. Тетрод и пентод с переменной крутизной снизили в приемниках уровень перекрестной модуляции, а также уменьшили число деталей, требующихся для схем автоматической регулировки усиления.

Когда приобрела популярность радиосвязь, стало ясно, что метровый диапазон радиоспектра будет вскоре полностью «забит». Крупнейшие изготовители радиоламп развернули работы по трем направлениям одновременно. Исследователи стремились улучшить функциональные свойства ламп, разработать новые типы и повысить их верхний частотный предел.

Результатом этих работ явилось создание приемно-усилительных ламп в металлических корпусах в миниатюрном и сверхминиатюрном оформлении, многофункциональных ламп смесителей и преобразователей сигнала гексода, гептода и пентагрида, радиоламп в металлостеклянных и металлокерамических корпусах с сеточным управлением СВЧ диапазона.

На рис. 3.1, 3.2, 3.3 представлены виды внешнего конструктивного оформления и разработанных в конечном счете основных классов приемно-усилительных, генераторных ламп и ламп с сеточным управлением с СВЧ диапазона.

На рис. 3.4 показан внутренний вид пентода в металлическом баллоне, на рис. 3.5 — разрез «маячковой» лампы СВЧ диапазона, на рис. 3.6 — поперечное сечение пентагрида.

В этот период велись также интенсивные работы в области телевидения. Владимир Зворыкин в 1929 г. продемонстрировал телевизионный приемник на базе разработанной им электрон но-лучевой трубки — кинескопа, а в 1931 г. он вместе со своим персоналом разработал усовершенствованную передающую телевизионную трубку, иконоскоп, тем самым став создателем основных передающих и приемных элементов современного телевидения (рис. 3.7, рис. 3.8).

На базе электровакуумных приборов, начало которым положила вакуумная лампа, к сороковым годам, практически к началу Второй мировой войны, были разработаны первые радиолокаторы и созданы основы для появления в будущем электронно-вычислительных машин. Так, к концу 1936 г. в Англии была построена цепь из пяти РЛС, разнесенных на 40 км друг от друга. Эта цепь впоследствии сыграла решающую роль в битве за Британию, в ходе которой истребители британских ВВС наводились на германские самолеты по данным радиолокационного наблюдения.

Радиолокация почти внезапно перешла от ранней стадии развития к периоду зрелости. Усовершенствована была и гидролокация. Военно-морские силы союзников использовали ее для обнаружения погруженных немецких подводных лодок. Миниатюризация позволила разместить схемы в небольших пространствах и создать малогабаритную самолетную и ранцевую аппаратуру. Она же положила начало созданию радиовзрывателей, которые

обеспечили зенитной артиллерии, а также минометным и артиллерийским батареям союзников значительное преимущество в поражении целей.

Вторая мировая война была войной, в которой электроника сыграла существенную роль и она же впоследствии оказала феноменальное влияние на промышленность.

Одним из крупнейших достижений исследований и разработок времен Второй мировой войны явилось то, что они проложили путь к миниатюризации, которая надолго вошла в электронную промышленность. Раньше в этом направлении тоже предпринимались попытки. Однако именно усилия военного времени, направленные на разработку радиовзрывателей, позволили создать предпосылки для нынешней эры интегральных схем.

Радиовзрыватель работал с использованием электроники. Он содержал миниатюрный приемопередатчик, который излучал хорошо направленный

пучок ВЧ-энергии на цель и детонировал при получении сильного отражения от цели. Такие взрыватели использовались в артиллерийских снарядах, минах, ракетах и бомбах.

Главная проблема здесь заключалась в создании миниатюрного приемопередатчика, способного выдерживать ударные нагрузки при выстреле из орудия. Что касается приемных ламп, то к этому времени были созданы конструкции, работавшие непосредственно от аккумуляторной батареи, предназначенные для самолетной аппаратуры. Были созданы упрочненные конструкции такой лампы, способные выдерживать вибрацию и удары с ускорением до 500 g. (Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы на рис. 3.1.) Однако разработчики радиовзрывателей обратились к субминиатюрным лампам, предназначенным для слуховых аппаратов, и, в конце концов, такая лампа с номинальной ударопрочностью 20000 g стала основной частью радиовзрывателя. (Сверхминиатюрная лампа с названием «рисовое зерно» на рис. 3.1; лампа, обозначенная индексом «к»).

Радиовзрыватели, которые во время войны были изготовлены в количестве более 10 млн штук, сыграли решающую роль в защите Лондона и других английских городов от немецких бомбардировок.

К счастью для союзников, немцы, хотя и проводили исследования по созданию радиовзрывателей еще до войны, не смогли создать достаточно прочных субминиатюрных ламп.

Для союзных войск были созданы два типа взрывателей: взрыватель с ветряным генератором и взрыватель с батарейным питанием. Взрыватели с ветряным генератором применялись на самолетах, ракетах и бомбах. Взрыватели с батарейным питанием устанавливались в зенитных артиллерийских снарядах.

Следует отметить, что главные успехи в радиолокации были достигнуты, как и ранее в системах радиовещания и телевидения, благодаря новым электронным приборам.

Для применения в радиолокации были радикально усовершенствованы вакуумные лампы.

Развитие радиолокации в значительной степени связано с созданием множества СВЧ электровакуумных приборов, которые и до настоящего времени являются основой формирования различного рода радиолокационных систем.

Электровакуумные приборы СВЧ диапазона предназначены для усиления и генерирования когерентных электромагнитных колебаний. Они делятся на два класса: приборы с сеточным управлением и специальные приборы с длительным взаимодействием электронов с СВЧ полем.

Впервые в России в 1920 г. Зилитинкевичем были обнаружены при положительном потенциале на сетке и отрицательном аноде когерентные СВЧ колебания. Примерно в это же время в Германии Боргаузеном был обнаружен такой же эффект. Режим работы ламп в схеме тормозящего поля открыл широкие перспективы получения незатухающих СВЧ-колебаний.

В 1938—39 гг. были разработаны новые типы металлостеклянных триодов (рис. 3.5) и коаксиальных генераторов на них, обеспечивших полное перекрытие дециметрового диапазона длин волн. Триоды представляли со-бой системы с плоскопараллельными электродами. Выводы от электродов делались в виде развитых металлических поверхностей, представляющих собой диски или отрезки цилиндров с очень малыми индуктивностями и сопротивлениями. Конструктивно лампы были выполнены таким образом, чтобы они удобно сочленялись с коаксиальными колебательными системами. В дальнейшем (50-е годы) после освоения металлокерамической технологии триоды с плоскопараллельными электродами продвинулись в сантиметровый диапазон.

Второй тип — это приборы с длительным взаимодействием электронов с СВЧ полем.

К таким приборам относятся клистроны, лампы обратной (ЛОВ) и бегущей волн (ЛБВ).

Основополагающими в создании клистронов были экспериментальные и теоретические исследования по обеспечению границы пространственно-временной группировки в потоке модулированных по скорости электронов.

В России на основе указанного принципа в 1939—1940 гг. были разработаны первые прямопролетные, металлические клистроны (Н.Д. Девятков, Е.Н. Данильцев). В эти же годы в США были созданы прямопролетные клистроны на фирме «Вариан». Наши клистроны отдавали полезную мощность 20...100 Вт в непрерывном режиме при длине генерируемой волны 15 см. 1С тому же времени относятся работы Ю.А. Кацмана и его сотрудников по разработке прямопролетных клистронов в 10-сантиметрвом диапазоне длин волн.

В 50-е годы началось быстрое развитие приборов этого класса. К середине 50-х годов были заложены основы для создания отечественных усилительных многоконтурных клистронов в широком диапазоне длин волн — от коротковолновой части сантиметрового диапазона до дециметровых волн, на уровне мощности от единиц ватт (в непрерывном режиме) до десятков мегаватт (в импульсном режиме). На рис. 3.9 представлен внутренний вид двухрезонаторного клистрона.

В начале 60-х годов первый в мире широкополосный многолучевой клистрон с большой энергией в импульсе был создан под руководством С.А. Зусмановского. Определяющую роль в широком развитии направления многолучевых приборов сыграли работы СВ. Королева. Были созданы малогабаритные многолучевые клистроны в различных диапазонах частот и различного назначения, обладающие уникальной совокупностью параметров: большой выходной мощностью (20...500 кВт), широкой полосой рабочих частот, низким питающим напряжением (12...35 кВ), низким уровнем шумов (до —130 дБ/Гц).

Нашей стране принадлежит приоритет в разработке основных принципов работы и конструкции отражательного клистрона, который был предложен в 1940 г. Н.Д. Девятковым, Е.Н. Данильцевым и И. В. Пискуновым и независимо от них В.Ф. Коваленко. Основное развитие промышленных типов отражательных клистронов началось после Второй мировой войны. За весь период, прошедший после изобретения отражательного клистрона, как в России, так и за рубежом разработано большое количество типов

приборов этого класса. Они перекрывают весь диапазон от миллиметровых волн до длинноволновой части дециметрового диапазона.

В начале 50-х годов созданные в России первые промышленные ЛЕВ превосходили по своим параметрам известные в то время зарубежные образцы. Разработанные ЛБВ перекрывали сантиметровый и коротковолновую часть дециметрового диапазонов.

В последующие годы был сделан значительный вклад в совершенствование входных ЛБВ. В. А. Афанасьев и его сотрудники создали оригинальные сверхмалошумящие ЛБВ с ленточным электронным лучом. По величине шумфактора они были лучшие в мире.

Крупный шаг в развитии магнетронных генераторов был сделан в 1936— 1937 гг. Н.Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым был предложен совершенно новый тип магнетронного генератора — так называемый многорезонаторный магнетрон. Этот тип магнетронов стал родоначальником магнетронов, создаваемых в России и за рубежом. На рис. 3.10 показаны различные формы резисторов магнетронов. На рис. 3.11 представлена схема отбора энергии из резонаторного блока.

В 1960—1970 гг. был разработан и освоен в производстве оригинальный СВЧ прибор — волновой усилительный магнетрон. Он позволил в 10 раз увеличить выходную мощность, вплоть до 100 МВт в импульсе, и расширить полосу усиливаемых частот.

Особо важную роль в СВЧ электронике сыграли лампы обратной волны (ЛОВ) при освоении миллиметрового диапазона длин волн. Решение задачи было достигнуто за счет увеличения пространств взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем.

Одним из путей увеличения пространства взаимодействия было использование  пространственного  развития  структур.   Одной  из  первых

в этом направлении была работа А. С. Тагера, который в 1957 г. совместно со своими сотрудниками создал многоразрядную ЛОВ. Впоследствии под руководством М. Б. Голанта были созданы промышленные типы ЛОВ с пространственно развитыми мелкоструктурными элементами, перекрывающими миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны.

К настоящему времени ЛОВ перекрывают диапазон частот до 1500 ГГц и экспериментально доказали возможность достижения 3000 ГГц.

Широкое наступление эры электронных вычислительных машин началось с введения в строй в США в 1946 г. первой в мире ЭВМ «Эниак».

Материалы тех дней относительно этой машины являются напоминанием о том, насколько громоздким был этот компьютер: в нем использовалось 18000 вакуумных ламп, занимал он помещение размером 9x15 м, весил 30 т и потреблял мощность 150 кВт. Машина работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла операцию сложения сложения 0,2 мс, а умножение

занимало около 2,8 мс, что было примерно в тысячу раз быстрее, чем это могли делать электромеханические машины тех дней.

Это был первый опыт. Эра ЭВМ получила широчайшее развитие лишь после появления транзисторов, а затем микросхем.

Завершая рассмотрение вопросов развития электроники до наступления транзисторной эры, мы остановимся вкратце на становлении и развитии этой отрасли в нашей стране.

Выше мы говорили, при описании СВЧ ламп, о вкладе наших ученых в создание этого и в настоящее время важнейшего направления электронной техники.

Отечественная электровакуумная промышленность начала создаваться лишь после Октябрьской революции. Работы, начатые в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории позволили производить генераторные лампы до 1 кВт, а в 1923 г. — лампы на 25 кВт с водяным охлаждением, в то время — самые мощные в мире. В 1933—1934 гг. А. Л Минцем и Н.Н. Огановым были созданы первые разборные мощные генераторные лампы. Идея подогревного катода для приемно-усилительных ламп была предложена А. А. Чернышевым. Большой вклад в создание катодов для этих ламп был сделан А. А. Шапошниковым и С. А. Векшинским. Из теоретических работ следует отметить работы С. А. Богуславского в 1924 г. по токопрохождению в диоде, а затем работы Г.А. Гринберга, B.C. Лукошкова и многих других ученых.

В сороковые-восьмидесятые годы XX века в Советском Союзе была создана мощная радиоэлектронная промышленность.

Многие НИИ, КБ и заводы занимались разработкой и созданием приемно-усилительных ламп.

Применение электронных ламп в самых разнообразных условиях работы — как климатического характера (начиная с Дальнего Севера и кончая тропиками), так и по назначению аппаратуры (начиная со стационарных установок и кончая бортовыми приборами для ракет и космических исследований) — заставляло предъявлять к электронным лампам чрезвычайно жесткие и разнообразные требования, прежде всего отражающиеся на их конструктивном оформлении. Основные из этих требований: механическая прочность, возможно меньшие габариты и вес при заданных параметрах, эксплуатационная надежность лампы, ее экономичность, устойчивость параметров в течение всего времени работы, возможно меньший разброс их по параметрам и, наконец, возможно большая долговечность.

Первые два требования привели к разработке серий миниатюрных ламп, успешно конкурировавших со стеклянными и металлическими лампами обычных габаритов. Были разработаны также и серии сверхминиатюрных ламп.

Осуществление же таких требований, как устойчивость работы и взаимозаменяемость, стало возможным лишь в условиях массового производства с его точным, механизированным изготовлением деталей ламп и нормализованной технологией. Массовость производства способствовала также накоплению огромного опыта на основе исследования работы ламп, что привело к возможности получения ламп с большой долговечностью.

Если ранее долговечность ламп в пределах 1000—1500 ч в большинстве случаев считалась удовлетворительной, то в шестидесятые годы XX столетия минимальная долговечность ламп, применяемых в аппаратуре того времени, составляла 10000—20000 ч.

В качестве примера можно упомянуть ретрансляции на линиях дальней связи, радиолокационные установки со многими сотнями ламп в одном комплекте аппаратуры. Были созданы серии миниатюрных приемно-усилительных ламп с долговечностью 10000 ч при надежности 99,9%.

В 1948 г. в Bell Telephan Lab (USA) выдающимися инженерами и учеными В. Шокли, Д. Бардиным и У. Братейном был создан полупроводниковый транзистор. На смену вакуумной электроники пришла эра полупроводниковой микроэлектроники.

Однако для реализации широчайших возможностей микроэлектроники и глобальной замены вакуумной лампы на транзистор понадобилось время.

Еще в 1961—65 гг. в мире продолжался выпуск радиоламп. В 1962 г. в США было выпущено 500 млн. приемно-усилительных ламп, происходило наращивание их производства.

В СССР развивались существующие ламповые заводы и создавались новые. В 1962 г. в стране была создана крупная серия приемно-усилительных унифицированных ламп для радиоприемников и телевизоров. Лампы выпускались многомиллионными тиражами. Лишь на Саратовском заводе приемно-усилительных ламп в середине шестидесятых годов выпускались более 50 млн миниатюрных ламп в год.

Лишь к концу 60-х годов прекратились разработки аппаратуры на приемно-усилительных лампах да и разработка самих ламп.

К настоящему времени созданы полупроводниковые приборы, функционально решающие практически все задачи, которые в свое время были решены приемно-усилительными лампами и в значительной мере лампами СВЧ диапазона и ЭЛТ.

Интегральные схемы, содержащие в одном кристалле десятки, сотни, а затем в больших интегральных схемах (БИС) тысячи и в конечном счете миллионы активных элементов, принципиально изменили ситуацию в электронике.

Появление больших интегральных схем в начале семидесятых годов XX столетия сделало возможным создание многих поколений новых приборов — электронных калькуляторов и часов, бесконечного количества измерительных блоков и мониторов компьютеров, от сверхбольших до персональных, сотовых телефонов, автоматизированных систем учета и управления в народном хозяйстве и военной технике, плоских, в том числе и крупноформатных телевизоров.

Большинство из этих приборов оказалось возможным создать вследствие появления практически одновременно с БИС низковольтных, легко сопрягаемых с микросхемами средств отображения информации. Это были первые поколения плоскопанельных дисплеев (Flat Panel Display — FPD).

С начала семидесятых годов в мире сформировалась промышленность производства плоскопанельных дисплеев, выпускающая ежегодно многие миллионы приборов.

Создание массового производства транзисторов и интегральных микросхем и плоскопанельных индикаторов и дисплеев привело к грандиозным изменениям в радиоэлектронике. Колоссальный рост производительности труда при изготовлении приборов, минимальный уровень их материале- 1 емкости, высокая надежность и долговечность в эксплуатации позволили создать основы современного информационного общества.

В то же время вакуумная электроника не исчезла, она перешла на другой фундаментальный научно-технический уровень развития. Появилась вакуумная микроэлектроника.

В 1988 г. в Вилнамсбурге (США) состоялась первая международная конференция по вакуумной микроэлектронике.

Основной доклад на конференции сделал Айвор Броди — один из основоположников этого направления. По мнению Броди, вакуумная микроэлектроника приобрела огромное значение благодаря двум факторам общего характера:

1)    возросли требования, которым уже не могут удовлетворить твердотельные приборы, даже после огромных исследовательских затрат, и, кроме того

2)    специалисты пришли к выводу, что отнюдь не будет непрактичным делать вакуумные лампы микронных и субмикронных размеров.

Как же развивалась вакуумная микроэлектроника? Можно выделить два направления работ, обеспечивших появление вакуумной микроэлектроники и приведения к ее сегодняшнему состоянию.

Это, во-первых, исследования вакуумного пробоя. В начале 20-х годов прошлого столетия пробой заявил о себе в периодических срывах трансатлантических радиопередач, осуществляемых с помощью высокомощных ламп Маркони. Госслинг, работавший у Маркони, исследовал этот эффект и в 1926 г. опубликовал работу, в которой высказал гипотезу, что пробой вызывается электронами, эмитируемыми с выпуклостей на вольфрамовом стержневом катоде. Эти выпуклые неоднородности взрывались, вызывая пробой. Анализ полученных результатов и дальнейшие исследования привели в конечном счете к уравнению Фаулера — Нордгейма. Открытие того, что электроны могут вылетать с холодных катодов под действием электрических полей с высокой напряженностью, вызвало множество проектов приборов, но прошло более сорока лет прежде, чем что-то получилось.

Второй путь к вакуумной микроэлектронике связан с удивительным совершенствованием технологии за последние 20 лет: «... четверть микрона сейчас также обычна, как десять микрон двадцать лет назад».

Оказалось, что оборудование и технологии, разработанные для интегральных схем (нанесение тонких пленок, химическое и плазменное травление; оптическая, электронная, рентгеновская литография) пригодны для изготовления вакуумных микроэлектронных приборов.

Открылась новая эра вакуумных электронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией. Эти новые приборы обладают сверхвысоким быстродействием (субпикосекундным), высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и весьма большим КПД. Приборы вакуумной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диапазона длин волн, в системах непосредственного телевизионного вещания со спутников с использованием тридцатисантиметровых антенн и менее, в РЛС, телефонных системах сотовой связи и т. п.

Интересным бытовым применением вакуумной микроэлектроники является разработка плоских панельных дисплеев, обеспечивающих изображение высокого качества и высокой яркости (в том числе и для цветного телевидения). В частности, на конференции в Вильямсбурге в докладе Холланда и Спиндта было сообщено о разработке вакуумного катодолюминесцентного экрана с холодным катодом Спиндта.

В тонком катодолюминесцентном цветном дисплее (рис. 3.12.1) используется матрично адресуемая группа автоэмиссионных острий для каждого цветного элемента индикатора. Электроны с острий фокусируются на близко расположенном люминофоре цветного элемента (разрешающая способность индикатора — около 40 линий/см, сторона панели — 8,3 см, толщина — 4 мм). Обсуждалась также и возможность создания телевизионных экранов больших размеров.

Каждый элемент индикатора представляет собой микротриод с автоэлектронным катодом, управляющим электродом и анодом.

При использовании указанного элемента в качестве ячейки катодолюминесцентного экрана анод покрывается люминофором.

К настоящему времени существует пять базовых конструкций автоэлектронных микрокатодов:

•    острийные (рис. 3.12, 3.13);

•    лезвийные (рис. 3.14),

• торцевые тонкопленочные (рис. 3.15, 3.16);

• нанотрубочные (рис. 3.17);

• поверхностные (рис. 3.18).

При создании приборов вакуумной электроники такие микротриоды используются в качестве элементов вакуумной интегральной схемы или вакуумного прибора с микроэлектронными катодами.

Одно из важнейших направлений в развитии СВЧ электроники в наступающем тысячелетии принадлежит вакуумной микроэлектронике и вакуумным интегральным схемам (ВИС), создаваемым на ее основе. Это обусловлено рядом принципиальных моментов.

Функциональные возможности радиолокационных комплексов, телекоммуникационных устройств и систем обработки информации на СВЧ интегральных схемах будут принципиально отличаться от возможностей существующих интегральных схем. Прежде всего, они связаны с возможностью в условиях экстремальных воздействий окружающей среды обеспечивать в ВИС высоконадежную передачу, прием, хранение и обработку в реальном масштабе времени очень больших по объему потоков информации. Такое утверждение основано на том, что в последние годы стало ясно — на традиционном пути развития полупроводниковых устройств эти

вопросы в полном объеме не могут быть решены. Поэтому значительная часть радиоэлектронной СВЧ аппаратуры будущего, к которой предъявляются повышенные требования, должна создаваться на основе СВЧ ВИС. Именно по этой причине в последние десятилетия и особенно в настоящее время практически во всех ведущих странах мира проводятся интенсивные работы, направленные на изучение и решение прежде всего фундаментальных проблем вакуумной микроэлектроники как основы всего этого направления.

К важнейшим из них относится проблема получения свободных электронов в вакууме, вопросы управления интенсивными потоками электронов и их взаимодействия с электромагнитными полями в малых объемах. Только их решение позволит подойти к созданию новых высокоэффективных эмиссионных материалов для высокостабильных автоэмиссионных катодов, формированию интенсивных микропотоков электронов и созданию микроминиатюрных активных электронных СВЧ устройств. К настоящему времени эти вопросы достаточно успешно решаются, В комплексе с ними рассматриваются возможности построения принципиально новых ВИС для обработки радиоимпульсной информации в диапазоне СВЧ, а также миниатюрных СВЧ приборов средней мощности для ВИС. По всем перечисленным моментам сейчас уже имеются значительные достижения.

В последние несколько лет все большее внимание уделяется вакуумной наноэлектронике, использующей автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок (рис. 3.17).

Вначале усилия были направлены на их применение в плоских экранах, однако позднее появились сообщения об их использовании в наноприборах — аналогах вакуумных ламп. При этом разработана планарная конструкция, позволяющая реализовать большую степень интеграции. Оценки показывают, что при нормах проектирования 20 нм плотность элементов в ЗУ может достигать 10^ю—10" см"². Большое быстродействие (до гигагерца), широкий диапазон температур (< 300 °С) и ожидаемая стойкость к спецвоздействиям открывают широкую дорогу этим приборам для двойного применения. Серьезные усилия будут направлены на создание плоских экранов повышенной яркости любых размеров и конфигураций — проекционных экранов, табло, дисплеев, очков-экранов. При этом предполагается существенное снижение потребляемой мощности. Наиболее перспективные направления — лазерные и светодиодные матрицы для

проекционных экранов и автоэмиссионные катоды для плоских экранов любой сложности.

Интенсивные разработки в области новой технологии ведут многие компании, например, Motorola, которая за 15 лет исследований в области углеродных нанотрубок (CNT) и плоских дисплеев полевой эмиссией (FED) получила 160 патентов. В мае 2005 г. компания сообщила о создании прототипа дисплея на базе CNT, который «окрестила» (NED) Nano Emissive Flat Screen Display). Прототип представляет собой 5-дюймовый фрагмент 42-дюймового дисплея с разрешением 1280x720 и соотношением сторон 16:9, который компания собирается производить серийно. Толщина панели 3,3 мм. Samsung недавно продемонстрировал свой прототип дисплея на базе нанотрубок, но уже телевизионного размера. В своих разработках корпорация сотрудничает с американской компанией Carbon Nanotechnologies, Inc. (CNI), которая поставляет ей углеродные нанотрубки. Samsung собиралась в конце 2006 г. начать выпуск телевизоров на основе новой технологии.

Необходимо отметить, что работы по созданию дисплеев с полевой эмиссией ведутся и в нашей стране, в НИИ «Волга» (г. Саратов). Институт разработал действующие образцы FED, в основе которых плоские катоды с микроструктурой, полученной методом осаждения тонких углеродных пленок с последующей фотолитографией. На эти конструкции НИИ «Волга» получен ряд патентов: Патент РФ № 215266 от 10.07.2000 г. и Патент США № 6590320 от 08.07.2003 г.; Патент РФ № 22178637 от 27.11.2003 г. и Патент США № 6614199 от 02.09.2002 г.

Японские компании Toshiba и Cannon совместно добились существенных успехов и подошли вплотную к созданию полноценного дисплея, который они назвали SED (Surface-conduction electron-emitter display). Этой же аббревиатурой названа новая совместная фирма, созданная компаниями в сентябре 2004 г. для организации массового выпуска плоскопанельных телевизоров на базе новой технологии. Предполагается, что к концу 2007 г. фирма будет выпускать более 70000 SED панелей в год.

Источником электронов в SED панели является поверхность тонкой пленки окиси палладия со специальной микроструктурой, в чем-то подобной структуре, созданной в 1972 году в НИИ «Волга», эмитирующей электронный поток для каждого пикселя.

Открытие возникновения эмиссионного тока при прохождении электрического тока через тонкие металлические пленки с островной структурой толщиной несколько десятков ангстрем, обусловленное тем, что часть электронов, осуществляющих перенос зарядов между металлическими островками в пленке, имеет компоненту скорости, направленную перпендикулярно к поверхности пленки, было сделано сотрудниками АН УССР в 1963 году.

Авторские свидетельства на автоэлектронные катоды на этом эффекте были получены НИИ «Волга» в 1972 (№ 529688) и 1977 (№ 654023) годах.

О серьезности намерений и успехах в освоении новой технологии свидетельствует недавнее решение партнеров о строительстве в Японии второго завода по производству панелей на базе SED технологии, в который было инвестировано в мае 2005 года 1,7 млрд. долларов. Предприятие должно начать выпуск продукции в январе 2007 года, и это будут 50-дюймовые панели. Расчетная производительность завода — 15000 штук в месяц.

Кроме упомянутых фирм исследованиями и разработками в области FED занимаются: в Японии — Sony, Mitsubishi Electric, Hitachi, Asahi, Noritake, Futaba; в Южной Корее — LG Electronics; на Тайване — Delta Optoelectronics.

Каковы же причины многолетних усилий ученых и разработчиков по совершенствованию FED и огромных инвестиций в освоение их серийного производства? Новые дисплеи практически по всем основным характеристикам должны превосходить существующие плоские панели: по яркости, по уровню собственного контраста, по цветопередаче. Энергопотребление у них в два раза меньше, чем у плазменных панелей и в 1,5 раза меньше жидкокристаллических. Они имеют малое время отклика пикселя (около 2 мс), небольшой вес и малую толщину панели.

Японское министерство экономики, торговли и промышленности еще в мае 2004 г. сделало прогноз, что в 2010 г. рынок дисплеев с полевой эмиссией (FED) будет оцениваться от 500 миллионов до 2,4 триллионов долларов США. Согласно тем же прогнозам, стоимость 42-дюймовой FED панели будет примерно 450 долларов, плазменная панель будет стоить 680 долларов.

На протяжении всей долгой истории создания и совершенствования электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) разработчики задавались вопросом, как уменьшить ее размеры, сделать плоской, а заодно избавиться от других присущих ей недостатков, сохранив при этом достоинства. С развитием микроэлектроники проблема становилась все острее, поскольку объем элементов электроники в телевизионном приемнике оказался настолько мал, что он совершенно не влиял на внешние размеры телевизора, которые определяла электронно-лучевая трубка.

Проблема появления дисплея, пространственно и энергетически сопрягаемого с интегральными микросхемами, наилучшим образом решается путем создания плоского катодолюминесцентного экрана с автоэлектронным наноструктурированным катодом.

Вакуумная микроэлектроника (наноэлектроника) позволяет создать принципиально новые вакуумные лампы СВЧ диапазона и принципиально новые, высокоэффективные, плоские катодолюминесцентные дисплеи.

Эти фундаментальные решения создают пути дальнейшего развития мирового информационного сообщества.