Термин электронная лампа применяется, вообще говоря, к электрической разрядной трубке любого типа, в которой один или несколько накаленных электродов испускают электрические заряды вследствие термионной эмиссии. Однако, чаще всего под этим термином подразумевают высоковакуумную лампу, в которой электрический ток создается электронами, испускаемыми нагретой поверхностью, так называемым, катодом и собираемыми одним или несколькими холодными металлическими электродами, находящимися под положительным, по отношению к катоду, напряжением.

В зависимости от типа лампы для нагревания катода (обычно устроенного в виде тонкой нити) до соответствующей температуры требуется источник напряжения от 1 до 20 в, а иногда и больше. Но практически, во всех случаях эта разность потенциалов между концами катода (нити) всегда мала по сравнению с напряжением между катодом и собирающим электродом, так что для простоты можно считать, что вся нить находится под одинаковым потенциалом. В некоторых приемных лампах катод нагревается теплом, излучаемым специальным подогревателем, который в свою очередь накаливается электрическим током. В этом случае весь излучающий электроны катод действительно находится под одним и тем же потенциалом. Электронная лампа со своим катодом, излучающим электроны, и собирающими электродами образует электрическую цепь или ряд цепей и именно особенности и замечательные свойства ее, как электрической цепи, обусловливают важные применения электронной лампы.

Прежде всего электронная лампа ведет себя отлично от обычных электрических проводников в том смысле, что электронный ток, протекающий от нити к любому собирающему электроду, вообще говоря, не пропорционален напряжению между нитью и этим электродом.

в двухэлектродной лампе или диоде накаленная нить служит одним электродом, а другим является сплошной анод, обычно окружающий нить. Так как для нагрева нити требуются два вывода, то такая лампа имеет всего три вывода. При данной температуре нити электронный ток в цепи анода определяется напряжением между анодом и нитью. Увеличивая это напряжение до определенной величины, мы достигаем максимального значения электронного тока, так называемого тока насыщения. При этих условиях все электроны, излучаемые нитью, попадают на анод, так что дальнейшее увеличение напряжениямежду анодом и нитью не вызывает дальнейшего увеличения силы анодного тока. В тех случаях, когда электронный ток, попадающий на собирающий электрод, меньше тока насыщения (что обычно имеет место во время работы лампы), это происходит вследствие того, что остальная часть электронов возвращается обратно к нити.

В трехэлектродных лампах или триодах, кроме нити, имеется еще два электрода, так что в них необходимо иметь четыре вывода наружу. Триод отличается от диода наличием электрода с отверстиями или сетки, расположенной обычно между нитью и анодом. Изменяя напряжение на сетке, мы можем регулировать электронный ток, проходящий от нити через отверстия в сетке к аноду. Эта возможность составляет одно из наиболее важных свойств триода. До недавнего времени для целей радиоприема, обычно, пользовались трехэлектродными лампами, однако, в последнее время широкое применение получили многоэлектродные лампы (напр. тетроды и пентоды). Так как принцип действия этих ламп тот же, что и трехэлектродных и во всех случаях существенное преимущество каждого отдельного типа заключается в возможности лучше управлять электронным током при помощи напряжения на <управляющей> сетке, то эти лампы можно рассматривать как видоизменение трехэлектродных ламп.

Во всех случаях поведение электронной лампы описывается статическими характеристиками, выражающими зависимость токов через собирающие электроды от напряжений этих электродов по отношению к нити. Так, например, в случае диода статическая характеристика выражает соотношение между напряжением, приложенным между нитью и анодом, и электронным током через анод. Такая характеристика дает нам необходимые для практических целей сведения о лампе. В случае трехэлектродной лампы мы имеем два типа статических характеристик: а) первый тип - дает зависимость токов через оба собираю-

щих электрода от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении и Ь) второй - зависимость обоих to-ков от анодного напряжения при постоянном напряжении на сетке.

Другим очень важным свойством высоковакуумной электронной лампы, как электрического проводника, является практически мгновенное изменение силы тока при изменении приложенных напряжений, так что статическая характеристика достаточно точно описывает поведение лампы при быстро меняющихся напряжениях на ее электродах. Однако, если подавать на лампу переменные напряжения очень высокой частоты, то время, потребное для пробега электронов от нити к аноду, уже нельзя считать малым по отношению к периоду внешнего воздействия и изменение анодного тока под действием приложенного напряжения не может рассматриваться как мгновенное.* В то же время необходимо помнить, что электронная лампа не является чисто омическим проводником, так как электроды образуют конденсаторы, хотя и очень малой емкости, но которая при радиочастоте все же играет существенну!® роль. Наибольшие трудности на пути возможно более полного использования свойств электронной лампы возникают именно вследствие существования этих емкостей.

Из всего сказанного выше следует, что изучение электронных ламп и их применения удобнее всего вести в следующих двух направлениях. В каждом отдельном случае при рассмотрении того или иного типа лампы мы можем начать с описания принципа действия ее, и затем попытаться объяснить природу ее статических характеристик, исходя из известных физических законов. Во-вторых, при рассмотрении применений данной лампы мы можем попытаться объяснить поведение ее в каждом отдельном случае свойствами ее, вытекающими из ее статических характеристик. В следующих главах автор будет по возможности придерживаться такого расположения материала.

* Однако, это обстоятельство начинает играть роль лишь при частотах, выше 10 гц.

Глава I

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Термионная эмиссия. Испускание электрических зарядов; накаленным телом (напр. нитью электронной лампы) было впервые тщательно исследовано Ричардсоном, который на основании принципов кинетической теории показал, что электронный поток на квадратный сантиметр накаленной поверхности, (i) т. е. плотность тока эмиссии в зависимости от температуры поверхности (Г), может быть выражен так:

1 = аТе , (1. 1)

где а и b суть константы, зависящие от материала катода. Позднее, на основании термодинамических рассуждений, Ричардсон получил уравнение несколько иного вида, а именно:

г = ЛГг , (1.2)

где А и константы. Это последнее уравнение получило в общем большее признание и в связи с ним Дэшмэн привел некоторые доводы, заставляющие предполагать, что величина А должна быть универсальной постоянной равной

60,2 g-; хград время как должна зависеть от

структуры излучающего материала (т. е. от структуры либо металла самой нити, либо специального активного слоя, покрывающего нить).

Как показал Ричардсон, величина в (1. 2) или b в (1. 1) выражает работу, необходимую для того, чтобы электроны вышли через поверхность катода. • Так как &о выражено в градусах абсолютной температуры *, то удобно опреде-

* Для перевода абсолютной температуры (градусов Кельвина) в градусы Цельсия необходимо из температур Кельвина вычесть 273".

лить энергию, требуемую для освобождения электронов через «работу вылета» Ф, выражаемую в вольтах. Работа вылета связана с константой следующим образом:

где k есть константа Больцмана,-заряд электрона. Константа k равна 1,37X10- э/?2/г/7й, а = 1.59X10-2° э.-м. ед., так что

Фо = 8,62 X 10~ Ьо (вольт). (1.4)

Желая рассчитать нить, которая, будучи накалена до известной заданной температуры, давала бы определенную эмиссию, мы, очевидно, должны знать значения А и для данного материала. Только в некоторых случаях (напр. для чистых металлов) эти величины известны более или менее точно и еще в меньшем числе случаев значение Л приближается к данной Дэшмэном величине-60,2 jj;-

Точное экспериментальное определение зависимости i от Т, из которой и вычисляются значения А и Ь, затрудняется, главным образом, тем, что трудно осуществить условия насыщения. Оказывается, что с повышением анодного напряжения электронная эмиссия продолжает непрерывно, хотя и медленно, расти. Произведенное Шоттки теоретическое исследование этой проблемы показывает, что если электрическое поле на излучающей поверхности, которая сохраняет постоянную температуру Т, равно Е (в в1см), то ток эмиссии определяется соотношением:

4,39я

(1- 5)

где го есть ток эмиссии при поле, равном нулю*.

Теория Шоттки оказалась справедливой для эмиссии нитей из вольфрама, молибдена и тантала, но для широко применяемых на практике торированных и оксидных нитей выражение (1. 5) оказалось неприменимым и им нельзя пользоваться для вычисления эмиссии, соответствующей полю, равному нулю, которая единственно и может служить для точного определения значений А и входящих в (1. 2). Поэтому, приводимые значения А и для таких нитей следует считать приближенными.

* Не следует смешивать это повышение термионной эмисснн с увеличением силы поля от явления «холодной» эмнссии, наступающей при силе поля порядка 106 gjcM; эга последняя эмиссия практически не зависит от температуры.