Материал: Москатов Электроника 2010

126Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

поле вынуждает электроны образовывать группы, называемые «спицами», и вращать эти сгущения вокруг катода. Чтобы все резонаторы вырабатывали согласованные колебания, их соединяют друг с другом определѐнным образом отрезками металлической проволоки, которые именуют «связками», или изготовляют резонаторы различных чередующихся конфигураций.

Магнетроны используют в качестве генераторов СВЧ колебаний. КПД некоторых специальных магнетронов весьма велик, хотя и не превышает 80% для самых экономичных приборов. Выходная мощность магнетронов в непрерывном режиме может достигать многих сотен киловатт, а в импульсном – десятков, или даже сотен мегаватт. Разновидностей и модификаций магнетронов довольно много

– это амплитроны, гелитроны, дематроны, инжектроны, карматроны, митроны, стабилотроны, спиратроны, турбатроны и другие. При необходимости пытливый читатель может найти сведения о них в специальной литературе.

8.11. Мазеры

Мазером называют рукотворный квантовый генератор, который вырабатывает или усиливает когерентные радиоволны СВЧ диапазона. Первый мазер на аммиаке, формирующий радиоволны сантиметрового диапазона, был создан в 1954 году. Под воздействием накачки атомы вещества приобретают возбуждѐнное состояние. При этом они получают избыток энергии и переходят на более высокий энергетический уровень. Под воздействием индуцирующего излучения высвобождение нескольких квантов энергии приводит к лавинообразному переходу атомов вещества на более низкий энергетический уровень и массовому испусканию индуцированных квантов энергии. Затем процесс повторяется. В мазерах, в отличие от лазеров, переход атомов на более низкий энергетический уровень в резонансной системе, охваченной положительной обратной связью,

127Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

сопровождается генерацией радиоволн, а не светового излучения. Частота генерируемых радиоволн чрезвычайно стабильна, что позволяет использовать мазеры в качестве атомных часов. Некоторые специальные модификации мазеров позволяют усиливать сигналы с малым уровнем шумов.

Первые мазеры были разработаны в 1953 – 1954 годах Александром Михайловичем Прохоровым совместно с его аспирантом Николаем Геннадиевичем Басовым в СССР и независимо от них Чарльзом Хардом Таунсом из Массачусетского технологического института совместно с аспирантами Колумбийского университета в США. Всем троим в 1964 году вручили Нобелевскую премию в области физики.

8.12. Тиратроны

Тиратроны – это газоразрядные электронные лампы, имеющие три вывода – анод, катод и управляющую сетку, используемые в качестве управляемых разрядников. Баллоны тиратронов с холодным катодом заполняют смесью газов – неона и аргона. Между анодом и катодом монтируют управляющую сетку. В баллоне тиратрона электроды управляющей сетки и катода располагают на таком расстоянии, чтобы разряд происходил при подаче на управляющую сетку меньшего напряжения, чем напряжение, приложенное к выводам анод-катод. Анод обычно имеет форму стержня большого сечения, который пронизывает баллон тиратрона и выступает наружу. Управляющая сетка имеет вид диска, а катод – цилиндра. При приложении импульса отпирающего напряжения между управляющей сеткой и катодом, в этом участке баллона тиратрона возникает ионизация газа. Благодаря этому промежуток между анодом и катодом будет наполнен ионами и электронами, из-за чего от анода к катоду течѐт электрический ток. Для перевода тиратрона в открытое состояние по управляющей сетке протекает ток, многократно мень-

128Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

ший тока через выводы анод-катод. Вокруг управляющей сетки после перехода тиратрона в открытое состояние возникает облако положительно заряженных ионов, которые блокируют действие поданного на сетку сигнала. После включения тиратрона управлять анодным током невозможно, а чтобы выключить тиратрон, необходимо снять напряжение, приложенное к выводам анод-катод, или уменьшить его ниже определѐнного предела [39, с. 85]. После выключения газ в тиратроне возвращается в исходное состояние, после чего компонент вновь готов к работе.

Маломощные тиратроны ныне не используют в бытовой аппаратуре, а в специальной аппаратуре, которую эксплуатируют в условиях высокой радиации, применяют особые лампы, подобные тиратронам, с глубоким вакуумом в колбах. Мощные тиратроны, допускающие ток анода ориентировочно 5 кА … 15 кА и напряжения анод-катод 25 кВ … 75 кВ применяют для подачи импульсов на магнетроны, модуляторы и пр. Такие тиратроны до сих пор не вытеснены IGBT, и тем более MOSFET, из-за того, что сложно и очень дорого создавать полупроводниковые кристаллы, выдерживающие столь высокие напряжения и большие токи. Для многократной коммутации токов анодов силой 50 кА … 500 кА и напряжений анодкатод 50 кВ … 200 кВ используют тригатроны.

8.13. Крайтроны и спрайтроны

Крайтроны – это ионные (газоразрядные) малогабаритные электронные лампы с холодным катодом, которые применяют в качестве управляемых разрядников, имеющие четыре вывода – анод, катод, управляющую сетку и вывод предварительного зажигания (поанглийски keep-alive). Стеклянные, металлостеклянные или металлокерамические корпуса крайтронов заполняют газом (обычно криптон) под низким давлением примерно от 50 до 1000 кН / м2. Конструкция крайтронов похожа на конструкцию тиратронов, а

129Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

особенность заключена в наличии электрода предварительного зажигания, который размещают рядом с катодом. На вывод предварительного зажигания всѐ время подают постоянное напряжение, величиной примерно от 0,4 кВ до 5 кВ, для начальной ионизации промежутка между этим выводом и катодом крайтрона. При этом ток через вывод предварительного зажигания не велик и составляет ориентировочно от 50 мкА (для крайтронов KN-2, KN-6, KN-6B, KN-9) до 0,3 мА (для крайтрона KN-22). Между выводами анодкатод крайтрона прикладывают постоянное напряжение примерно от 200 В до нескольких киловольт. Ток через электроды анод-катод не потечѐт до тех пор, пока на сетку не будет подан отпирающий сигнал, который приводит к триггерному включению крайтрона, а управлять величиной тока анода, меняя величину отпирающего напряжения, не выйдет. При подаче отпирающего напряжения, которое получают, например, со специального импульсного трансформатора, величиной примерно 750 В крайтрон чрезвычайно быстро – обычно менее чем за 30 нс – переходит в открытое состояние, что гораздо быстрее (на 3 … 5 порядков), чем тиратроны, и это легко объяснить наличием предварительной ионизации. Увеличив отпирающее напряжение сетки примерно до 2 кВ (если это разрешено техническими характеристиками), получим меньшую длительность включения крайтрона, которая может составить ориентировочно 5 нс. Максимальный ток анод-катод крайтронов марки KN-6 достигает 3 кА, а крайтронов марки KN-22 – лишь 100 А. Крайтроны обычно коммутируют нагрузку с частотой до 50 Гц, а для увеличения максимально допустимой частоты применяют многоотсековые крайтроны. Чтобы выключить крайтрон, необходимо либо уменьшить напряжение между анодом и катодом ниже определѐнного уровня, либо полностью снять это напряжение. Внутри некоторых крайтронов (для аппаратуры военного назначения), между электродами предварительного зажигания и катодами, закрепляют радиоактивный материал, обычно Ni-63, который служит для дополнитель-

130Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

ной ионизации, что увеличивает и без того очень высокую надѐжность крайтронов. Часто этот радиоактивный материал (источник β-излучения) монтируют прямо на нерабочий участок электрода предварительного зажигания. Однако число циклов включений и отключений таких крайтронов обычно не велико и составляет всего несколько сотен (крайтроны в системах детонации ядерных зарядов срабатывают лишь один раз). В то же время число циклов включений и отключений крайтронов, используемых в копировальных аппаратах, может составлять до 107 раз. Крайтроны используют в системах детонации ядерного оружия (это их изначальное применение), для включения мощных оптических излучателей, а также в некоторых ракетах и пр. Крайтроны в импульсе способны коммутировать мощность до 7 МВт и даже больше. Современные полупроводниковые приборы – MOSFET и, особенно, IGBT не могут так же быстро, как крайтроны, коммутировать столь большую мощность.

К достоинствам крайтронов причисляют: высокое быстродействие,

чрезвычайно скорую готовность к работе (в течение длительности времени обычно менее 5 нс),

отсутствие необходимости подогрева,

простоту конструкции,

малые массу и габариты,

возможность работы в очень широких диапазонах температур и вибраций и прочее.

К недостаткам крайтронов нужно отнести, прежде всего, вероятность самопроизвольного срабатывания в условиях высокой радиации.

В условиях высокой проникающей радиации успешно работают спрайтроны, которые похожи на крайтроны, но в отличие от них не имеют выводов предварительного зажигания. При производстве из спрайтронов тщательно откачивают воздух, получая глубокий вакуум, что также относим к отличиям. Расстояние между анодом и