Устройство для вторично-электронного усиления Советский патент 1941 года по МПК H01J31/42 

Предлагаемое устройство предназначено для усиления фотоэлектронных токов или электронного потока, эмитируемого накаленным катодом.

Для усиления электронных токов в нем использовано явление вторичной эмиссии с поверхности с малой работой выхода, подвергаемой бомбардировке первичными и вторичными электронами, имеющими спиральные или круговые траектории.

Для получения таких траекторий в предлагаемом устройстве использованы электроды, между которыми приложено пульсирующее электрическое поле, выполненные в форме полуцилиндров, помещенных в постоянное магнитное поле.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что к одному электроду или более прикреплены сетки с активированным, имеющим малую работу выхода, слоем, которые являются поверхностями, многократно эмитирующими вторичные электроны.

Одна из модификаций предлагаемого устройства для вторично-электронного усиления изображена на фиг. 1. Здесь 1 и 2-закрытые полуцилиндрические электроды. К электроду 1 прикрепляются эмитирующая поверхность, сетка и жалюзи. К электроду 2 прикрепляется пластинка,

собирающая электроны (коллектор). Между электродами задается постоянное напряжение одновременно с переменным высокочастотным напряжением таким образом, чтобы в реззльтате напряжение между электродами имело форму, показанную на фиг. 2.

Положительный потенциал долн{ен быть на электроде с коллектором. Устройство помещается в магнитное поле, направленное параллельно его оси (перпендикулярно к плоскости чертежа). Магнитное поле может быть образовано магнитом, электромагнитом или соленоидом.

Если устройство предназначено для усиления фототока, то в электроде 1 делается окошко, чтобы луч света попал на край эмитирующей поверхности (фиг. 1). Магнитное поле должно быть по величине таким, чтобы фотоэлектроны, получив скорость в зазоре между электродами, равную вольт, загнулись по радиусу .

Его величина может быть рассчитана из выражения:

т (Е -Ь V)

Я eR,

Пролетев полуокружность радиуса R фотоэлектроны, получив за счет наличия

переменного напряжения в зазоре между электродами небольшую дополнительную скорость, вторую полуокружность, при тех же прочих условиях, пролетят по несколько большему радиусу и попадут на эмитирующую поверхность в ином месте. Вторичные электроны последующих циклов будут совершать такие же пути по двум радиусам, смещаясь все время в Одну сторону до тех пор, пока не будут собраны коллектором. Скорость электронов, попадающих на эмитирующую поверхность, равна удвоенной амплитуде переменного напряжения:

t/(+ V)-}-(V-E)2V

Частота переменного напряжения должна быть такой, чтобы за один период электроны совершали один цикл.

. 2-W

Общее усиление устройства зависит от амплитуды переменного напряжения, т. е. от скорости падающих электронов, и от постоянного напряжения, т. е. от числа циклов (умножения). От изменения магнитного поля в широких пределах усиление не должно зависеть, так как с увеличением напряжения поля уменьшаются радиусы, увеличивается число умножений на единицу длины эмитора, но используемая часть последнего соответственно уменьшается. С уменьшением же напряжения магнитного поля ниже критического значения усиление должно сразу прекратиться.

Для лз чшего отсасывания вторичных электронов можно сделать сетку на электроде -2, но настолько редкую, чтобы можно было пренебречь электронами, попадаюшими на нее.

В то время, как вторичные электроны образуются, отсасываются и, следовательно, получают скорость, при первом прохождении щели между электродами всегда равную +I/, первичные фотоэлектроны в течение большей части периода переменного напряжения отсасываются и получают различные скорости. Однако в число усиливаемых электронов попадут только те, которые получат скорость, большую 2Е вольт.

L/( V)-(V - E) 2E

Электроны со скоростью, равной 2Е, не получат приращения скорости при

вторичном прохождении щели и замкнутся в круг. Электроны же со скоростями, меньшими 2Е, совсем не попадут на эмитор. Таким образом, фотоэлектроны, сильно отличаюшиеся как по скорости, так, следовательно, и по фазе от фотоэлектронов со скоростью, равной 2 V, автоматически отфильтровываются.

Первоисточником могут быть термоэлектроны, для чего близ центра и эмитирующей поверхности параллельно оси прибора помеш,ается накатаваемая нить.

На фиг. 3 изображена другая модификация предложенного устройства. Здесь 1 и 2-также закрытые полуцилиндрические электроды. К обоим электродам прикрепляются динатронящие сетки или жалюзи. Между электродами задается переменное высокочастотное напряжение. Постоянное же напряжение задается между двумя частями 3 и 4 разрезного электрода 2. Отношение радиуса к длине электродов таково, что в пространстве разрезанного электрода создается достаточно равномерное распределение эквипотенциальных поверхностей вдоль всего электрода. Устройство помещается в магнитное поле, параллельное оси. Первичные электроны, совершив полуокружность радиуса, равного, примерно, половине радиуса электрода, попадают на динатронящую поверхность, вторичные электроны которой движутся по второй такой же полуокружности и т. д. Электронный поток, смещаясь по оси прибора после ряда усилений, попадает на стенку разрезного электрода. Источник первичных электронов расположен у неразрезного электрода 1. Скорость электронов определяется прохождением одной щели между электродами и поэтому равна амплитуде (в вольтах) переменного напряжения. Частота переменного напряжения, при заданном магнитном поле и постоянном напряжении, должна быть такой, чтобы электроны совершали круг за период.

Для лучшего отсасывания электронов можно поместить редкие сетки на открытые участки элекч-родов (против динатронящих поверхностей).

Еще одна модификация устройства изображена на фиг. 4. В этой модификации коллектор изолирован от закрытых полуцилиндрических электродов 1 и 2. В зависимости от назначения устройства, коллектор .может располагаться в четырех

.местах, указанных на чертеже буквами KI, KZ, АГз и ATi. Благодаря отделению коллектора от электрода 2, устройство превращается из двухэлектродного в трехэлектродный прибор, который в некоторой мере можно сравнивать стрехэлектродной катодной лампой. Электрод 1 выполняет роль катода, электрод 2 -роль сетки, а коллектор является анодом, на который электроны катода попадают после многократного умножения. При этом, если пользоваться коллектором KI, то ток будет в фазе с подводимым переменным напряжением. Если же пользоваться коллектором ЛГ2, то ток будет сдвинут по фазе относительно подводимого напряжения на 180°. В пределах электрода 2 (фиг. 4) промежуточных положений коллектора не может быть, так как невозможно выделить электронный пучок там, где он пересекается с другими пучками, но зато можно расположить коллектор в аналогичных местах электрода 1. В этом случае, чтобы не исказить электрического поля между электродами, коллектор необходимо соединить с электродом 1 через внешнюю цепь с нагрузкой Z,. Напряжения между электродом 1 и коллектором или К не будет, но ток иметься будет, так как электроны, получив ускорение, попадут на коллектор со скоростью, равной 2 V, в случае питания по схеме а фиг. 5. В случае питания устройства по схеме б электроны будут попадать на котлектор Кз или К со скоростью и. Падение напряжения на нагрузке Z-, будет в некоторой мере препятствовать току. Таким образом, в данном приборе можно разделить цепь напряжения от цепи тока и иметь этот ток совпадающим по фазе или сдвинутым на 180 относительно подводимого напряжения V или и.

Устройство можно питать либо по схеме а либо по схе.ме б (фиг. 5). Схема а более проста. При питании по этой схеме, электрон падает на эмитирующую поверхность со скоростью 2 V. Амплитуда переменного напряжения и постоянное смещение Е должны быть порядка 50 - 100 V. Устойчивость устройства не может быть большой, так как усиление сильно зависит от амплитуды переменного напряжения. Число умножений начального тока и можно выразить формулой (при заданном магнитном поле): У

V - Е

Схема питания б сложна тем, чем для нее необходима выпрямительная лампа, но зато удобнее, так как не требует дополнительного источника напряжения Е, и должна обеспечить устойчивую работу усилителя. Электрон в этом случае падает на эмитирующую поверхность со скоростью и. Следовательно, амплитуда переменного напряжения должна быть в два раза выше, чем при схеме а. Практически это не является отрицательным моментом. Зато уменьшение постоянного смещения является положительной стороной. Число умножений начального тока выразится Д-1Я этого случая формулой:

J/ Е

Т

На фиг. 6 показана зависимость п от Е при постоянном и (крива.ч 1) и зависимость и от и при постоянных значениях Е (кривые 2 и 3) для практически:-: значений U я Е. Иг кривой 1 видно, что Е должно быть порядка 2-6 вольт и что от этого постоянного смещения Е сильно зависит усиление. Практически такое напряжение легко иметь стабильным от аккумулятора. От амплитзды переменного напряжения усиление зависит гораздо слабее (кривые 2 и 3). Кроме того подбором соответствующего тока насыщения выпрямительной лампы можно срезать верхушку синусоидального импульса и этим самым окончательно стабилизировать устройство.

Устройство с питанием по схеме б можно использовать как усилитель напряжения. Напряжение, подлежащее усилению, подводится (при помощи конден сатора и дросселей) в разрыв цепи у электрода 2, указаннь1й на фиг. 4 буквой П. Снимается напряжение по желанию с нагрузки Zj или Zj. Если нагрузкой является колебательный контур с частотой, равной частоте тока, питающего устройство, то, следовательно, устройство может быть использовано в качестве модулятора ультракоротких волн.

Для генераторного режима нет нужды иметь стабильное усиление электронного тока, поэтому следует пользоваться для

питания схемой а (фиг. 5). В частном случае для генерирования тока частоты, которая необходима для питания устройства, т. е.

еН

Чг.т

необходимость в постороннем источнике переменного напряжения, вероятно, отпадает; с помощью такого устройства, как и с помощью катодной лампы, с соотгетствующей электрической схемой можно возбудить электрические колебания, но только с определенными частотами.

Устройство может быть поставлено в такой режим, когда с увеличением смещения между электродами 1 и 2 (положительного или отрицательного, в зависимости от схемы питания) усиление будет уменьшаться. Для этого первоисточник электронов нужно расположить ближе к образующей цилиндра и смещение Е сделать больше амплитуды V (фиг. 5а) или смещевше Е сделать положительным (фиг. 56). Тогда электроны, при вторичном прохождении щели между электродами, будут тормозиться и полетят от эмитирующей поверхности в противоположную сторону. Если же первоисточник электронов расположить в середине эмитирующей поверхности и сделать два коллектора, то можно переходить из одного режима в другой, изменяя смещение Е вокруг значения V или изменяя смещение Е вблизи нулевого значения в обе стороны.

Предлагаемое устройство является весьма универсальным с точки зрения получения различных режимов.

Для всех случаев первичными электронами могут быть фотоэлектроны или термоэлектроны.

Так как это устройство в некоторой мере сравнимо с катодной лампой, то для уменьшения междуэлектродных емкостей

также можно пользоваться соответствующими экранными сетками.

Предмет изобретения.

1.Устройство для вторично-электронного усиления фототоков или токов о г накаленного катода по способу Фарнсворта, с применением одной поверхности с малой работой выхода и с электродами, между которыми приложено пульсирующее электрическое поле, выполненными в виде помещенных в постоянное магнитное поле полуцилиндров, отличающееся тем, что к одному из полуцилиндров прикреп.чена сетка, активированная для создания слоя с малой работой выхода, с той целью, чтобы электроны, имеющие круговую или спиральную траекторию, бомбардировали испускающую их поверхность.

2.В устройстве по п. 1 пpи feнeниe модулированного напряжения на электродах для получения модулированного электронного потока между ними.

3.Видоизменение устройства по п. 3, отличающееся тем, что оба полуцилиндрических электрода снабжены эмитирующими сетками или жалюзной рещеткой, причем один из полуцилиндров раз- , резан и к его половинам приложено постоянное напряжение, а между вторым полуцилиндром и первой парой полуцилиндров приложено переменное напряжение.

4.Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся применением двух или нескольких коллекторных электродов К, Кч, расположенных перед закрывающими полуцилиндры сетками, причем положение их (коллекторов) определяет фазу электронного тока относительного питающего напряжения.

5.В устройстве по п. п. 1 и 4 применение экранирующих электродов.