ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Ионные приборы

Ионные, или газоразрядные приборы, представляют собой класс электровакуумных приборов, наполненных инертным газом, пара­ми ртути или водородом, действие которых основано на прохождб'

нии электрического тока через образованную в межэлектродном пространстве газоразрядную плазму.

Газоразрядных приборов существует более 50 типов, одним из которых являются газоразрядные лазеры (см. часть IV).

По типу газового разряда, зажигающегося в приборе, по приро­де электронной эмиссии, по роду газа и его плотности различают ионные приборы несамостоятельного и самостоятельного дугового разряда, тлеющего разряда, искрового разряда. Основными носите­лями тока являются электроны. Их подвижность значительно боль­ше подвижности ионов, и поэтому они играют решающую роль. Роль же ионов в газовом разряде сводится к компенсации объем­ного заряда электронов, с помощью которой обеспечиваются боль­шие токи в ионных приборах.

Простейшим ионным прибором является диод с накаленным или холодным катодом. Стеклянный или керамический баллон за­полняют инертным газом или парами ртути. При подаче на элек­троды напряжения электроны ионизируют газ, образуя газовый разряд. Пространственный заряд электронов компенсируется поло­жительными ионами. Такой ионный диод в отличие от вакуумного имеет малое внутреннее сопротивление и способен пропускать токи примерно 10³...10⁴А. В таких диодах может быть использована плазма дугового тока.

Двухэлектродный неуправляемый ионный прибор получил на­звание газотрон. В нем используется несамостоятельный дуговой или тлеющий разряд.

Тиратрон — это газоразрядный прибор с сеточным управлением моментом зажигания несамостоятельного дугового или тлеющего разряда. В тиратроне используют как накаливаемые, так и холод­ные катоды. На рис. 4.1 представлена конструкция тиратрона и ха­рактеристика его зажигания. В тиратроне дугового разряда разряд

зажигается при определенном соотношении напряжения на аноде U_a и напряжения на сетке U_c.

По способу управления анодным током различают тиратроны с отрицательной и положительной характеристиками зажигания. Ти­ратроны с отрицательной характеристикой используют в схемах выпрямления или релейных устройствах (рис. 4.1, б). Тиратроны с положительной характеристикой зажигания чаще используют в им­пульсных схемах.

Тиратроны относятся к приборам силовой электроники и вы­пускаются в стеклянном, металлостеклянном, а также в металлоке­рамическом исполнении.

Газотроны, игнитроны, таситроны, экситроны — газоразрядные приборы самостоятельного разряда. Их долговечность ограничена постепенным разрушением катода и понижением давления (жест­чением) наполняющего газа. Для увеличения долговечности прибо­ров используют жидкий ртутный катод. Приборы с таким катодом способны пропускать ток силой до нескольких тысяч ампер и вы­держивать обратное напряжение до сотен киловольт.

Аркатроны — приборы дугового разряда с самоподогревающим- ся катодом. В этих приборах неиспользуется дуговой разряд. Это мощные приборы силовой электроники.

Декатроны и стабилитроны — газоразрядные приборы, в которых используют тлеющий разряд. Декатрон представляет собой много­электронный газоразрядный прибор тлеющего разряда, предназна­ченный для индикации электрических сигналов. Его действие осно­вано на направленном переносе тлеющего разряда с одного электрода на другой с целью формирования индикаторного знака. С появлени­ем полупроводниковых приборов и индикаторов на жидких кристал­лах интерес к этому типу ионных приборов значительно снизился.

Стабилитрон представляет собой двухэлектродный газоразряд­ный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения на заданном участке цепи. Используют ВАХ тлеющего разряда на уча­стке 4—5 (см. рис. 3.1).

Приборы, в основу которых положен искровой разряд, приме­няют для защиты радиоустройств.

4.2. Приборы обработки и отображения информации

В ионных приборах обработки и отображения информации ис­пользуют в основном тлеющий разряд. Это позволяет применять ненакаливаемые (холодные) катоды. В плазме тлеющего разряда 82

возникает УФ-излучение, под действием которого светятся люми нофоры различных цветов. Именно это явление свечения при про хождении электрического тока через возбужденный газ лежит в ос нове работы ионных, газоразрядных приборов. Свечение связано процессами возбуждения атомов ударами электронов с последую щим возвратом атомов в невозбужденное состояние и одновремен ным выделением квантов света либо с процессом рекомбинацю положительных ионов с электронами в объеме или на стенках при­бора.

Излучение может лежать в видимом или УФ-диапазоне спектра, В этом случае для преобразования излучения в видимое использу­ют фотолюминофоры. К приборам этого типа относятся знаковые индикаторы. Они предназначены для отображения информации в виде изображений цифр, букв и различных символов. Конструкция знаковых индикаторов состоит из одного или нескольких сетчатых анодов и набора катодов в форме отображаемых символов. Схема коммутации катодов обеспечивает включение нужного катода, со­ответствующего отображаемой информации. Подбором тока на аноде обеспечивают режим равномерного свечения катода, кото­рый является индицируемым символом. Шкальные индикаторы предназначены для отображения как цифровой, так и аналоговой информации. В качестве индикаторного элемента используют газо­вый промежуток анод—катод. В зависимости от способа подачи управляющего импульса информация отображается в виде светя­щегося столбика, либо в виде светящейся точки, перемещающейся вдоль шкалы (рис. 4.2). Число индикаторных элементов не превы­шает нескольких сотен при шаге дискретности 0,5... 1,5 мм.

В качестве индикаторов могут быть использованы тиратроны тлеющего разряда. На основе индикаторных тиратронов созданы различные матричные индикаторы для отображения буквенно­цифровой информации. Некоторые конструкции таких тиратронов легко сопрягаются с микросхемами и поэтому могут оперативно

ими управляться. Однако наибольший интерес вызывают газораз­рядные индикаторные панели (ГИП).

Газоразрядная индикаторная панель представляет собой кон­струкцию, содержащую большое число светоизлучающих элемен­тов отображения информации. Такие индикаторы обладают боль­шой информационной емкостью. Эти элементы формируют стол­бы и строки, объединенные в одном корпусе. Светоизлучающие элементы образуются в местах взаимного пересечения систем электродов: анодов и катодов (рис. 4.3). Зазор между стеклянны­ми пластинами заполняют неоном или смесями газов на его осно­ве. Обычно это аргон, криптон или ксенон, которые способству­ют понижению напряжения разряда, а также изменению спек­тральной характеристики с целью получения нужного спектра из­лучения. Гелий в газовой смеси позволяет ослабить температур­ную зависимость за счет теплопроводности смеси. В некоторых смесях используют также пары ртути.

При подаче на взаимно пересекающиеся электроды высокого на­пряжения образуется свечение. Это происходит вследствие собст­венного излучения ионизированного газа и свечения люминофоров, возбуждаемых УФ-излучением плазмы разряда. Газовый разряд вы­зывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, ини­циирует видимое свечение люминофора. Люминофоры излучают

один из основных цветов: красный, зеленый или синий. Затем свет нужного спектра проходит через стекло и попадает в глаз.

Подбором определенного сочетания светящихся точек (пиксе­лей) и модуляции их излучения можно сформировать любые ин­формационные картины. Пиксель плазменной панели имеет объ­ем 200 х 200 х 100 мкм, а на панели необходимо уложить несколь­ко миллионов пикселей, один к одному. Передний электрод дол­жен быть максимально прозрачным. Для этой цели используют пленки оксидов индия и олова, поскольку они проводят ток и прозрачны.

Еще одной проблемой остается адресация пикселей. Чтобы по­лучить требуемый оттенок, нужно менять интенсивность цвета не­зависимо для каждого из трех субпикселей. На плазменной панели 1280 х 768 пикселей присутствует примерно три миллиона субпик­селей, что дает шесть миллионов электродов. Проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления субпикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а зад­ние — в столбцы. Электронное устройство обрамления плазменной панели с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро и управляется микросхемой, предназначенной для сканирования.

Конструктивно ГИП делят на ГИП постоянного тока, перемен­ного тока и с плазменно-электронным возбуждением люминофо­ров. ГИП, или плазменные панели, гораздо безопаснее кинескоп- ных телевизоров. Они не создают вредных магнитных и электриче­ских полей, так как в них отсутствуют устройства развертки и вы­соковольтный источник анодного напряжения кинескопа. Плаз­менная панель не оказывает вредного влияния на человека, домаш­них животных и не притягивает пыль к поверхности экрана. Кроме того, что очень важно, они не имеют рентгеновского и какого-либо иного паразитного излучения.

ГИП индивидуального, группового и коллективного пользова­ния отличаются высокой разрешающей способностью и размером панели. Так ГИП индивидуального пользования имеют характер­ный размер более 1 м², а коллективного пользования — до 10 м². Плазменные панели дают самое высокое качество изображения по сравнению с известными экранами и дисплеями. Угол видимости достигает 160 . Недостаток ГИП — это низкая экономичность.

4.3. Радиоэлектронные системы на приборах вакуумной электроники

Радиоэлектроника является областью науки и техники, перед которой стоит задачи обеспечения передачи, приема и преобразо­вания информации с помощью электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. Радиоэлектроника успешно развивает­ся благодаря тесному взаимодействию радиотехники и электрони­ки. На протяжении всей истории развития радиотехника ставила перед электроникой все новые технические задачи. На начальном этапе становления радиотехники от электроники требовались элек­тровакуумные лампы от диодов до декодов в широком диапазоне радиочастот. Тогда радиотехника была основным потребителем электронных приборов. В середине прошлого века с развитием ра­диолокации, вычислительной техники, средств автоматизации про­изводства традиционные электровакуумные приборы уже не обес­печивали поступательное развитие техники.

Электронная промышленность разработала новые типы элек­тровакуумных приборов. Прежде всего это приборы СВЧ-диапазо­на: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, лампы обрат­ной волны и т.п. С развитием телевидения были разработаны раз­личного типа кинескопы, передающие трубки типа ортиконов, диссекторов и т.п. Родилось семейство фотоэлементов и фотоумно­жителей, электронно-оптических преобразователей. Все эти прибо­ры позволяли проводить любые операции с аналоговыми сигнала­ми. Однако к концу прошлого века операции с аналоговыми сигна­лами уже не устраивали разработчиков радиоаппаратуры, средств вычислительной техники и автоматики по производительности, энергопотреблению, габаритным размерам. В радиотехнике были разработаны принципы использования цифровых методов обработ­ки и хранения информации. Перед электроникой стала задача соз­дать принципиально новую элементную базу для широкого класса радиотехнических систем. К этому времени в электронике про­изошла техническая революция, которая привела к созданию тех­нологических основ производства твердотельных полупроводнико­вых приборов. Однако приборы вакуумной электроники и сегодня служат в некоторых радиотехнических системах.

В середине прошлого века был накоплен опыт использования СВЧ-колебаний для радиолокации и пеленгации целей. Велись ра­боты по созданию систем навигации, радиорелейных линий связи. С освоением космоса появились задачи узконаправленных переда­чи и приема информации, использования широкополосных систем 86

обработки информации. К шестидесятым годам участок спектра ультравысоких частот, включая дециметровый диапазон, был пол­ностью распределен для целей радионавигации, радиолокации, станций связи со спутниками, международной космической связи, радиоастрономии, метеорологических исследований, радиорелей­ных линий связи, систем посадки и контроля за воздушным про­странством, для внутригородской связи, телевидения.

Одновременно была разработана соответствующая аппаратура для стационарных, передвижных наземных, морских, воздушных и космических средств. В ее основе лежали СВЧ-приборы, выпол­ненные по технологии мощных вакуумных усилителей и генерато­ров.

Кратко остановимся на отечественных разработках СВЧ-прибо- ров в дециметровом диапазонах, которые всегда соответствовали мировому уровню. Серия мощных импульсных магнетронов на ра­бочие частоты 1...10 ГГц и выходной импульсной мощностью до 2 МВт состояла из 40 типов. Было создано три типа сверхмощных предельно-волноводных магнетронов на частоту 3 ГГц и мощно­стью до 30 МВт. Основой радиолокационных систем дальнего об­наружения стали мощные импульсные амплитроны — усилители М-типа. Они работают в диапазоне 2...3 ГГц с выходной мощно­стью 2 МВт. Амплитроны непрерывного действия на частотах по­рядка 6 ГГц работают в самолетных и космических системах связи повышенной надежности, например в авиационной правительст­венной связи.

Постепенно усложняются задачи радиоэлектронного вооруже­ния и противодействия, обнаружения и управления в системах ПРО и космических системах. Перед радистами стояла задача раз­работки схем передатчиков, в которых сигнал необходимой формы формируется на низком уровне, а затем усиливается до необходи­мой мощности. Для обеспечения когерентности сигналов в режи­мах приема и передачи необходимы низкие уровни амплитудных и фазовых шумов. Эту задачу решили, создав многорезонаторные усилительные клистроны с числом лучей от 6 до 36, работающие на высших типах колебаний. Такие клистроны работают в дециметро­вом и сантиметровом диапазонах (6... 18 ГГц). Уровни выходной импульсной мощности составляют от единиц до сотен киловатт. Многолучевые клистроны позволяют уменьшить питающее напря­жение в 2—3 раза, массу приборов в 4 раза, значительно уменьшить габаритные размеры радиопередающих устройств.

Для спутников связи широкое распространение получили лам­пы бегущей волны. Космические ЛБВ имеют малые габаритные размеры, большой коэффициент усиления (до 60 дБ), высокий КПД (до 60 %) с малыми амплитудными и фазовыми искажениями усиливаемого сигнала. Весьма перспективными оказались цепочки ЛБВ в системах мощных многорежимных усилителей для бортовых РЛС. К преимуществам построения передатчиков на основе цепо­чек ЛБВ следует отнести автоматическую подстройку напряжения и выходной мощности при всех режимах работы. Только в нашей стране разработано более 40 типов ЛБВ.

Для радиолокационных систем, радиоразведки, радиомаяков, радиовзрывателей, портативных систем связи и телевидения, изме­рительной и медицинской аппаратуры радистам нужны были элек­тронные приборы с электронной перестройкой частоты колебаний. Специалисты электронной отрасли предложили электровакуумные приборы малой мощности, перестройка частоты генерации кото­рых осуществлялась путем изменения питающего напряжения в определенном интервале.

К электровакуумным генераторам малой мощности отнесем от­ражательные и пролетные клистроны, лампы обратной волны, па­кетированные ЛОВ. Эти приборы перекрывают дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн.

В настоящее время прослеживается тенденция создания ваку­умно-полупроводниковых мощных СВЧ-модулей (Microwave Power Modules, МРМ).

Анализ предельно возможных потенциальных характеристик СВЧ-приборов. Потенциальный коэффициент Pf² физически пред­ставляется как удельная плотность мощности на основных узлах прибора. В процессе совершенствования характеристик определен­ного класса прибора увеличение Pf² происходит по б’-образной кривой — логисте. На рис. 4.4 приведена динамика изменения по­тенциальных коэффициентов основных классов СВЧ-приборов.

Из рис. 4.4 следует, что каждые два года мощность вакуумных приборов удваивается. Ожидается разработка спиральных ЛБВ миллиметрового диапазона на частотах порядка 50 ГГц с мощно­стью более 200 Вт. Срок службы таких ЛБВ, предназначенных для спутников связи, составляет 150 тыс. ч (порядка 18 лет).

В области клистронов ожидается создание компактных клис­тронов с распределенным взаимодействием с мощностью до 200 Вт в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Годы

Рис. 4.4. Динамика изменения потенциальных коэффициентов основных

СВЧ-приборов:

1 — сеточные лампы; 2 — спиральные ЛБВ в постоянном магните; 3— приборы М-типа;

4 — ЛБВ на соленоиде; 5— клистроны; 6— гиротроны

В области приборов М-типа будут разработаны магнетроны с импульсной мощностью до 50 МВт. Такой прибор может стать даже энергетическим оружием.

Гиро-ЛБВ разработаны в полосе частот порядка 100 ГГц и мощностью до 100 КВт при КПД порядка 30 %. Одновременно раз­рабатываются гиротронные генераторы с непрерывной мощностью 1 МВт на частоте 100 ГГц опять же для энергетических исследова­ний и вооружения.

В области МРМ-модулей прогнозируются работы по созданию широкополосных модулей в полосе частот до 40 ГГц и мощностью порядка 100 Вт.

Можно считать, что мнение некоторых экспертов о том, что ва­куумная электроника устаревшая область электроники, несколько преждевременные. Вакуумная СВЧ-электроника не только обеспе­чивает национальную безопасность развитых стран, но и сущест­венно определяет военный потенциал страны.

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой знаковые индикаторы?

2. Как устроена газоразрядная панель?

3. Что такое пиксель и как он используется для характеристики пара­метров устройств отображения информации?

4. Какие приборы вакуумной электроники используют в радиолокаци­онных системах, в спутниковых системах связи?

ЧАСТЬ II