Электровакуумные и газоразрядные приборы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
Л.И. ЛИСИЦЫНА 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ  
И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 621.38(075.8) 
         Л 632 

Рецензенты: 

А.Б. Беркин, канд. техн. наук, доцент 
А.И. Василевский, канд. техн. наук, доцент 
 
Работа подготовлена на кафедре электронных приборов 
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия для студентов факультета 
радиотехники и электроники, обучающихся по направлению  
11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника» 
 
Лисицына Л.И. 
Л 632   
Электровакуумные и газоразрядные приборы: учебно-методическое пособие / Л.И. Лисицына. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2020. – 64 с. 

ISBN 978-5-7782-4176-3 

Рассмотрены общие положения, основные принципы работы и параметры некоторых электровакуумных и газоразрядных приборов: фотоэлектронных умножителей, электронных ламп, осциллографической 
электронно-лучевой трубки, приборов тлеющего разряда (стабилитрона и знакового индикатора). Для знакомства с этими приборами, изучения физических основ и принципов их действия предложены экспериментальные работы, сформулированы задания к работам, порядок их 
выполнения, контрольные вопросы, выносимые на защиту работ, и содержание отчетов. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника», а также может быть полезно 
для инженеров и научных работников, занимающихся разработкой новых типов приборов и усовершенствованием существующих. 
 
УДК 621.38(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4176-3  
 
 
 
 
 
 
© Лисицына Л.И., 2020 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2020 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение ................................................................................................................... 4 
1. Фотоэлектронный умножитель ....................................................................... 7 
   Общие положения ................................................................................................. 7 
   Описание экспериментального стенда .............................................................. 12 
   Задание по работе и порядок ее выполнения ................................................... 15 
   Содержание отчета ............................................................................................. 15 
   Контрольные вопросы ........................................................................................ 15 
2. Электронные лампы ....................................................................................... 17 
   Общие положения ............................................................................................... 17 
   Задание по работе и порядок ее выполнения ................................................... 27 
   Содержание отчета ............................................................................................. 29 
   Контрольные вопросы ........................................................................................ 29 
3. Осциллографическая  электронно-лучевая трубка .................................. 31 
   Общие положения ............................................................................................... 31 
   Описание экспериментального стенда .............................................................. 41 
   Задание по работе и порядок ее выполнения ................................................... 42 
   Содержание отчета ............................................................................................. 43 
   Контрольные вопросы ........................................................................................ 43 
4. Газоразрядные приборы тлеющего разряда ............................................... 45 
   Общие положения ............................................................................................... 45 
   Описание экспериментальной установки ......................................................... 58 
   Задание для самостоятельной подготовки ........................................................ 58 
   Задание по работе и порядок ее выполнения ................................................... 58 
   Содержание отчета ............................................................................................. 59 
   Контрольные вопросы ........................................................................................ 60 
Заключение ............................................................................................................. 61 
Библиографический список .................................................................................. 62 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Электровакуумные и газоразрядные приборы в настоящее время широко используются в хозяйстве. 
Вакуум – пустота, лат. – это разряженный газ, в котором концентрация молекул меньше их концентрации в атмосфере Земли. Различают 
низкий, средний и высокий вакуум. При низком вакууме путь, пройденный частицей без столкновения (длина свободного пробега λ), значительно меньше характерного для конкретного прибора размера  
D (λ << D). При среднем вакууме λ ~ D, при высоком – λ >> D. Электронные приборы, работающие при высоком вакууме (остаточное дав
ление от 
–1
10
 до 
–6
10
 Па), называют вакуумными электронными прибо
рами, при среднем (от 
2
10  до 
–1
10
 Па) и низком вакууме (>
2
10  Па) – 
газоразрядными, ионными или плазменными приборами. 
Использование свойств вакуумной среды открывает большие возможности в создании электронных приборов с уникальными параметрами [1]. 
Большая длина свободного пробега в вакууме позволяет формировать пучки заряженных частиц без потери энергии, при этом их скорости могут достигать значений, близких к скорости света, что дает возможность создавать мощные (до гигаватт) генераторы радиочастотных 
колебаний. В полупроводнике максимальная скорость носителей зарядов на несколько порядков ниже, что резко ограничивает предельные 
мощности полупроводниковых генераторов. 
Высокая электрическая прочность вакуумных промежутков позволяет создавать малогабаритные высоковольтные мощные электронные 
приборы. 

Вакуумная среда химически инертна, поэтому высокотемпературные электроды в вакууме не окисляются, что обеспечивает стабильность 
и долговечность работы приборов [1]. Кроме того, вакуумные приборы 
не разрушаются под действием жесткого излучения. 
В настоящее время из электровакуумных приборов особо широко 
используются фотоэлектронные приборы; электронно-оптические преобразователи (приборы ночного видения – в военной технике); электронные и ионные микроскопы; приборы СВЧ (магнетроны, клистроны, 
лампы бегущей волны и др. [2]); рентгеновские электронно-лучевые 
трубки; пушки Пирса (устройства интенсивных электронных пучков – 
в технологических целях [1]); мощные генераторные лампы (в технологических целях); приемно-усилительные лампы (в военной технике (радары), так, США (DARPA) объявили о запуске программы по разработке более эффективной и высокоточной технологии электронных 
ламп [3]), высококачественное звукоусиление [4]); измерительные 
лампы (вакуумметры, измерители механических величин – механотроны и др.). В настоящее время также широко используются электровакуумные установки, например, ускорители заряженных частиц (бетатрон – энергия пучков – до 300 МэВ, синхротрон – энергия пучков – 
до 12 ГэВ, ускорители для линейного коллайдера – до 120 ГэВ и другие) 
используются для научных исследований, в промышленности – в технологических целях, в медицине [5, 6, 7]). 
Среди газоразрядных приборов и устройств наиболее широкое распространение получили: плазменные установки (в технологических целях), мощные газоразрядные лазеры, плазменные панели), приборы для 
регистрации ядерных излучений и ионизирующих частиц (например, 
счетчик Гейгера). 
Принцип действия любого электронного прибора базируется на физических основах электронной техники при осуществлении пяти основных физических процессов: электронной эмиссии, формирования потоков (пучков, лучей) заряженных частиц, управления параметрами потоков, преобразования их энергии в энергию выходного сигнала, рассеяния остаточной энергии потока. Конструкцию любого электронного 
прибора можно разделить на три основных узла: эмиттер заряженных 
частиц, пространство дрейфа заряженных частиц в электромагнитных 

полях, в котором осуществляются все необходимые действия над электронным потоком (фокусировка, ускорение, торможение, отклонение), 
и приемник заряженных частиц, на котором под действием бомбардировки заряженными частицами осуществляются следующие процессы: 
люминесценция, нагрев, вторичная эмиссия, зарядка, разрядка, жесткое 
излучение, легирование, сварка, резка и т. д. 
В настоящем пособии изучение перечисленных процессов осуществляется при выполнении и защите нескольких экспериментальных 
работ по вакуумным приборам: фотоэлектронный умножитель, электронные лампы, осциллографическая электронно-лучевая трубка и приборы тлеющего разряда (стабилитрон и знаковый индикатор). Для знакомства с этими приборами, изучения физических основ и принципов 
их действия в экспериментальных работах даны теоретические предпосылки (общие положения), сформулированы задания к работам, порядок их выполнения, контрольные вопросы, выносимые на защиту работ, 
и содержание отчетов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ 

Общие положения 

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это многоэлементный электровакуумный прибор, содержащий фотокатод, анод и один или несколько электродов (динодов), обеспечивающих усиление (умножение) 
первичного потока фотоэлектронов за счет использования эффекта вторичной эмиссии. 
ФЭУ предназначены для преобразования потоков светового излучении в электрические аналоги, используются в научных исследованиях и 
промышленной аппаратуре: экспериментальной физике и медицине, 
геологии и астрономии, телевидении и астронавигации, металлургии, 
геодезии и т. д. Многообразием областей применения ФЭУ объясняется 
большое число их типов, выпускаемых серийно отечественной промышленностью: ФЭУ для индикации и измерения слабых световых потоков (например ФЭУ-115), пороговых потоков лучистой энергии 
(ФЭУ-86, ФЭУ-115), слабых световых сигналов в видимой и ближней 
ИК-области спектра (ФЭУ-115М), ФЭУ для работы в сцинтилляционной, радиометрической и спектрометрической аппаратуре (ФЭУ-184, 
ФЭУ-151 – при температуре окружающей среды до 180 °С), в аппаратуре радиоактивного каротажа (ФЭУ-74А, ФЭУ-102, ФЭУ «Усмань»), 
для фотометрии, лазерных приемников и другие (например, ФЭУ-127-2 – 
в устройствах широкого применения [8]), ФЭУ для временных измерений (ФЭУ-117) [9]. 
Конструкция ФЭУ состоит из трех основных частей: 
 катодной (входной) камеры – фотокатода и группы электродов, образующих иммерсионный объектив, который под действием 

светового сигнала обеспечивает поток фотоэлектронов и собирает их 
на первый динод (эмиттер вторичных электронов); 
 умножительной системы (динодной системы – группы динодов, 
выполненных из материала с коэффициентом вторичной эмиссии 
больше единицы); 
 анодного блока, в который входят анод, последний динод и иногда вспомогательные электроды. 
Питание ФЭУ осуществляется с помощью делителя напряжения. 
Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения показана на 
рис. 1. 

 

Рис. 1. Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения 

Падающее на фотокатод (ФК) излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию. Число электронов, эмиттируемых в единицу времени 
фотокатодом, пропорционально интенсивности излучения. Электроны 
покидают ФК под различными углами к его поверхности и с различными начальными скоростями. Для того чтобы собрать их на первый 
динод 
1
Э  необходима фокусирующая система, которая выполняется в 
виде электронных линз, входящих во входную камеру. На рис. 1 фокусирующая линза изображена в виде цилиндра (например проводящего 
покрытия на баллоне) с торцевой поверхностью – полупрозрачным фотокатодом (ФК), который сформирован на тончайшем металлическом 
покрытии, и диафрагмы Д, образующих иммерсионную линзу. 

Качество входной камеры характеризуется коэффициентом сбора 
электронов – отношение числа фотоэлектронов, достигающих первого 
динода, к общему числу эмиттированных с ФК электронов. У современных ФЭУ коэффициент сбора близок к единице. 
После прохождения входной камеры фотоэлектроны попадают в 
умножительную систему. Бомбардируя первый динод, фотоэлектроны 
вызывают вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны 
направляются на второй динод, умноженный поток электронов со второго динода поступает на третий и т. д. Между каждой парой динодов 
создается такое электрическое поле, которое осуществляет сбор электронов последующим динодом и обусловливает ускорение электронов 
для обеспечения коэффициента вторичной эмиссии больше единицы. 
При наличии n динодов и среднем коэффициенте вторичной эмиссии   
коэффициент усиления ФЭУ равен 

 
a
к
/
n
M
I
I

  . 
(1) 

Для современных ФЭУ при среднем значении коэффициента вторичной эмиссии, равном 4, и количестве динодов, равном 12, величина 

М = 
7
10 . Этого достаточно для того, чтобы измерить в анодной цепи 
ФЭУ импульс напряжения, вызванный единичным электроном, вышедшим из фотокатода. Такое усиление позволяет использовать ФЭУ в качестве счетчика фотонов. 
Вторично-эмиссионные умножительные системы ФЭУ в настоящее 
время делятся в основном на две группы: системы на дискретных динодах и системы на распределенном диноде. К первой группе относятся 
системы с фокусировкой электронных пучков на ковшеобразных, коробчатых, торовидных и жалюзийных динодах. Особенность жалюзийных систем – электрическое поле, возникающее между соседними жалюзями, образует собирающую цилиндрическую линзу, что обеспечивает сбор электронов от динода к диноду, коэффициент сбора электронов при этом стремится к единице. 
К системе с распределенными параметрами относятся щелевой 
умножитель, каналотрон и система в виде микроканальной пластины. 
Работа таких систем основана на том, что распределенный динод выполняется в виде канала, внутренняя поверхность которого покрывается 

полупроводниковым материалом с высоким коэффициентом вторичной 
эмиссии, а на торцы канала наносятся электрические контакты, на которые подается ускоряющее напряжение. Ввиду большого сопротивления 
полупроводникового материала при подсоединении контактов к источнику питания потенциал каждой последующей точки динода (от входа 
к выходу) увеличивается и обеспечивает необходимое ускорение и 
умножение электронов (рис. 2). 

 

Рис. 2. Динодная система ФЭУ с распределенными параметрами 

Питание ФЭУ осуществляется через делитель напряжения (см.  
рис. 1). Довольно распространен равномерный делитель, в котором сопротивления всех звеньев цепи одинаковы и их величина рассчитывается через ток делителя. Ток, протекающий через делитель, должен 
быть, по крайней мере, на порядок больше анодного тока ФЭУ, иначе 
при изменениях токов в каскадных промежутках будут перераспределяться токи в звеньях делителя и вследствие этого будут изменяться потенциалы динодов, что вызовет изменение коэффициента вторичной 
эмиссии и коэффициента усиления ФЭУ. Однако слишком большие значения токов делителя нежелательны, так как они могут вызвать нагрев 
элементов схемы и самого ФЭУ, что ухудшит стабильность их работы. 
Особенно большое влияние нагрев может оказать на работу самого фотокатода, так как при этом кроме фотоэлектронной эмиссии дополнительно появится термоэлектронная эмиссия, что нарушит работу ФЭУ. 
 

Основные параметры ФЭУ 
– Область спектральной чувствительности, нм. 
– Коэффициент усиления ФЭУ по току: 

 
a
к
/
M
I
I

, 
(2) 

где 
кI  и aI  – катодный и анодный ток соответственно. 
– Световая анодная чувствительность, А/ лм: 

 
а
а
ат
(
) / Ф
S
I
I


, 
(3) 

где 
ат
I
 – темновой анодный ток, мА; Ф – падающий на фотокатод световой поток, лм. 
– Световая чувствительность фотокатода, А/ лм: 

 
к
к
кт
(
) / Ф
S
I
I


, 
(4) 

где 
кт
I
 – темновой ток в цепи катода, мА. 
– Предельно допустимый анодный ток, мА. 
– Спектральная анодная чувствительность, А / Вт: 

 
a
a
ат
(
) / Ф
S
N I
I




, 
(5) 

где Ф  – поток излучения на фиксированной длине волны, падающей 
на фотокатод; 

 
к
к
0
( ) /
(
)
N
S
S



, 
(6) 

где 
к( )
S
  – относительная спектральная чувствительность фотокатода 
на заданной длине волны λ;  

к
0
(
)
S

 – относительная спектральная чувствительность фотокатода 
на длине волны 
0
  максимума пропускания фильтра. 
– Амплитудное разрешение (%) – способность раздельно регистрировать излучения близких энергий. 
– Темновой ток – ток в анодной цепи при отсутствии облучения фо-
токатода.