Жан-Поль Эймишен - Электроника?.. Нет ничего проще!

• Название: Электроника?.. Нет ничего проще!
• Автор: Жан-Поль Эймишен
• Издательство: "Энергия"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1975

Книга в занимательной форме знакомит читателя со многими областями одной из наиболее быстро развивающихся в настоящее время наук — электроники. Рассказывается о возможностях использования электроники в промышленности.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

---

Л. — Весьма поучительная история — любопытство всегда наказывается. Фотодиод интересен тем, что он часто в 300 раз более чувствителен, чем лучший из вакуумных фотоэлементов. А кроме того, он отличается малой инерционностью и легко воспроизводит изменения света со скоростью до 100 000 периодов в 1 сек. Основной его недостаток, общий для всех полупроводниковых приборов, — чувствительность к повышению температуры.

Н. — В 300 раз чувствительнее лучших вакуумных фотоэлементов! Да это просто чудо! Фотодиоды можно использовать только в сумерках!

Л. — Ты серьезно ошибаешься. Чувствительная поверхность фотодиодов очень маленькая, и требуется хорошее освещение, чтобы на эту крошечную поверхность попал поток в несколько люменов, необходимый для получения достаточного тока. Тем не менее это очень полезные приборы, и они несомненно заменят газовые фотоэлементы в воспроизводящих головках звуковых кинопроекторов.

Н. — Прекрасно!

Л. — Я тоже не надену траура. Однако существует и другое средство для чрезвычайно большого повышения чувствительности фотоэлементов.

Н. — Усиление?

Л. — Совершенно верно. Но сейчас я думаю не о том методе усиления, который ты знаешь, а о методе, основанном на использовании вторичной электронной эмиссии.

Фотоумножители

Н. — Что это еще за пугало? А, вспомнил. Это явление доставляло нам столько неприятностей в тетродах: ускоренные экранной сеткой электроны при попадании на анод выбивают из него новые электроны. В некоторых случаях когда потенциал сетки выше потенциала анода, экранная сетка улавливает эти электроны, что порождает определенный ток, протекающий от анода к экрану, и анод становится вторичным катодом.

Л. — Двадцать из двадцати, дорогой Незнайкнн! Для использования этого явления в фотоэлементах делают так, что электроны, исходящие с освещенного катода (его потенциал равен 0), попадают на первый электрод (с потенциалом +100 в). Этот электрод покрыт веществом, обладающим большой вторичной эмиссией, а расположен он рядом с другим электродом с потенциалом +200 в. На каждый электрон, вылетевший с фото катода и попавшим на электрод с потенциалом +100 в, с этого электрода вырывается 2 или 3 электрона, которые летят на электрод с потенциалом +200 в. Рядом с последним еще один электрод с потенциалом +300 в. он получает уже 4 или 9 электронов (рис. 26).

Рис. 26. В фотоумножителе испускаемые катодом электроны вызывают вторичную эмиссию на первом диноде, который посылает электроны на другой динод, имеющий более высокий потенциал. Этот второй динод еще раз умножает количество электронов и направляет их на анод.

Н. — Все это очень хорошо, но скажи, пожалуйста, Любознайкин, что мешает исходящим с фото катода электронам отправиться прямо на электрод с потенциалом +200 в, а еще лучше на электрод с потенциалом +300 в?

Л. — Этому препятствует само взаимное расположение электродов, создающее электрические поля соответствующей формы. Но тем не менее всегда находится несколько электронов с «дурной головой», которые идут туда, куда им ходить не следовало бы. Главное в том, что, говоря языком статистики, они немногочисленны.

Создав фотоумножитель с десятком каскадов умножения, можно достичь усиления фотоэлектрического тока в несколько миллионов раз. Чувствительность таких фотоумножителей бывает просто фантастической. Впрочем, эти электровакуумные приборы широко используются для измерений в промышленности, в астрономии…

Я принес с собою один такой прибор, чтобы показать его тебе.

Н. — О! А я-то ожидал увидеть колоссальное сооружение, особенно когда узнал, что в нем 11 фотоумножающих каскадов. Кстати, как называются эти электроды, которые одновременно являются анодами (для предшествующей части) и катодами (для последующей части)?

Л. — Они называются вторично-электронными катодами или динодами. Соответствующие потенциалы подаются на них с помощью цепочки резисторов или последовательно включенных маленьких неоновых лампочек, обладающих еще одним преимуществом, а именно, — способность стабилизировать напряжение. Тем не менее я предпочитаю (рис. 27) цепочку из резисторов, которая позволяет получить одинаковую разницу потенциалов между соседними динодами. Действительно, чувствительность всего устройства (а вернее, кратность умножения каскадов) очень сильно зависит от разности напряжения между двумя соседними динодами.

Рис. 27. Для питания многокаскадного фотоумножителя лучше подавать смещение на диоды с помощью цепочки резисторов, включенной между катодом (с высоким отрицательным потенциалом) и корпусом.

Н. — Понятно. Но почему на своей схеме ты подал на катод отрицательное напряжение?

Л. — Я предпочел подать на катод — 1000 в относительно корпуса и таким образом иметь потенциал последнего электрода (анода) близким к нулю, потому что именно с того электрода я буду снимать усиленный фотоэлектрический ток.

Н. — Но скажи, пожалуйста, зачем все-таки нужен фотоэлемент с такой чудовищной чувствительностью?

Л. — Весьма часто приходится иметь дело с очень слабым лучом света. Наиболее типичным случаем является использование фотоумножителей в сцинтилляционных счетчиках, предназначенных для обнаружения ядерного излучения[8].

Н. — Ты хочешь сказать атомных лучей?

Л. — В известном смысле, да, но мне абсолютно не нравится это выражение, порожденное авторами низкопробного фантастического чтива. Во всех явлениях, которые неверно называются «атомными», на самом деле происходят изменения ядра.

Н. — Я понял, к чему ты ведешь. Вырывание электронов с катода электронной лампы или из ионизированного газа затрагивает атомы и поэтому могло бы заслуживать название «атомного явления».

Л. — Совершенно верно. А кроме того, ты забыл о химических реакциях, когда различные атомы обмениваются между собой электронами. Тогда как при распаде радия изменение претерпевают ядра атомов; такие же явления происходят в металле атомных бомб (которые следовало бы назвать «ядерными бомбами») или в атомах материала, используемого в реакторах для производства плутония.

Н. — Все эти истории с радиоактивностью представляются мне довольно туманными. И раз ты начал мне говорить об этом, то я могу сделать вывод, что нам предстоит сменить класс рассматриваемых преобразователей, но часы показывают очень поздний час, и я думаю, что сегодня я не способен больше что-либо воспринять. Если ты не возражаешь, мы продолжим нашу беседу завтра.

Л. — Согласен, и мы сможем завершить вопрос о преобразователях. Он, несомненно, немного скучен, но имеет очень большое значение в электронике.

Беседа четвертая ИЗМЕРЕНИЯ В ХИМИИ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Проникнув в глубь вещества, Любознайкин посвящает своего друга в тайны протонов, нейтронов и других элементарных частиц, а также в тайны ядерных излучений. Сразу же после этого он переходит к преобразователям, чувствительным к этим излучениям (счетчики Гейгера, ионизационные камеры, сцинтилляционные счетчики); начав разговор о частицах, наши друзья добрались и до процессов, происходящих с ионами в растворах. Незнайкин узнает, что такое pH, характеризующее кислотность раствора, его окисляющие свойства, а также с помощью каких преобразователей можно измерить это число.

Незнайкин — Дорогой Любознайкин, я совершенно обескуражен. Я попытался прочитать статью о «ядерных явлениях» (как ты их называешь) и был буквально подавлен лавиной таких незнакомых терминов, как бета-лучи, нейтроны, изотопы, электрон-вольты, бетатрон…

Любознайкин — Я не стану объяснять значения всех этих терминов, но ты сам увидишь, что все это не так ужасно, как тебе кажется. Прежде всего я попрошу тебя напомнить мне, как устроены ядра атомов.

Строение атома

Н. — Это маленькие шарики, заряженные положительно и содержащие в себе почти всю массу атома.

Л. — Правильно, но об атомных ядрах известно намного больше. Они состоят из частиц двух типов: протонов — мельчайших зернышек с положительным зарядом, и нейтронов — мельчайших зернышек с такой же массой, но не имеющих электрического заряда. Заряд протона равен заряду электрона, но имеет противоположный знак. Само собой разумеется, что в ядре нейтрального атома имеется столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг этого ядра. Количество протонов называется «атомным номером». Например, наиболее простое по своему устройству ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, вокруг которого вращается один электрон.