Это - очередная статья о физических проблемах вещей, которые нас окружают. Электровакуумные приборы кратко упоминаются в школьном курсе физики, более подробно о них рассказано в серии статей в нашем журнале (1996, ! 5; 1997, ! 4; 1999, ! 1; 2001, ! 1), еще подробнее - в книге "Электронные лампы. Из прошлого в будущее" и в книге "Вакуум для науки и техники". В последней книге рассказано только об одной части проблем электронных ламп - о вакуумных проблемах, зато рассказано подробно. Все эти материалы можно просто скачать в интернете. Однако в них основное внимание уделено принципам работы, и отчасти - применению приборов, проблемы же затрагиваются лишь слегка. Эта статья посвящена в основном проблемам, поскольку именно разговор о них позволит рассказать, как действуют самые разные физические законы, как они связаны между собой.
Физика - это не просто список формул, это система параметров объектов (например - масса, ускорение, скорость, сила) и законов, которые связывают эти параметры (например - законы Ньютона, сохранение импульса). Причем каждый закон имеет свою область применения и точность, и знание области эффективного применения позволяет осознанно применять законы к решению новых задач. Не учебных задач, про которые сразу известно, "на какой закон" эта задача, а реальных задач, то есть ситуаций в окружающем мире.
В предыдущих статьях рассказывалось о законах и проблемах наших близких соседей - конденсаторов, резисторов, выключателей и предохранителей. Все они живут рядом с нами, в наших карманах, в наших квартирах. С электровакуумными приборами (далее - электронными лампами, или просто - лампами) ситуация немного иная. На протяжении почти века они окружали человека - обитали в любом телевизоре, приемнике, магнитофоне и проигрывателе. Сегодня они нас дома не окружают, в части бытовой технике они уступили место полупроводниковым приборам. Они остались в трех областях. Во-первых, это техника высококачественного воспроизведения звука, hi-fi и high end, с их интересной историей, физикой, техникой и мифологией. Во-вторых, это СВЧ-печи, или "микроволновки", с их теплой и, надеемся, вкусной едой. И это "рентгеновские трубки", сердце генераторов рентгеновского излучения, которое весьма широко применяется в физике (различные методы исследования веществ), в технике (дефектоскопия) и медицины (с этим вы, наверное, сами знакомы).
Вне быта главные области применения электронных ламп сегодня - это радиолокация, космическая связь и ускорительная техника. То есть области, где нужно сочетание высокой мощности и высокой частоты сигнала. На рисунке (рис. 1) показаны области частот и мощностей, освоенных вакуумными и полупроводниковыми приборами в разные годы. При этом имеется в виду средняя мощность; импульсная может быть существенно больше, и это мы еще обсудим. А пока рассмотрим последовательно принципы работы электронных ламп и их проблемы.
Рис. 1 Достигнутые уровни средней мощности на разных частотах
Поле управляет током
Первый принцип - поле управляет током и вот его реализация, простейший прибор - диод. Это два электрода, из одного (катода) могут вылетать электроны, причем с малыми скоростями, из другого (анода) - не могут. Электроды находятся в вакууме, поэтому электроны могут долететь от катода до анода. Если на аноде относительно катода положительное напряжение, они это и делают, если нулевое или отрицательное - не делают. Это - принцип работы, и вот его проявление - если подать на анод относительно катода переменное синусоидальное напряжение, ток будет идти только в положительные полуволны. Говорят, что диод "выпрямляет" напряжение, но это не выпрямление, а срезание полуволн. Вот если после диода поставить конденсатор достаточной емкости (кстати, какой?) - тогда будет нечто, похожее на выпрямление.
Само по себе то, что поле управляет током, не должно удивлять - закон Ома для обычных проводников говорит именно это. Однако в проводниках ток пропорционален полю (то есть при фиксированном напряжении обратно пропорционален длине проводника), и в некоторых учебниках даже приводятся какие-то рассуждения по этому поводу (добавка к скорости электрона мала, поэтому время между рассеиваниями на решетке постоянно, значит, добавка линейно зависит от поля и так далее). А в вакууме все оказывается не так - ток пропорционален напряжению в степени 3/2, и обратно пропорционален квадрату расстояния между плоскими параллельными электродами (закон Ленгмюра, он же - закон трех вторых). Но здесь мы выходим за школьный курс математики - надо решить уравнение, в которое входят и функция, и ее производная, так называемое дифференциальное уравнение, как говорят, "дифур".
Важно понимать физические отличия ситуации в вакууме и в проводнике, их два. Во-первых, в проводнике поле создается только внешним источником, средний заряд электронов скомпенсирован средним зарядом ионов. В вакууме это не так - ионов там очень мало, это же вакуум. Поэтому поле, созданное самими электронами, влияет на их движение. Во-вторых, в проводнике есть рассеивание электронов на решетке, в вакууме этого нет. Правда, есть еще сверхпроводимость, она упоминается в учебнике, но сейчас речь не о ней. В графене и некоторых других средах в области низких температур электроны могут начать вести себя "неправильно", течь как вода, с нулевой скоростью около стенок или с завихрениями... но это вообще "передний край" физики. Вот удивительная картинка из одной из публикаций (рис. 2). Слева - как ток течет по тонкой пленке из золота, то есть по обычному проводнику, справа - по пленке из теллурида вольфрама (https://nplus1.ru/news/2022/07/06/electron-vortices).
Рис. 2 Ток может течь и так, и этак.
Куда и почему в обычной жизни летит электрон? Второй закон Ньютона говорит, что ускорение направлено туда, куда сила. Однако тело летит не обязательно туда же. Например, ускорение Земли направлено почти к центру тяжести Солнца (кстати, почему почти?), а летим мы, к счастью, не туда. Поэтому и ток не обязан идти именно на тот электрод, который создает поле и силу. Мы пришли ко второму принципу.
Куда летит электрон
Второй принцип - ток может идти не на тот электрод, который создает поле, и вот его реализация, простейший прибор - триод. Между катодом и анодом стоит третий электрод - сетка, она должна быть проводником, чтобы при подведении к ней напряжения создавать в лампе электрическое поле (а что будет, если она диэлектрическая?), и быть проницаемой для летящих от катода электронов. Сеткой ее назвали потому, что она и была похожа на сетку, и осталась на нее похожа. Не возникла ли у вас мысль - применить в качестве сетки графен? Это красивая мысль, но увы - графен неплохо пропускает сквозь себя летящие электроны с энергией в десятки электрон-вольт, но тут-то речь идет о на порядок меньших величинах. Правда, существуют похожие на графен материалы, которые, естественно, называют "графеноподобными"... А сколько еще таких создадут... или сколько таких создадите вы... и какие у них будут свойства...
Кстати, масса у электронов есть не только в вакууме, но и в твердом теле, значит, есть инерция, значит, ток и в твердом теле может идти как в вакууме, если проводник мал и электрон не успевает испытать рассеяние. Это называется "баллистическая проводимость". Но, опять же, это новые результаты, а мы в рамках классической физики.
Проявление этого второго принципа очевидно - мы можем управлять током, изменяя напряжение на сетке. При этом, если сетка не перехватывает электроны (это мы еще обсудим), то входное сопротивление получается большим, а мощность управления - малой, и это замечательно. Если мы пропустим анодный ток по сопротивлению, то получим на выходе напряжение - мы сделали усилитель напряжения с высоким входным сопротивлением.
Третий принцип - сеток может быть несколько. Катодов и анодов, кстати, тоже может быть несколько, но пока нам непонятно зачем, а зачем несколько сеток, мы понимаем - чтобы было несколько способов управления током. Есть и возможности похитрее - если мы подадим на две сетки две синусоиды с частотами f1 и f2, то в выходном сигнале будут "комбинационные частоты" nf1 + mf2 (n и m - любые целые), которые можно разделить фильтрами. Этот прием используется, наверное, во всех современных приемниках. Сеток может быть и не две, а три и больше, но это уже для других разнообразных применений.
То, что мы сейчас придумали, называется "сеточные лампы", они возникли в начале прошлого века, век служили людям своими электронами, и даже сейчас это делают. Хотя ни в рентгеновской трубке, ни в магнетроне (в СВЧ-печи) сетки нет, это диоды. Смысл рентгеновской трубки в генерации при торможении электронов на аноде рентгеновского излучения - электромагнитного излучения с длиной волны 10-3-102 нм. Смысл магнетрона, как это ни забавно, почти в том же, то есть в генерации электромагнитного излучения. Правда, с длиной волны около 10 см, и совершенно другим способом - при пролете электронного сгустка рядом с резонансным контуром. Но главный фокус магнетрона в том, что электроны собираются в сгустки под действием электромагнитного поля этих резонансных контуров. А оно возникает именно и только при пролете электронных сгустков. Вы думали, что только в цирке дядя вынимает кролика за уши из шляпы, где его нет? Это делает миллиарды раз в секунду магнетрон в СВЧ-печке.
А теперь - о проблемах.
Проблемы с вакуумом
Первая, самая очевидная проблема - вакуум. Каким он должен быть, чтобы, электрон мог с вероятностью хотя бы 0,99 добраться до катода до анода при расстоянии, например, 1 мм? Это простой вопрос, надо только знать размер молекулы азота. Например, можно исходить из того, что при давлении 1 атмосфера 22,4 литра имеют массу 28 грамм, а число Авогадро вы сами знаете. Получить соответствующий вакуум не трудно, но на практике требуется гораздо меньшая концентрация остаточных газов, то есть более "высокий" вакуум, а почему - скоро узнаем.
Вакуум надо как-то отгородить от атмосферы, то есть нужен герметичный корпус. Нам повезло, что мы живем на Земле - разность давлений легко выдерживается технологически удобным тонкостенным баллон. На Венере и особенно на Юпитере ситуация могла оказаться сложнее. Кстати, механические напряжения при упрощенной модели посчитать легко. В книжках встречается близкая задача - почему при варке сосиски лопаются вдоль, а не поперек. Там, правда, давление не снаружи, а изнутри, но задача все равно простая.
При работе электронной лампы ее стеклянный баллон нагревается, и при некоторых неисправностях нагрев может быть таким сильным, что атмосферное давление сможет деформировать баллон (рис. 3). Но это редкий и, можно сказать, криминальный случай.
Рис. 3 Вот что бывает, когда стекло размягчается
Чтобы лампа работала, надо подать напряжения на катод, анод и сетку (или несколько сеток). То есть баллон должен быть либо диэлектрическим (стекло, керамика), либо металлическим, но тогда надо изолировать вводы. Можно было бы изолировать все, кроме одного, но на практике изолируют все - неудобно иметь металлический баллон под потенциалом одного из электродов. Соответственно, возникают и технологические (как сделать) и физические проблемы.
Вакуумно-плотное, то есть без щелей, соединение металла и стекла (или керамики) - хорошо известная конструкторская и технологическая проблема. При каких условиях слипается раскаленное стекло с металлом, - уже это не простой и не слишком хорошо изученный вопрос; но что происходит дальше? Само соединение осуществляется при высокой температуре, потом объект надо остудить, а что делают вещества при изменении температуры? В частности, изменяют свои размеры, а если они соединены, и возникающие механические напряжения превзойдут прочность соединенных материалов или прочность самого соединения (это три разных прочности), то соединение разрушится. Механические напряжения могут быть в некоторых случаях вычислены, если известны параметры соединяемых материалов. Например, вы можете получить этот результат, если соединены соосно цилиндр и стержень с известными коэффициентами термического расширения и модулями Юнга.
Кстати, почему в качестве модели для расчета напряжений надо брать систему с осевой симметрией? Не только потому, что она похожа на реальную конструкцию. А еще и потому, что конструкции из двух пластинок может быть энергетически выгоднее изогнуться, а это посчитать будет сложнее. На практике стараются в качестве вводов использовать материалы с таким же расширением, как материал баллона. Но это сплавы, а у сплавов обычно выше сопротивление, а мы собирались по вводам пропускать токи.
Поэтому первая физическая проблема - вводы должны иметь достаточное сечение, чтобы они не грелись протекающим током, а вторая проблема - расстояние между вводами должно быть достаточно велико, чтобы не произошел пробой по поверхности баллона (пробой по поверхности происходит при меньших напряжениях, чем пробой по объему; о пробое можно прочитать в ! 8 за 1984 год). Что касается пробоя в твердых телах, хоть по объему, хоть по поверхности, то физика явлений частично известна, но не настолько, чтобы говорить о расчете пробивного поля. Экспериментальные данные, конечно, есть и на практике в лампах, использующих высокие напряжения, ввод для этого напряжения располагают подальше от остальных (рис. 4).
Рис. 4 Высоковольтные выводы вверху
Проблемы сетки
Выше объяснено, почему важный параметр - ток в цепи сетки. Этот ток зависит от трех факторов - от приложенного между сеткой и катодом напряжения, от сопротивления стекла и от перехвата сеткой электронов, летящих от катода. Идеальных диэлектриков вообще не существует, стекло - не самый хороший диэлектрик, а тут оно вдобавок нагретое (почему - мы еще обсудим), а это уменьшает его сопротивление. В этом смысле диэлектрики ведут себя, как полупроводники, а не как проводники; об этом различии рассказано в учебнике. В лампах, специально предназначенных для работы с малыми токами в цепи сетки ("электрометрические лампы") вывод сетки (не анода!) удаляют от остальных выводов (рис. 5).
Рис. 5 Электрометрическая лампа
Кроме тока по стеклу, вызванного приложением напряжения, есть еще одна причина для тока в цепи сетки. Часть электронов, летящих от катода, перехватывается сеткой. Это зависит от того, как сделана сетка, - от диаметра проволочек, от того, проволочки это или ленточки (рис. 6), и как они расположены. Траектории электронов и долю перехвата можно рассчитать, но это не школьная задача. Кстати, насчет сетки не из проволочек, а из ленточек. Как вам кажется, надо располагать ленточки, - плоскостью поперек потока электронов или вдоль него? Для начала - какие факторы влияют на ответ?
Рис. 6 Сетки из ленточек (в этой лампе было две сетки). Плоскость лент параллельна потоку электронов.
Допускать накопления электронов на сетке нельзя - сетка зарядится отрицательно до потенциала, при котором ее поле прекратит ток с катода ("лампа запрется"). В старых схемах сетку соединяли с катодом через сопротивление ("сопротивление утечки"), которое для обеспечения стабильности работы, делали вдобавок существенно меньше сопротивления стекла (которое зависит и от влажности, и от температуры, и от того брались вы за баллон голыми пальцами). Сейчас напряжение на сетке относительно катода поддерживается независимым от перехвата тока источником.
Перехват тока сеткой плох по нескольким причинам, в частности, он нагревает сетку и с нее может начаться термоэлектронная эмиссия, то есть сетка начнет вести себя, как катод (для этого безобразия есть и другая причина, мы до нее еще доберемся). Только управлять этим током сетка уже не будет, лампа перестанет работать. В некоторых более мощных лампах для уменьшения перехвата катод устраивают так, что электроны из него вылетают не равномерно по всей площади, а только с участков, расположенных под отверстиями в сетке (рис. 7).
Выше была фраза про то, что может быть несколько катодов - это почти тот самый случай. Почти - потому, что катоды, в смысле элементы, которые эмитируют, тут действительно отдельные (это диски-луночки из гексаборида лантана, LaB6, вделанные в графитовую матрицу), но подогреватель - он стоит сзади и не виден - он один. Чтобы не спорить, один это катод или много, говорят - катодно-подогревательный узел.
Проблемы катода
Итак, мы добрались до катода. Чтобы покинуть катод и вылететь в вакуум, у электрона есть два способа - получить дополнительную энергию, большую "работы выхода", или воспользоваться квантовыми свойствами, позволяющими преодолевать тонкий (то есть локализованный в пространстве) потенциальный барьер.
Что касается дополнительной энергии, то в учебнике упоминаются, опять же, два возможных способа - нагреть катод и облучить фотонами. Это называется, соответственно, термоэмиссия и фотоэмиссия. На самом деле есть и другие способы, например, направить на катод поток электронов или ионов, получить, соответственно, вторично-электронную и ионно-электронную эмиссию. Для всех видов эмиссии есть и теории, и экспериментальные данные, и кое-где в электровакуумных приборах эти процессы встречаются. Например, на аноде, куда прилетают электроны с относительно большими энергиями, возникает вторично-электронная эмиссия - это вредный процесс.
Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы), которыми "видят" приборы ночного видения, используют фотоэмиссию и вторично-электронную эмиссию, они необходимы для их работы. Фотоэмиссия обменивает кванты света на электроны, вторично-электронная эмиссия усиливает поток электронов, а люминофор обменивает эти электроны обратно, на кванты света - мы получили усилитель света. Кстати, как вы думаете, можно ли на этом принципе сделать преобразователь инфракрасного излучения в видимое? Далее, ионно-электронная эмиссия важна для работы люминесцентных (их еще называют "энергосберегающими) ламп, впрочем, это уже не электровакуумные, а газоразрядные приборы. Но что касается катодов электронных ламп, то они всегда используют термоэмиссию.
Правда, последние десятилетия идет медленное расширение применения упомянутой выше эмиссии сквозь тонкий потенциальный барьер (автоэлектронной эмиссии). Чтобы он был тонким, надо создать на поверхности высокую напряженность поля, а для этого катод должен быть лезвием или острием. Соответственно, с катода эмитируется расходящийся веером поток электронов, а все классические электровакуумные приборы работали с пучками, в которых траектории электронов были параллельны. Поэтому использование автоэлектронной эмиссии требует разработки новых типов приборов, а это дело дорогое, не быстрое, и вообще рискованное. В смысле, что время и силы будут потрачены, но может ничего и не получиться. Тем не менее физика и техника не стоят на месте, и к тому времени, когда вы вступите в игру, ситуация, наверное, еще немного сдвинется в сторону автоэмиссии. Но в этой статье ограничимся рассмотрением термоэмиссии.
Кстати, а почему из обычного плоского термокатода электроны вылетают с малыми скоростями и перпендикулярно поверхности катода? Для преодоления потенциального барьера важна не полная энергия электрона, а компонента скорости, перпендикулярная поверхности. Поэтому при равных энергиях в наиболее выгодном положении оказываются электроны, летящие перпендикулярно барьеру. То есть барьер сам отбирает такие электроны. С ростом энергии количество электронов, обладающих соответствующей энергией, падает быстро. Зря увеличивать температуру, сокращая срок службы, никто не будет, ее устанавливают так, чтобы обеспечить необходимый ток (с небольшим запасом на дрейф параметров). И вылетевшие электроны оказываются теми, которым еле-еле хватило на это энергии.
Катоды самых первых электронных ламп были просто вольфрамовыми проволочками, они нагревались пропусканием тока (прямонакальные катоды). Соответственно, срок службы ламп определялся скоростью испарения вольфрама, причем чем больше был нужен ток эмиссии, тем выше приходилось поднимать температуру, и тем меньше оказывался срок службы. Вся дальнейшая вековая эволюция ламп была результатом работы физиков и инженеров, конструкторов и технологов, над увеличением эмиссии и срока службы, причем в том сочетании, которое требовалось для того или иного прибора. Одно из направлений работы - поиск и создание для катодов материалов с низкой работой выхода, эта величина даже упоминается в учебнике (правда, в разделе о фотоэмиссии).
Но по мере уменьшения работы выхода возникали две попутные проблемы. Первая - материал с низкой работой выхода содержал элементы I и II группы, причем V и VI периодов, то есть наиболее химически активные. Значит, требовался очень высокий вакуум, иначе материал взаимодействовал с остаточными газами, и работа выхода увеличивалась. Вторая - этот материал, испаряясь, попадал на изоляторы, имеющиеся внутри лампы, и портил их - он-то был проводником. Изоляторы можно защитить от напыления экранами, но напыление попадало и на сетку, и она начинала работать, как катод, с названными выше последствиями. Поэтому сетки покрывали материалами, которые растворяли в себе то, что напылялось. На рис. 8 показана сетка мощной электронной лампы, покрытая золотом. Белая поверхность за ней - покрытие так называемого "оксидного катода", тонкого слоя тройного оксида (BaSrCa)O. После нагрева в вакууме он становится полупроводником с низкой работой выхода. А испаряет он при работе барий, который и оседает на сетке. Один из способов защиты - тонкая пленка золота, она хорошо растворяет барий и не дает ему уменьшать работу выхода сетки. Сам слой оксида нанесен на подложку, обычно из никеля, а уж за ней находится нагреватель, который нагревает слой оксида до температуры, при которой он может эмитировать необходимый ток. Это называется - катод косвенного накала (на предыдущем рисунке тоже катод косвенного накала).
Рис. 8 Сетка покрыта золотом для растворения бария и увеличения работы выхода
Попутно, разумеется, разработчики электровакуумных приборов решали все прочие задачи - увеличивали напряжение, ток, мощность, вибро- и ударопрочность, уменьшали габариты, вес и стоимость, все это по отдельности и в любых сочетаниях. И каждая из этих задач упиралась в физику, причем решение инженерных задач требовало знания разных ее разделов. И чем более новой и интересной была инженерная задача, тем более широкое знание физики требовалось для ее решения.
Первые три принципа, рассмотренные выше, касались электричества, точнее - взаимодействия заряда и поля. Они не специфичны для вакуумных приборов, при некоторых условиях они "работают" и в твердом теле, хотя это пока - передний край физики. Но четвертый принцип - гораздо более общий, это закон сохранения энергии. Разберемся, как он работает для электронных приборов.
или спросите поисковик "вакуумный СВЧ диод с полевым УНТ катодом". Но кроме них, все остальные потребляют - энергию и мощность. А что они выдают? Лампы, работающие в области высоких частот, выдают электромагнитную волну, то есть энергию и мощность. Про лампы, работающие в области относительно низких частот, сказать "выдают" нельзя, можно сказать "могут выдавать". Ибо для этого к ним надо подсоединить нагрузку, а без нагрузки у них на выходе есть напряжение (или ток в цепи анода), но нет мощности. Правда, тут есть тонкости, например, есть высокочастотные лампы, которым вредно работать без нагрузки. Например, СВЧ-печи (в просторечии - микроволновки) не положено включать без нагрузки. Но сейчас мы обсуждаем более простые ситуации. Так вот, так или иначе, а КПД не бывает 100 %, соответственно, возникают два вопроса - как можно увеличить КПД и куда девается "остальное".
Остальное девается в основном в тепло - электроны прилетают к аноду с энергией и почти вся она преобразуется в тепло (порядка 1 % - в рентгеновское излучение). От этого тепла много неприятностей, например, материал анода может испаряться или расплавится. Охлаждение происходит с внешней стороны, а греется анод изнутри. При нагреве материал анода расширяется, но внешние слои не дают ему это сделать, в материале возникают механические напряжения. В итоге материал анода трескается. Эти процессы с трудом поддаются расчету, но экспериментальные данные и опыт эксплуатации имеется.
В самом начале статьи было что-то сказано про среднюю мощность и ее отличие от импульсной. Представим себе, что лампа работает в непрерывном режиме, часть потребленной ею энергии так или иначе преобразуется в тепло и достается электродам. В итоге все это тепло отводится в окружающую среду. Охлаждение естественное или искусственное, водяное или воздушное - все равно все в среду. Но все части лампы, и электроды, и оболочка - все нагревается, а вот до какой температуры - зависит от того, как работает охлаждение. Раз нагревается, значит сильнее испаряется, изменяет размеры, теряет прочность, увеличивает эмиссию, может и совсем того, расплавиться. Тепловой режим отчасти поддается расчету, уравнения там не слишком сложные, но все-таки не школьные. Поэтому расчет нужен, но экспериментальная проверка обязательна.
Но вот что надо понимать про среднюю и импульсную мощность. Электровакуумные приборы любых типов часто работают в импульсном режиме. Рассмотрим самый простой случай, когда это прямоугольные импульсы длительностью t, следующие с периодом T. На всякий случай - в книгах и статья вы встретите термины "коэффициент заполнения", он равен t/T, и "скважность", она равна T/t. Пусть мощность в течение импульса равна N. Тогда, очевидно, средняя мощность равна tN/T. Внимание, вопрос - чему равен нагрев (какого-то определенного элемента лампы. Равен ли он нагреву при работе в непрерывном режиме с мощностью, равной средней, то есть tN/T (что кажется естественным) или нагреву при работе в непрерывном режиме с мощностью, равной пиковой, то есть N (что кажется глупостью)? Подсказка - возможны оба случая, а также все промежуточные.
На самом же деле, это только самый маленький и начальный кусочек огромного куска физики и техники, причем имеющего отношения далеко не только электронных ламп. Но в любом случае - все эти процессы вредны. Как их избежать?
На этот вопрос есть много ответов, причем для каждого типа приборов ответы свои, но два общих - причем правильных - ответа вы можете дать сразу, исходя из того, что вы уже знаете. Надо притормозить электроны перед прибытием на анод. Это действительно делается, и называется это рекуперацией. Вы можете на досуге поразмышлять, есть ли у этого способа ограничения и какие (их по крайней мере два). Другой способ - "распушить" электронный пучок, обрушивающийся на анод, расширить его, уменьшить "плотность мощности", отношение мощности к площади. Впрочем, и у этого способа есть ограничение, но какое?
С остальными принципами ситуация сложнее - сами они просты, и возникающие проблемы известны, но в рамках школьного курса связать их, как мы это делали выше, почти не получится. Однако сами принципы (точнее, два из них) мы назовем и возникающие проблемы тоже.
Принцип "собраться в кучку"
Принцип использует простую кинематику. Пусть у нас есть сгусток электронов, и он летит, то есть все электроны в данный момент имеют одинаковые скорости. Кстати, понятно ли, что только в этом случае можно говорить "он летит с такой-то скоростью"? Если да, то почему мы говорим: "Земля летит с такой-то скоростью"? Ведь у разных точку Земли скорость разная. Однако, вернемся к электронам.
Если вокруг них пустое пространство и нет в нем электрических и магнитных полей, то они так и будут лететь, но сгусток понемногу будет расширяться из-за закона Кулона. Если мы вообще собираемся что-то делать с этим сгустком, то нам, скорее всего, потребуется, чтобы он не расширялся. Делается это так - вдоль направления полета организуется постоянное магнитное поле, соленоидом или постоянными магнитами. Вспомните соответствующие формулы и скажите, как он будут себя вести электроны. Во многих случаях это решит проблему, хотя создание такого поля - это дополнительная трата энергии (если соленоид), и во всех случаях - увеличение веса, габаритов и стоимости.
Теперь представим себе, что передние по ходу движения электроны немного уменьшили, или задние - немного увеличили свои скорости. Кусок начнет укорачиваться, а если мы правильно распределим изменения скорости по куску (кстати, как именно?), то кусок вообще соберется в блин. Проблемой здесь будет это самое правильное изменение скорости. Но зачем мы вообще собирали электроны в блин?
Принцип "взаимодействовать с полем"
Ответ на этот вопрос - последний принцип, который здесь назовем, а именно, взаимодействие с электромагнитным полем. Но разве не было его в сеточных лампах? Ответ таков - оно было, но настолько слабое, что для анализа работы ламп его учет не требовался. Разумеется, электромагнитное поле возникает всегда, когда у нас есть переменное электрическое или магнитное поле. Но то, что возникло, зависит от того, с какой скоростью изменяется то, что изменяется. И область частот, в которых используются сеточные лампы, такова, что эти эффекты приходится учитывать не часто. Для работы на высоких частотах были созданы лампы, которые использовали именно взаимодействие с полем. Об этом принципе и об этих лампах популярно рассказано в статьях и книге, указанных в самом начале этой статьи.
Что же касается возникающих при этом проблем, то их несколько. Электронный поток должен быть "аккуратным" - скорости электронов должны быть одинаковы, а их траектории не должны пересекаться. Но электромагнитное поле зависит и от координат в пространства, и от времени, в разных местах и в разные моменты оно разное. Поэтому, как только мы допустили взаимодействие, мы допустили неаккуратность потока. Это означает, что и теория ламп, и их разработка будут сложны. В частности, это означает, что упомянутая выше рекуперация не может быть идеальной.
Для улучшения взаимодействия хочется сделать электронный сгусток поплотнее, но Шарль Кулон из своего XVIII века этому препятствует и с этим ничего поделать не удастся. Ввести в область взаимодействия положительные ионы для компенсации заряда не удастся, и вы уже знаете, почему. Кроме того, упомянутое выше в тексте "правильное изменение" скорости (линейное) на практике получить нельзя. Воздействие на электроны производится электромагнитным полем, а оно зависит от времени не так, как нам хочется, а по синусоиде. Все это означает, что те, кто занимается теорией и практикой этих приборов, решает сложные задачи.
Как иногда шутят, "простые задачи решили до нас". Но это означает, что ваше удовольствие от решения будет больше, чем у тех, кто решал эти задачи раньше - а оно было не маленьким.
