Первичные электроны

На 7.1 приведена структурная схема такого регистрирующего прибора. На вход ИЦ подается электрическая величина х. Если необходимо вести регистрацию изменения какой-либо неэлектрической величины, то в этом случае перед регистрирующим прибором необходимо включить соответствующий первичный преобразователь, который и преобразует контролируемую неэлектрическую величину в электрическую.

передачи мощности можно воспользоваться схемой, представленной на 2.4. В результате сопоставления основных энергетических соотношений между сопрягаемыми преобразователями в двух режимах — при отсутствии входного воздействия на первичный преобразователь и при наличии такого воздействия — можно определить, что условием согласования в этом случае является равенство [125] RH —

В наиболее точных тесламетрах в качестве первичных преобразователей используют ЯМР-преобразователи. Схема такого тесламетра, основанного на методе резонансного поглощения, приведена на 17.5, а. Первичный преобразователь (зонд) прибора представляет собой ампулу, наполненную водой, тяжелой водой или водным раствором хлористого лития (в зависимости от требуемого предела измерения). На ампулу намотана катушка индуктивности, входящая в контур высокочастотного генератора (ГВЧ) с регулируемой частотой. При измерении исследуемой индукции Вх регулированием частоты ГВЧ можно добиться резонанса — равенства частот высокочастотного поля и прецессии ядер рабочего вещества. При этом происходят поглощение энергии и уменьшение амплитуды генерируемых колебаний.

Все методы измерения неэлектрических величин можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактном методе первичный преобразователь находится в непосредственном контакте с исследуемым объектом. Контактные методы сравнительно просты в реализации и обеспечивают высокую чувствительность, а также возможность локализации точки измерения в том месте технологического процесса, которое является наиболее информативным. В то же время при контактном методе имеет место обратное влияние измерительного преобразователя на параметры исследуемого объекта, что может привести к значительному искажению результата измерения. Кроме того, в ряде случаев невозможно осуществить непосредственный контакт измерительного преобразователя с исследуемым объектом вследствие, например, неблагоприятных условий измерения (влажность, запыленность, вибрации, опасность механического разрушения, химическая и радиационная агрессивность, большая удаленность объекта и т. п.).

При бесконтактном методе измерения первичный преобразователь не находится в непосредственном контакте с исследуемым объектом и не искажает его параметров. При этом, однако, на результат измерения в большой степени влияет окружающая среда, отделяющая ИССЛеДуе-мый объект от первичного преобразователя.

В общем случае приборы для измерения неэлектрических величин, включающие в себя первичный преобразователь и вторичный электрический измерительный прибор, могут быть построены по схеме прямого или уравновешивающего преобразований. Следует отметить, что часто выходная электрическая величина первичного преобразователя может подвергаться дополнительным промежуточным преобразованиям, главным образом с целью усиления, унификации, линеаризации и т. п. Схема уравновешивающего преобразования вследствие сложностей создания достаточно мощных, надежных и точных обратных преобразователей электрических величин в неэлектрические нашла ограниченное применение.

Особенность построения приборов для измерений неэлектрических величин обусловлена необходимостью обеспечения метрологической совместимости при сопряжении первичного преобразователя с нелинейной функцией преобразования (каким является в общем случае первичный преобразователь) с электрическим средством измерения, для которого характерна линейная зависимость показания от значения входной величины. В аналоговых измерителях неэлектрических величин нелинейность первичного преобразователя компенсируется градуировкой шкалы, которая в этом случае будет нелинейной. Если необходимо обеспечить линейную шкалу, применяют различные конструк-торско-технологические или структурные методы. Примером применения первых из них может служить использование в автоматических приборах уравновешивания (см. 19.3...19.5) реохордов с изменяющимся шагом намотки по длине каркаса, применение специального профиля каркаса при равномерной намотке либо специального профиля кулачка в приборах, собранных по схеме 19.6.

Основными проблемами, которые возникают при измерениях с применением емкостных и индуктивных преобразователей, являются проблемы, связанные с устранением влияния линии связи, особенно в тех случаях, когда первичный преобразователь находится на большом расстоянии от измерительного прибора. Вследствие большой протяженности в линии могут наводиться значительные активные помехи. Поэтому осуществляют фильтрацию помех, в частности разделением

спектра частот информативного параметра и помехи. А поскольку в условиях промышленного производства помехи в большинстве случаев низкочастотные (промышленной частоты), преобразование информативного параметра осуществляют на сравнительно высоких частотах. Другим источником погрешности, связанным с линией связи, являются распределенные емкостные и индуктивные сопротивления утечек между линиями, шунтирующие выходной информативный параметр первичного преобразователя. Если учесть, что выходные емкости первичных преобразователей составляют десятки пикофарад, то при погонной емкости между проводами линии связи, которая может достигать десятков пикофарад на метр, ее шунтирующее действие столь велико, что измерение становится невозможным. Для устранения влияния паразитных емкостей прибегают к экранированию линий и соответствующему схемному решению, при котором шунтирующее действие паразитных емкостей на первичный преобразователь было бы устранено или значительно уменьшено. Например, в схеме 19.8 паразитная емкость между жилой линии связи и экраном оказывается включенной параллельно сравнительно высокоомным сопротивлениям обмоток wal компаратора тока и WT! трансформатора напряжения и их шунтирующее действие будет незначительным.

В основу емкостного метода положено изменение емкости конденсатора в зависимости от уровня его заполнения. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально и помещены в резервуар, уровень содержимого которого измеряется. Конденсатор может быть образован стенкой резервуара и щупом, погруженным в его содержимое. Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродвв и жидкостью, уровень которой измеряется,

Выбор того или иного метода измерения определяется рядом факторов, а именно: областью измеряемых температур, агрессивностью среды, механическими нагрузками на первичный преобразователь, динамическими свойствами исследуемого процесса, а также необходимой чувствительностью и точностью измерения. Часто эти факторы находятся в противоречии, что затрудняет выбор метода. Определяющим в первую очередь являются область измеряемых температур и требуемая точность.

Под действием излучения из фотокатода возникает эмиссия электронов -первичные электроны, которые благодаря ускоряющему электрическому полю направляются к первому диноду. Поскольку площадь фотокатода больше площади первого динода, то, чтобы максимальное количество электронов достигло динода, фокусирующая система сжимает электронный поток. Отношение числа электронов ^, достигших первого динода, к числу электронов N, эмиттируемых фотокатодом, называется коэффициентом сбора т? и составляет для ФЭУ величину 0,7-0,95.

Первичные электроны обладают энергией, достаточной, чтобы выбить из первого динода вторичные электроны п2, причем п2>п,. Отношение <У=я./я, называется коэффициентом вторичной эмиссии и может достигать для ФЭУ Iff.

Процесс развития разряда можно проследить на вольт -амперной характеристике ( 8.16). Участок ОА соответствует несамостоятельному разряду, его существование возможно только при наличии внешних ионизирующих факторов (света, космического излучения и т.п.) . Образующиеся под воздействием внешних ионизаторов первичные электроны, двигаясь в электрическом поле, производят ударную ионизацию газа. Появившиеся при этом вторичные электроны и ионы увеличивают ток до некоторого установившегося значения.

Вторичной эмиссией называется явление выхода электронов из «холодного» металла под действием бомбардировки его первичными электронами. Первичные электроны, обладающие относительно большой скоростью, встреча* на своем пути поверхность металла, тормозятся и отдают свою энергию его электронам (например, аноду электронной лампы).

При облучении фотокатода светом первичные электроны, ускоряемые электрическим полем динода Дь выбивают из него вторичные электроны. Эти электроны ускоряются полем динода Д2 и выбивают из него новые вторичные электроны, и так до тех пор, пока вторичные электроны последнего динода не достигнут анода А. Анодный ток, проходя через Ra, выделяет на нем полезное напряжение.

Таким образом, механизм дуги можно представить себе следующим. Из катода в результате высокой степени его разогрева (термоэлектронная эмиссия) или наличия около его поверхности больших на-пряженностей электрического поля (106—Ю-7 в/см — автоэлектронная эмиссия) вырывается поток электронов. Первый случай имеет место для материалов катода с высокой температурой плавления и испарения металла (уголь, графит, вольфрам, молибден), благодаря чему температура на их поверхности может достигать в катодных пятнах значений 2500—3000° С и выше, когда начинается заметная термоэлектронная эмиссия. Второй случай соответствует материалам с низкой температурой кипения и испарения (ртуть, титан, медь). В области катодного падения поток электронов разгоняется настолько, что за ее пределами происходит интенсивная ионизация частиц газа в дуговом промежутке, причем здесь, по-видимому, весьма существенна роль ступенчатой ионизации. Образовавшиеся положительные ионы под действием поля направляются к катоду и разогревают его; вторичные и первичные электроны направляются через столб дуги в направлении анода. На их пути происходят новые соударения (главным образом термическая ионизация) и образование новых заряженных частиц, что компенсирует их исчезновение в более холодных частях столба путем рекомбинации и диффузии. При попадании на анод отрицательные частицы нейтрализуются, выбивая из него некоторое количество положительных ионов, устремляющихся через столб дуги к катоду. Плазма столба в целом нейтральна, т. е. концентрация положительных и отрицательных частиц одинакова, но из-за того, что подвижность электронов по

Пробой развивается следующим образом. Под действием внешнего ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ионизацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 10s м/с первичная электронная лавина. На пути следования лавины образуется канал, состоящий из электронов и положительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

Лампы со вторичной эмиссией. Высокое значение крутизны характеристики получается также при использовании в лампах вторичной эмиссии со специальных вторично-электронных катодов (дино-дов). Устройство одной из таких ламп показано на 4-18. Тетродаая часть лампы имеет обычную конструкцию. Электроны, прошедшие экранирующую сетку и отклоняемые лучеобразую-щими электродами, образуя ток /Д1, попадают на вторично-электронный катод, выполняемый из материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии а « 4 -=- 5 и удовлетворяющий обычным требованиям, предъявляемым к аноду (например, из никеля, активированного .окисью цезия или смесью окислов щелочноземельных металлов). Потенциал этого электрода ниже потенциала анода, поэтому вторичные электроны устремляются к аноду (ток /Д2). Если все первичные электроны попадают на вторично-электронный катод, то ток анода

В табл. 1.1 приведены значения сттах и соответствующие им значения напряжения, ускоряющего первичные электроны, для некоторых материалов.

Потенциал экрана. При бомбардировке экрана потоком электронов возникает вторичная электронная эмиссия. Первичные электроны луча и вторичные электроны, возвращающиеся на экран, будут понижать его потенциал. В этом случае в пространстве между экраном и вторым анодом создается тормозящее электрическое поле, которое отражает электроны луча. Таким образом, для устранения тормозящего поля от поверхности непроводящего экрана необходимо отводить электрический заряд, обусловленный электронным лучом. Практически единственным путем компенсации заряда является использование вторичной эмиссии. Для отвода вторичных электронов стенки баллона трубки вблизи экрана покрывают проводящим слоем 3, который соединяется со вторым анодом (см. 11.1). При падении электронов на экран их кинетическая энергия преобразуется в энергию свечения экрана, идет на его нагрев и вызывает вторичную эмиссию. Значение коэффициента вторичной эмиссии а определяет потенциал экрана. Коэффициент вторичной эмиссии электронов а—/в//п (где /в и /п — ток вторичных и первичных электронов соответственно) с поверхности экрана в широком диапазоне изменения энергии первичных электронов превышает единицу ( 11.7); 0^1 при t/<^t/Kpi и при U>UKV2. При t/^L/Kpi число уходящих от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал UM= = ?ЛФ1 ( 11.7) называют первым критическим потенциалом. В этом случае потенциал экрана близок к нулю. Если энергия пучка становится больше eUKpl, то а> 1 и экран

Лампы со вторичной эмиссией. Высокое значение крутизны характеристики получается также при использовании в лампах вторичной эмиссии со специальных вторично-электронных катодов (дино-дов). Устройство одной из таких ламп показано на 4-18. Тетродаая часть лампы имеет обычную конструкцию. Электроны, прошедшие экранирующую сетку и отклоняемые лучеобразую-щими электродами, образуя ток /Д1, попадают на вторично-электронный катод, выполняемый из материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии а « 4 -=- 5 и удовлетворяющий обычным требованиям, предъявляемым к аноду (например, из никеля, активированного .окисью цезия или смесью окислов щелочноземельных металлов). Потенциал этого электрода ниже потенциала анода, поэтому вторичные электроны устремляются к аноду (ток /Д2). Если все первичные электроны попадают на вторично-электронный катод, то ток анода