В настоящее время газоразрядные приборы имеют ограниченное применение. Поэтому рассмотрим весьма кратко их особенности и области применения. Предварительно обратим внимание на то, что, рассматривая электрический разряд в газе, мы имели в виду гипотетическую модель. Реально в конкретном газоразрядном приборе используется какой-либо один вид электрического разряда. Простейшим газоразрядным прибором является неоновая лампа — двухэлектродный прибор, работающий в режиме аномального тлеющего разряда. Неоновая лампа служит для индикации наличия напряжения или электромагнитного поля. При переменном напряжении низкой частоты анод и катод неоновой лампы попеременно меняют свои функции. При высокочастотном напряжении в неоновой лампе возникает высокочастотный разряд. Особенность этого разряда состоит в том, что электроны, возникшие в результате внешней ионизации, совершая колебательные движения при быстрой перемене знаков потенциала на электродах, ионизируют газ, который начинает светиться, а образовавшиеся малоподвижные ионы не успевают менять направление своего движения и образуют объемный положительный заряд. При этом эмиссия с поверхности электродов отсутствует.
Стабилитроны тлеющего разряда служат для стабилизации напряжения. Они работают в режиме нормального тлеющего разряда, в котором величина напряжения на стабилитроне слабо зависит от величины тока. Катод стабилитрона выполнен в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого специальным образом обработана, чтобы повысить коэффициент вторичной электронной эмиссии. Для облегчения зажигания тлеющего разряда на внутренней поверхности цилиндра имеется выступ, вокруг которого происходит шнурование разряда. Анодом стабилитрона является никелевый стержень, расположенный вдоль оси симметрии анода. Напряжение стабилизации определяется материалом катода, типом и давлением газа. Практически оно составляет порядка 100-200 В.
Тиратроны тлеющего разряда помимо катода и анода содержат сетку, которая служит для управления напряжением зажигания. На сетку подается небольшое положительное напряжение, под воздействием которого возникает вспомогательный темный разряд. При увеличении анодного напряжения возникает тлеющий разряд между катодом и анодом. Чем больше величина тока вспомогательного разряда, тем меньше величина напряжения возникновения разряда в анодной цепи. Объясняется это тем, что с ростом тока сетки в промежутке между катодом и сеткой увеличивается количество ионов и электронов, благодаря чему облегчается возникновение основного разряда. Зависимость напряжения зажигания основного разряда от тока сетки называется пусковой характеристикой. После зажигания основного разряда сетка теряет свои управляющие свойства, то есть изменение потенциала сетки не влияет на анодный ток и анодное напряжение. Это объясняется тем, что положительно заряженная сетка притягивает к себе электроны, которые образуют около поверхности сетки отрицательно заряженный слой, нейтрализующий действие положительного заряда сетки. При увеличении или уменьшении положительного потенциала сетки увеличивается или уменьшается количество электронов, притягиваемых сеткой, и по-прежнему действие ее заряда будет нейтрализоваться соответственно изменяющимся зарядом электронной оболочки. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то она притянет положительные ионы, которые создают вокруг нее положительно заряженный слой, нейтрализующий действие отрицательного заряда сетки. Помимо односе-точных тиратронов существуют двухсеточные. Б таких тиратронах управляющей является вторая сетка, более удаленная от катода. На первую сетку подается постоянное положительное напряжение, и в цепи этой сетки все время существует небольшой ток подготовительного разряда. На второй сетке напряжение ниже, чем на первой. Поэтому тормозящее поле между сетками не позволяет электронам проникнуть к аноду. Если же на вторую сетку подать импульс положительного напряжения, то электроны проникнут сквозь вторую сетку к аноду и возникнет тлеющий разряд. Из изложенного следует, что тиратроны обладают двумя устойчивыми состояниями: проводящим и непроводящим. Поэтому он находит применение в импульсных схемах электронной автоматики. При этом свечение газа обеспечивает индикацию состояния схемы.
Для визуальной цифровой (или буквенной) индикации электрических сигналов применяются знаковые индикаторы тлеющего разряда. Такие индикаторы содержат несколько катодов, изготовленных из проволоки, выгнутой в виде цифр или других знаков, и расположенных один за другим. Анод сделан из проволочной сетки. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов около катода возникает свечение газа, то есть становится видимым светящийся знак.
Для счета импульсов в десятичной системе с одновременной индикацией показаний предназначены декатроны. Они содержат один цилиндрический анод, вокруг которого в виде кольца расположены штыри-катоды. При поочередной подаче на катоды отрицательных импульсов напряжения тлеющий разряд переносится от одного катода к другому. При этом через купол баллона наблюдается перемещение по окружности светящейся точки. После каждых десяти импульсов схема управления выдает импульс на управляющую схему второго декатрона, который, в свою очередь, после десяти входных импульсов выдает запускающий импульс на следующий декатрон и т. д. При этом первый декатрон считает число единиц, второй — число десятков и т. д.
Для получения сложных изображений разработаны газоразрядные панели (ГРП). Они имеют много конструктивных разновидностей. Однако общим конструктивным признаком для большинства из них является наличие двух ортогональных прозрачных полосковых систем электродов (катодных и анодных), расположенных на стеклянных пластинах, отделенных друг от друга диэлектрической маской с системой отверстий, шаг которых равен шагу полосковых электродов, то есть ГРП представляет собой совокупность большого числа двухэлектродных газоразрядных приборов, работающих независимо друг от друга. При подаче напряжения между каким-либо иолосковым катодом и полосковым анодом через отверстие в диэлектрический маске возникает тлеющий разряд, наблюдаемый в виде светящейся точки. При подаче по определенному закону напряжения на несколько катодов и анодов можно посредством точечного растра воспроизвести любую фигуру. ГРП могут давать и многоцветные изображения. Для этого надо на боковые или торцевые стенки ячеек нанести покрытия из люминофоров, дающие свечение определенного цвета. Располагая рядом ячейки с покрытиями из люминофоров, дающих основные цвета (синий, зеленый, красный), можно получить цветное изображение.
Для защиты линий связи, обмоток выходных трансформаторов и других элементов электрических цепей от перенапряжений применяются разрядники. Их действие основано на резком увеличении проводимости прибора вследствие возникновения тлеющего или дугового разряда между электродами. После снятия перегрузок разрядники вновь восстанавливают исходное высокое сопротивление.
Для защиты входа приемника радиолокационной станции от перегрузки при излучении передатчиком мощного импульса применяют резонансные разрядники СВЧ. Такие разрядники являются частью объемного резонатора, настроенного на частоту излучения передатчика, и включаются в высокочастотную линию, идущую от антенного фидера к входу приемника, на расстоянии от начала линии, кратном нечетному числу четвертей длины волны. При излучении передатчиком мощного радиоимпульса в резонаторе возбуждаются мощные колебания. На емкости, которую образуют электроды разрядника, развивается большое напряжение, в результате чего возникает высокочастотный разряд, сопротивление разрядника резко уменьшается и он практически закорачивает резонатор, вследствие чего излучаемый импульс передатчика не попадает на вход приемника. Принимаемый отраженный импульс не в состоянии зажечь разряд и проходит на вход приемника.
Среди приборов дугового разряда следует отметить газотроны и тиратроны, длительное время применявшиеся для выпрямления высоких напряжений и больших токов. Газотрон представляет собой мощный диод с термоэлектрическим катодом, наполненный инертным газом или парами ртути. В отличие от вакуумного диода у газотрона отсутствует отрицательный объемный заряд около катода. Он компенсируется положительными ионами. Поэтому в газотронах можно получить значительный анодный ток при небольшом анодном напряжении. В этом заключается основное преимущество газотрона перед вакуумным диодом. Тиратроны дугового разряда отличаются от газотронов наличием сетки, предназначенной для управления напряжением зажигания. Вместе с тем следует иметь в виду, что в настоящее время вакуумные диоды, газотроны и тиратроны практически полностью вытеснены более долговечными, надежными и удобными в эксплуатации полупроводниковыми выпрямителями.
Контрольные вопросы
1. Какие разновидности электронных ламп вам известны?
2. Что такое околокатодный процесс?
3. Что такое процесс токораспределения?
4. Что такое динатронный эффект?
5. Что такое наведенный ток?
6. Нарисуйте и сравните выходные характеристики триода и пентода.
7. Какими параметрами характеризуются электронные лампы и как они определяются по характеристикам?
8. Как устроен и работает клистрон?
9. Как работает лампа бегущей волны?
10. Расскажите об устройстве и работе электронно-лучевых трубок.
11. Какие физические процессы протекают в газоразрядных приборах?
12. Какие разновидности газоразрядных приборов существуют и какова область их применения?
Глава 11 Введение в квантовую электронику
Квантовая электроника — это область науки и техники, занимающаяся исследованием принципов действия, конструированием и применением генераторов, усилителей, преобразователей частоты электромагнитного излучения, действие которых основано на вынужденном излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Еще в 1900 году М. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями, которые он назвал квантами, впоследствии они получили название фотонов.
Известно, что под воздействием света или в результате нагрева, а также при столкновении внешнего электрона с атомом происходит возбуждение атомов, то есть переход электронов на более высокие энергетические уровни, на которых они находятся примерно 10-8 с, после чего возвращаются на исходный уровень, излучая фотоны, энергия которых равна разности энергетических уровней. Такие переходы обычно происходят случайно (спонтанно). В квантовых приборах создаются такие условия, при которых возврат электронов на исходные уровни происходит синхронно и синфазно. При этом возникает вынужденное (когерентное) излучение света.
В 50-х годах XX века были созданы устройства, которые позволили усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона на основе такого вынужденного излучения. Эти устройства получили название мазеров. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление микроволн за счет вынужденного излучения. За работы по созданию мазеров советским ученым Н. Г. Басову и А. М. Прохорову, а также американскому ученому Ч. X. Таунсу в 1964 году была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году американским физиком Т. Г. Мейманом был создан квантовый прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света за счет вынужденного излучения). Лазеры также называют оптическими квантовыми генераторами (ОКГ).
Лазерное усиление
Процесс лазерного усиления упрощенно состоит в следующем. Под воздействием внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход сопровождается испусканием нового фотона, энергия которого равна энергии внешнего фотона. Если создать систему возбужденных атомов и пропускать через нее оптическое излучение, то возможно усиление излучения, которое называется лазерным усилением.
Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее, считая, что за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Еп часть электронов с нижних равновесных уровней Е1, перешла на более высокие уровни Е3, а затем оказалась на уровне возбуждения Е2 (рис. 11.1). Возвращение этих электронов с уровня Е2 на уровень E1 сопровождается испусканием фотонов с частотой
(11.1)
Такой переход электронов не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению спонтанного (некогерентного) излучения (переходы 1-3 на рисунке), при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается среднестатистическими параметрами.
Одновременно со спонтанными переходами существует вероятность вынужденных переходов из энергетического состояния Е2 в Е1 (переходы 4 и 5 на рис. 11.1). Такие переходы называют лазерными. Они связаны с действием вынуждающих фотонов, при этом все активные атомы излучают практически одновременно и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызвали, то есть происходит когерентное (вынужденное) излучение, совпадающее но направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением.
Вынужденные переходы возникают под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает или близка к частоте перехода, определяемой формулой (11.11). Следует заметить, что на вынужденный переход не затрачивается энергия внешнего поля, которая является лишь стимулятором процесса. Вынужденные переходы (как и спонтанные) носят статистический характер.
Помимо спонтанных и вынужденных переходов существуют переходы из Е1 в более высокие энергетические состояния, сопровождающиеся поглощением энергии (переход 6 на рисунке). Лазерное усиление возможно лишь в том случае, если число вынужденных переходов больше числа спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Определим условия, при которых возможно лазерное усиление.
Количество вынужденных переходов за время 
t приближенно можно выразить в виде
(11.2)
где В21 — вероятность вынужденного перехода;
Qвын — энергия вынуждающего излучения;
N2 — концентрация атомов в энергетическом состоянии Е2.
Количество спонтанных переходов от вынуждающего излучения не зависит и приближенно равно
(11.3)
где -А21 — вероятность спонтанного перехода.
Квантовые переходы с уровня Е1 на уровень Е2 сопровождаются поглощением энергии вынуждающего излучения. Их количество равно
(11.4)
где В12 — вероятность квантового перехода с поглощением энергии;
N1 — концентрация атомов в энергетическом состоянии Е1.
Полагая в первом приближении равенство вероятностей В12 = В21 = В, получим условие лазерного усиления в виде
(11.5)
При малом уровне спонтанного излучения условие лазерного усиления принимает вид
(11.6)
В равновесном состоянии распределение атомов по различным энергетическим состояниям подчиняется статистике Максвелла—Больцмана
(11.7)
При этом N2 – N1 < 0, и лазерное усиление невозможно. Для того чтобы выполнялось условие (11.6), необходимо осуществить предварительное внешнее воздействие (накачку), приводящее к увеличению N2.
Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которым понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В состоянии термодинамического равновесия населенность верхнего уровня меньше, чем нижнего (N2 < N1). Для того чтобы получить усиление, необходимо выполнить условие N2>N1 . Такое состояние называют состоянием с инверсией населенностей уровней. Формально это состояние возможно при отрицательной температуре (T < 0). Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.
Таким образом, для усиления вынужденного излучения необходимо, во-первых, осуществить инверсию населенностей и, во-вторых, подавить спонтанное излучение. Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.
Принцип лазерного усиления в рубиновом стержне схематически показан на рис. 11.2. Возбужденный внешним воздействием атом излучает фотон, который, достигнув другого возбужденного атома, вызывает появление нового фотона. Затем два фотона превращаются в четыре и т. д. В результате вдоль оси стержня возникает лавина фотонов, в которой все фотоны «шагают в ногу» с одинаковой частотой и фазой. Лавина катится вдоль стержня, становясь все мощнее за счет новых фотонов, захваченных но пути, и, достигнув торца стержня, излучается в виде очень тонкого светового луча с расходимостью около 0,003°.
Генерация излучения
Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена обратной связи выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи. В лазере в качестве звена ПОС используют оптические резонаторы, которые в простейшем случае состоят из двух зеркал, расположенных на торцах стержня (рис. 11.3). Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. Фотоны, направление движения которых образует малые углы с осью стержня, после многократных отражений от зеркал приобретают энергию достаточную для того, чтобы через полупрозрачное зеркало покинуть стержень в виде узкого луча. Фотоны, направление движения которых не совпадает с осью стержня, выходят из него через боковые поверхности.
Излучение лазеров имеет ряд замечательных особенностей. Во-первых, энергия излучается в виде узкого пучка, который легко фокусируется на площадку размером 
( 
— длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс с длиной волны порядка 0,7 мкм, то есть имеет мощность около 1 кВт, то интенсивность сфокусированного лазерного пучка достигает значения порядка 1011 Вт/см2. Практически достижимая интенсивность сфокусированного лазерного пучка может достигать 1020 Вт/см2. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что материалы, освещенные лазером, могут нагреваться. Благодаря этому лазеры нашли применение в промышленности, науке и технике. Лучом лазера можно выполнять точную обработку деталей, прожигать в материале отверстия с точностью до долей микрометра, осуществлять точечную сварку, испарять часть поверхностного слоя или часть пленки, что широко используется в микроэлектронике. Те же свойства лазерного луча нашли применение в хирургии. Мощные лазеры используются для бурения нефтяных скважин и в военной технике. Концентрация энергии современных лазеров достаточна для того, чтобы на расстоянии сотен километров прожигать броню танков, корпуса ракет, фюзеляжи самолетов.
Второй особенностью лазерного излучения является высокая монохроматичность, то есть практически лазер излучает одну-единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Поэтому лазер можно использовать в качестве стандарта частоты, отклонение которой от номинала не превышает ±10-3 Гц. Монохроматичность и когерентность лазерных излучений сделали их незаменимым средством для точного измерения времени и частот, а высокая концентрированность и направленность лазерного луча обеспечивают возможность измерения расстояний, перемещений и размеров.
Исключительно важной областью применения лазерного излучения является связь. На земле связь осуществляется по световодам, которые представляют собой кабели из специального стекла или прозрачной пластмассы. Эти вещества обладают высокой прозрачностью и вызывают очень малое затухание лазерного луча. Кроме устройств связи лазерное излучение используют в локаторах, имеющих более высокую точность, нежели радиолокаторы, и для осуществления связи с космическими объектами.
На применении лазерного излучения основана голография — область науки и техники, занимающаяся получением объемных изображений, а также оптической обработкой и хранением информации. Лазерные методы используются также для высококачественной звукозаписи и видеозаписи. Ведется разработка систем голографического телевидения.
