Вакуумная электроника

ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, раздел электроники, включающий разработку и изготовление источников свободных электронов, систем управления потоками электронов и их взаимодействием с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также создание вакуумных электронных приборов и устройств различного назначения.

Вакуумная электроника возникла в начале 20 века; первым прибором стала двухэлектродная электронная лампа (диод), изобретённая английским учёным Дж. А. Флемингом в 1904 году. Интенсивное развитие вакуумной электроники началось с 1907 года после создания американским инженером Л. Де Форестом трёхэлектродной лампы (триода) - вакуумного прибора с сеточным управлением электронным потоком. Это привело к бурному развитию в 1910-1920-х годах радиосвязи и радиовещания, а появление в 1930-х годах электронно-лучевых приборов обусловило возникновение современного телевидения.

Освоение области СВЧ (свыше 500 МГц) в 1930-40-х годах потребовало разработки принципов динамического управления электронным потоком, в результате чего были созданы новые классы приборов: клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны и др., работа которых основана на взаимодействии электронов с электромагнитными СВЧ-полями. Сформировалось новое направление вакуумной электроники - СВЧ-электроника.

Актуальность задач, стоящих перед вакуумной электроникой, стимулировала в 1930-60-х годах концентрацию больших финансовых и интеллектуальных ресурсов во всех развитых странах, что привело к созданию электронной промышленности. Совершенствование и промышленное производство вакуумных электронных приборов стало возможным благодаря фундаментальным физическим исследованиям и технологическим разработкам в следующих областях: физике твёрдого тела, электронной оптике, эмиссионной электронике, электродинамике, материаловедении, специализированном машиностроении и др.

Общим элементом всех приборов вакуумной электроники является источник свободных электронов - катод, свойства которого определяют основные эксплуатационные и потребительские характеристики прибора. Существуют четыре важнейших класса катодов вакуумных электронных приборов, различаемых по физическому принципу освобождения (выхода) электронов из катода. Наиболее широкий класс составляют термоэлектронные катоды, в которых энергия, необходимая для выхода электронов, передаётся за счёт термического нагрева катода; используются как в маломощных приёмно-усилительных лампах и кинескопах, так и в мощных генераторных лампах, применяемых в телевидении и радиолокации. Действие вторично-эмиссионных катодов основано на увеличении потока электронов при бомбардировке поверхности катода первичными электронами (смотри Вторичная электронная эмиссия); основная область применения - электронные умножители и приборы СВЧ. В фотокатодах энергия, необходимая для выхода электронов, передаётся за счёт взаимодействия с квантами излучения (фотонами); применяются в различных преобразователях излучения, в том числе света. К четвёртому классу относятся автоэлектронные катоды, в основе работы которых лежит принцип туннелирования электронов через потенциальный барьер под действием сильного электрического поля (смотри Холодный катод). Разрабатываются также катоды с комбинированными типами эмиссии электронов, например фотоавтоэлектронные.

До 1960-х годов вакуумная электроника представляла практически всю электронику. Развитие смежных направлений, особенно полупроводниковой электроники, ограничило сферу применения вакуумных электронных приборов. Однако остались важные области техники и технологии, где эти приборы незаменимы: радиовещание, телевидение, ускорительная техника, плазменная технология, радиолокация, космическая связь и др. Область применения вакуумных приборов определяется рядом особенностей, главные из которых: малые тепловые потери энергии электронов в пространстве взаимодействия и, как следствие, высокий кпд приборов (до 90% и более), а также возможность интенсивного охлаждения за счёт рассеивания остаточной (не отданной электромагнитному полю) энергии электронных потоков на электродах большой поверхности, что позволило создать приборы мощностью до десятков мегаватт и выше.

В зависимости от принципа действия и технологических особенностей приборы и устройства вакуумной электроники, составляющие широкий класс электровакуумных приборов, делятся на электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные СВЧ-приборы, фотоэлектронные приборы и рентгеновские трубки. К устройствам вакуумной электроники относятся также вакуумные индикаторы, плоские экраны различного назначения и вакуумные интегральные схемы. Отдельный класс составляют технологические электронно-лучевые установки. С начала 21 века получило развитие принципиально новое направление вакуумной электроники - вакуумная нанотехнология, позволяющая «конструировать» материалы и приборы на молекулярном уровне. Дальнейшее развитие вакуумной электроники связано как с разработкой новейших перспективных направлений и приборов, так и с совершенствованием на новых более эффективных физико-конструктивных принципах традиционных приборов.

Лит.: Брюининг Г. Физика и применение вторичной электронной эмиссии. М., 1958; Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. 3-е изд. М., 1967; Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М., 1972. Т. 2: Электровакуумные приборы; Соболева Н.А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М., 1974; Никонов Б. П. Оксидный катод. М., 1979; Сушков А. Д. Вакуумная электроника. СПб., 2004.