ВА́КУУМНАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА

ВА́КУУМНАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА, раз­дел элек­тро­ни­ки, вклю­чаю­щий раз­ра­бот­ку и из­го­тов­ле­ние ис­точ­ни­ков сво­бод­ных элек­тро­нов, сис­тем управ­ле­ния по­то­ка­ми элек­тро­нов и их взаи­мо­дей­ст­ви­ем с элек­трич. и маг­нит­ны­ми по­ля­ми в ва­куу­ме, а так­же соз­да­ние ва­ку­ум­ных элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств разл. на­зна­че­ния.

В. э. воз­ник­ла в нач. 20 в.; пер­вым при­бо­ром ста­ла двух­элек­трод­ная элек­трон­ная лам­па (ди­од), изо­бре­тён­ная англ. учё­ным Дж. А. Фле­мин­гом в 1904. Ин­тен­сив­ное раз­ви­тие В. э. на­ча­лось с 1907 по­сле соз­да­ния амер. инж. Л. Де Фо­ре­стом трёх­элек­трод­ной лам­пы (трио­да) – ва­ку­ум­но­го при­бо­ра с се­точ­ным управ­ле­ни­ем элек­трон­ным по­то­ком. Это при­ве­ло к бур­но­му раз­ви­тию в 1910–1920-х гг. ра­дио­свя­зи и ра­дио­ве­ща­ния, а по­яв­ле­ние в 1930-х гг. элек­трон­но-лу­че­вых при­бо­ров обу­сло­ви­ло воз­ник­но­ве­ние совр. те­ле­ви­де­ния.

Ос­вое­ние об­лас­ти СВЧ (св. 500 МГц) в 1930–40-х гг. по­тре­бо­ва­ло раз­ра­бот­ки прин­ци­пов ди­на­мич. 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 В. э. – СВЧ-элек­тро­ни­ка.

Ак­ту­аль­ность за­дач, стоя­щих пе­ред В. э., сти­му­ли­ро­ва­ла в 1930–60-х гг. кон­цен­тра­цию боль­ших фи­нан­со­вых и ин­тел­лек­ту­аль­ных ре­сур­сов во всех раз­ви­тых стра­нах, что при­ве­ло к соз­да­нию элек­трон­ной пром-сти. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние и пром. про­из-во ва­ку­ум­ных элек­трон­ных при­бо­ров ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря фун­дам. фи­зич. ис­сле­до­ва­ни­ям и тех­но­ло­гич. раз­ра­бот­кам в сле­дую­щих об­лас­тях: фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, элек­трон­ной оп­ти­ке, эмис­си­он­ной элек­тро­ни­ке, элек­тро­ди­на­ми­ке, ма­те­риа­ло­ве­де­нии, спе­циа­ли­зир. ма­ши­но­строе­нии и др.

Об­щим эле­мен­том всех при­бо­ров В. э. яв­ля­ет­ся ис­точ­ник сво­бод­ных элек­тро­нов – ка­тод, свой­ст­ва ко­то­ро­го оп­ре­де­ля­ют осн. экс­плу­та­ци­он­ные и по­тре­би­тель­ские ха­рак­те­ри­сти­ки при­бо­ра. Су­ще­ст­ву­ют че­ты­ре важ­ней­ших клас­са ка­то­дов ва­ку­ум­ных элек­трон­ных при­бо­ров, раз­ли­чае­мых по фи­зич. прин­ци­пу ос­во­бо­ж­де­ния (вы­хода) элек­тро­нов из ка­то­да. Наи­бо­лее ши­ро­кий класс со­став­ля­ют тер­мо­элек­трон­ные ка­то­ды, в ко­то­рых энер­гия, не­об­хо­ди­мая для вы­хо­да элек­тро­нов, пе­ре­да­ёт­ся за счёт тер­мич. 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 (см. Вто­рич­ная элек­трон­ная эмис­сия); осн. об­ласть при­мене­ния – элек­трон­ные ум­но­жи­те­ли и при­бо­ры СВЧ. В фо­то­ка­то­дах энер­гия, не­об­хо­ди­мая для вы­хо­да элек­тро­нов, пе­ре­да­ёт­ся за счёт взаи­мо­дей­ст­вия с кван­та­ми из­лу­че­ния (фо­то­на­ми); при­ме­ня­ют­ся в разл. пре­об­ра­зо­ва­те­лях из­лу­че­ния, в т. ч. све­та. К чет­вёр­то­му клас­су от­но­сят­ся ав­то­элек­трон­ные ка­то­ды, в ос­но­ве ра­бо­ты ко­то­рых ле­жит прин­цип тун­не­ли­ро­ва­ния элек­тро­нов че­рез по­тен­ци­аль­ный барь­ер под дей­ст­ви­ем силь­но­го элек­трич. по­ля (см. Хо­лод­ный ка­тод). Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся так­же ка­то­ды с ком­би­ни­ро­ван­ны­ми ти­па­ми эмис­сии элек­тро­нов, напр. фо­то­ав­то­элек­трон­ные.

До 1960-х гг. В. э. 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, ус­ко­рит. тех­ни­ка, плаз­мен­ная тех­но­ло­гия, ра­дио­ло­ка­ция, кос­мич. 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 тех­но­ло­гич. осо­бен­но­стей при­бо­ры и уст­рой­ст­ва В. э., со­став­ляю­щие ши­ро­кий класс элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­ров, де­лят­ся на элек­трон­ные лам­пы, элек­трон­но-лу­че­вые при­бо­ры, элек­тро­ва­ку­ум­ные СВЧ-при­бо­ры, фо­то­элек­трон­ные при­бо­ры и рент­ге­нов­ские труб­ки. К уст­рой­ст­вам В. э. от­но­сят­ся так­же ва­ку­ум­ные ин­ди­ка­то­ры, пло­ские эк­ра­ны разл. на­зна­че­ния и ва­ку­ум­ные ин­те­граль­ные схе­мы. Отд. класс со­став­ля­ют тех­но­логич. элек­трон­но-лу­че­вые ус­та­нов­ки. С нач. 21 в. по­лу­чи­ло раз­ви­тие прин­ци­пи­аль­но но­вое на­прав­ле­ние В. э. – ва­ку­ум­ная на­но­тех­но­ло­гия, по­зво­ляю­щая «кон­ст­руи­ро­вать» ма­те­риа­лы и при­бо­ры на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не. Даль­ней­шее раз­ви­тие В. э. свя­за­но как с раз­ра­бот­кой но­вей­ших пер­спек­тив­ных на­прав­ле­ний и при­бо­ров, так и с со­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем на но­вых бо­лее эф­фек­тив­ных фи­зи­ко-кон­ст­рук­тив­ных прин­ци­пах тра­диц. при­бо­ров.