Tyhjöputki

Radioamatööriwikistä
Versio hetkellä 3. syyskuuta 2021 kello 12.02 – tehnyt Oh2bry (keskustelu | muokkaukset) (Lisäsin kaasutäytteisistä putkista)
(ero) ← Vanhempi versio | Nykyinen versio (ero) | Uudempi versio → (ero)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Tyhjöputki (alias elektroniputki) on 1900 luvun alussa keksittyä tekniikkaa jota yhä käytetään isotehoisissa radiolähettimissä ja joissakin erikoiskäytöissä joissa puolijohteet eivät vielä pärjää — sekä tietysti nostalgianälkäisille...

Brittienglanniksi: Thermionic Valve, Valve
Ameriikaksi: Vacuum Tube, Tube
Ranskaksi: Tube électronique, Les lampes radio
Saksaksi: Elektronenröhre
Suomeksi: Tyhjöputki, Elektroniputki, Radioputki, Lamppu

Kuten arvata saattaa, suomen kieleen otettiin termejä kaikkialta ja niitä onkin sitten kaikkien makuihin.

Keksimisen tarkemmat historiat, yms. katso ulkoisia linkkejä.

Perusmallit

Saksan ja englanninkieliset nimitykset putkityypeille näyttävät sisältävän latinankielisen lukusanan ja "ode" päätteen joka on ilmeisesti tullut "elektrode" sanan lopusta (ja suomenkielessä "elektrodi" sanan lopusta):

elektrodien
lukumäärä
saksa
englanti
suomi
2 diode diodi
3 triode triodi
4 tetrode tetrodi
5 pentode pentodi
6 hexode heksodi
7 heptode heptodi
8 octode oktodi
9 ennode ennodi

Erikoismalleja

Elektronien emissioon tyhjössä ja sen käsittelyyn erilaisin tavoin on paljon muitakin rakenteita kuin vain nämä kahdeksan edellämainittua. Yksi parhaiten tunnetuksi tulleista on television kuvaputki.

Toinen tunnettu on mikroaaltouuneissa käytettävä magnetroni, joka tuottaa radiotaajuista energiaa käytettäväksi ruoan lämmitykseen. Magnetroneja käytetään myös tutkissa ja teollisuuden isotehoisissa (100 kW) suurtaajuuskuumentimissa.

Radioamatöörien isotehoisissa lähettimissä näkee myös elektroniputkia, yleensä triodeja tai tetrodeja tuottamassa 300-6000 watin verran radiotehoa.

UHF:llä ja mikroaalloilla näkee myös klystroneita ja kulkuaaltoputkivahvistimia.

Tyristorin kaltainen suuria virtoja ja jännitteitä nopeasti kytkevä putki on nimeltään Tyratroni (Thyratron) joka sammuu vasta kun sen napojen välinen jännite putoaa nollaan riittävän pitkäksi aikaa.

Suuria mikroaaltotehoja tuotetaan mm. Gyrotroni (Gyrotron) nimisellä laitteella, 100 MW / 400 GHz / 10 ms / 100 000 pulssia on tyypillinen esimerkki.

Gyrotroni on läheistä sukua elektronikiihdyttimille joiden suurenergistä elektronivirtaa kuljetetaan läpi undulaattoreista jossa se joutuu tiukaan spiraaliliikkeeseen tuottaen synkrotronisäteilyä. Nämä ovat suuria laitoksia jotka kykenevät tuottamaan sekä epäkoherenttia, että koherenttia säteilyä mikroaalloista aina röntgeniin asti ja tällaisia "intense light source" tutkimuslaitoksia on 1990-2005 vuosia tehty muutamia eri puolille maailmaa.

Yksi erikoismalli on ns. free electron laser (FEL) jossa kiihdytinrenkaan elektronivirran energia ja undulaattorin magneettikenttä on sovitettu siten, että synkrotronisäteily emittoituu lähinnä optisella alueella. Kun tällaista undulaattoria valaistaan takaa koherentilla laservalolla, synkrotronisäteily synkronoituu tähän "taustavaloon" ja systeemistä saadaan koherenttina valona ulos tyypillisesti 70% elektronivirran energiasta. FEL-systeemillä ei periaatteessa ole tehon ylärajaa, ne eivät ole kovin liikuteltavia, mutta niillä onnistuu jopa kymmenien megawattien laserteho. Sotilaallisen uhittelun lisäksi niillä on käyttöä fuusiotutkimuksessa.

Putkeen voidaan saada elektronivirta myös ilman kuumaa katodia täyttämällä putki kaasulla. Tällöin elektronivirta perustuu kaasun läpilyöntiin. Tätä ilmiötä käytetään hyväksi jännitteen vakavaoimiseen tehdyissä putkissa. Ne toimivat zener-diodin tapaan. Isotehoisten tasasuuntaajaputkien myötäsuunnan jännitehäviötä voidaan pienentää höyrystämällä putken sisään pieni määrä elohopeaa.

Putkien röntgensäteily

Röntgen-säteilyä tuotetaan siten, että elektroneja kiihdytetään ensin 10-100 kV jännitteellä osumaan anodiin (kuumenee voimakkaasti → jäähdyttämättömänä wolframia, jäähdytettynä usein kuparia tms.) ja metallin atomiytimien lähelle päätyvät nopeat elektronit tekevät sähköstaattisen vuorovaikutuksen ansiosta äkkimutkan jonka tuottamaa varianttia synkrotronisäteilystä kutsutaan nimellä "jarrutussäteily" (saksa: Bremsstrahlung)

Suuritehoiset lähetinputket (esim. 30 kW UHF klystron) käyttävät korkeaa jännitettä ja isoa virtaa, jolloin ne myös tuottavat varsin voimakasta röntgensäteilyä. Niiden rakenteeseen kuuluukin röntgensuojaus jonka pitää olla paikallaan operoinnin aikana.

Myös Väri-TV-kuvaputkien 20-30 kV kiihdytysjännite riittää tuottamaan röntgensäteilyä ja kuvaputkissa on siksi integroitu röngensuojaus. Tämä on tyypillisesti toteutettu muutaman millin paksuisella lyijylasilla ("kristalli") joka on liitetty optisella kitillä varsinaisen tyhjöputken etupintaan.

Historia ja toimintaperiaate

1800 luvun lopulla oli keksitty että harvennetussa kaasukehässä (10-3 ilmakehän paineessa) punahehkuun lämmitetystä elektrodista irtoaa vapaita elektroneja huomattavasti paremmin kuin samasta metallista tehdystä kylmästä levystä. Myöhemmin ymmärrettiin että parempi tyhjö vastustaa elektronien kulkua vähemmän (paineet 10-6 .. 10-9 ilmakehää), aluksi tällaista "liian kovaa" tyhjöä jopa välteltiin.

Tämä "termisten elektronien irtoaminen" ("thermionic electron emission") johti ensiksi Diodin keksimiseen, jonka havaittiin johtavan vaihtosähköä huomattavasti paremmin toiseen suuntaan kuin toiseen.

Ensimmäinen vahvistinputki tehtiin kun keksittiin että lisäämällä sopivaan sähköpotentiaaliin biasoitu verkkomainen välielektrodi ("hila", engl: grid) saatiin kontrolloitua kuumennetulta katodilta irtoavien elektronien virtaamista positiiviseen jännitepotentiaaliin viritetylle anodille. Tällainen kolmi-elektrodinen putki sai lopulta nimekseen triodi.

Elektronivirran ohjattavuudessa on erilaisia ongelmia joiden takia ohjaavia apuelektrodeja lisättiin ja alkuperäisistä yksittäisten tuotteiden erillisnimistä siirryttiin yllä mainittuihin standardinimiin.

Samaan tyhjöpakettiin alettiin myös rakentaa kahta tai jopa kolmea katodi-hilat-anodi yhdistelmää, kaksois-triodit olivat aikanaan hyvin yleisiä ja sellaisen sai mahtumaan standardoituun kahdeksanjalkaiseen kantaan ("oktaalikantaan").

Elektrodit

  • Elektronien lähde: Katodi (Cathode → cathode rays → katodisädeputki, eli TV kuvaputki)
  • Elektronien ohjaimet: Hilat (Grid)
  • Elektronien vastaanotin: Anodi (Anode, Plate)

Lisäksi usein erilliset liitännät hehkuvirralle.

Elektrodimateriaalit

Elektroniputkessa oleellista on saada elektronit irtoamaan helposti katodilta josta ne sitten muutaman kymmenen tai sadan voltin tasajännitepotentiaalin vetäminä lähtevät kohti anodia. Kulkuvuota ohjaamassa on muutamia verkkomaisia hiloja.

Katodilta elektronit irtoavat paremmin kun sitä lämmittää. Kuumentaminen tehdää hehkulangalla joka on yleensä Wolframia (aivan kuten hehkulampuissa), mahdollisesti sitä on seostettu hieman Thoriumilla. Vähemmällä kuumentamisella pärjätään, jos katodi päällystetään barium-oksidilla.

Katodin kuumentamiseen on kahta tapaa: epäsuora jossa hehkulangan säteilylämpö kuumentaa katodia ja suora jossa hehkulanka on katodi.

Elektronien lopullisena kohteena olevan anodi on yleensä umpinaisesta levystä (engl: plate) tehty laaja elektrodi joka vastaanottaa elektonit. Sen materiaalivalinnan peruste on mahdollisimman vähä oma emissio ja vähä sekundäärielektronien emissio siihen itseensä osuvista elektroneista. Tällaisia materiaaleja ovat: nikkeli ja alumiiniseosteinen rauta. Kuvaputkissa anodimateriaalina on yleensä putken sisäkyljille sputteroitu grafiitti.

Elektronien ohjaamiseen olevat hilat ovat mahdollisimman ohuista metallilangoista tehtyjä verkkoja joiden sähköstaattinen potentiaali ohjaa katodilta anodille pyrkivien elektronien liikettä. Niiden materiaalivalinta perustuu samaan kuin anodinkin: mahdollisimman vähän elektroniemissiota ja vähän sekundäärisiä elektroneja niihin osuvista elektroneista.

Muutkin fysikaaliset ominaisuudet ohjaavat materiaalivalintoja, magnetroneissa anodina oleva kaviteetti on yleensä melko puhdasta kuparia (se ei saa olla ferromagneettinen).

Röntgenlähteissä anodit ovat yleensä wolframia.

Tyhjö

Elektroniputken sisään on tärkeää saada mahdollisimman hyvä tyhjö.

Tämä tehdään valmistusvaiheessa ensin mekaanisella pumppauksella jonka aikana kaikkia sisäosia getterainetta (yleensä barium) lukuunottamatta kuumennetaan induktiolla jotta niiltä irtoaa kaikki adsorboituneet (pintaan sitoutuneet) kaasut.

Kun paine on saatu olemaan luokkaa 10-5 ilmakehää, pumppauskanava (ohut lasiputki) sulatetaan umpeen ja tyhjön laatu viimeistellään getter-aineen induktiivisella kuumennuksella.

Lopullinen saavutettava tyhjö on luokkaa 10-7 — 10-9 ilmakehää.

Lasikuorisissa tyhjöputkissa ei tuon parempaa saavuteta, sillä ilmakehän heliumpitoisuus on tuota luokkaa ja se vuotaa lasikuoren läpi. Metallikuorisissa tyhjösysteemeissä voi olla parempiakin tyhjöjä.

Ulkoisia viitteitä