🗊Презентация Вакуумные и плазменные приборы и устройства

Курс лекций по дисциплине «Вакуумные и плазменные приборы и устройства»

Список использованной литературы Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учеб. пособие. СПб.: Лань, 2004. Булычев А. Л., Лямин П. М., Тулинов Е. С. Электронные приборы: Учеб. пособие. М.: Энергоиздат, 2000. Дулин В. Н. и др. Электронные приборы (учебник). М.: Энергоиздат, 1989. Кацман Ю. А. Электронные лампы (учебник). М., Высшая школа, 1979. Жигарев А. А., Шамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы (учебник). М.: Высшая школа, 1982 . Барченко В. Т., Быстров Ю. А., Колгин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве / Под ред. Ю. А. Быстрова, СПб.: Энергоатомиздат, 2001. Голант В. Е., Жилинский А. П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977. Учеб. пос.: Ионно-плазменные и ионно-лучевые устройства технологического назначения / С. В. Деньбновецкий, В. Т. Барченко, В. Д. Белоусов и др., ч.3, Киев: НМКВО, 1992. Проектирование электроплазменных технологий и автоматизированного оборудования / В. М. Таран, С. С. Лисовский, А. В. Лясникова / под ред. В. Н. Лясникова – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2005.

Вакуум – пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д.

Вакуум

Ионизированный газ и плазма Газ – физическая система, состоящая из большого числа одноименных частиц высокой подвижности. В данной системе энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с кинетической энергией самих частиц. К газам относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц, включая плазму. Плазма представляет собой частично или полностью ионизованный газ, который состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, находящихся в среде нейтральных частиц. Однако плазмой можно назвать не всякий ионизированный газ, а лишь тот, который обладает особыми свойствами, не выражаемыми отдельными частицами. Эти свойства проявляются вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил, обусловливающих взаимодействие заряженных частиц, имеющих коллективный характер.

Ионизированный газ и плазма Основным свойством плазмы является ее квазинейтральность как в пространстве, так и во времени. Отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность. Характерный масштаб, в пределах которых это разделение возможно, может быть определен из условия равенства энергии теплового движения частиц и энергии кулоновского взаимодействия. Данный размер получил название дебаевской длины, или дебаевского радиуса, экранирования:

Ионизированный газ и плазма Свойства плазмы начинают проявляться в ионизирован-ном газе в случае выполнения соотношения: где L – характерный размер объема, в котором наблюдается ионизованный газ. Возникающие локальные концентрации зарядов или вносимые в систему внешние потенциалы экранируются на расстояниях, малых по сравнению с L, так что основной объем плазмы не содержит значительных электрических потенциалов и полей. Таким образом, вопрос о том, обладает или не обладает ионизованный газ свойствами плазмы, зависит не только от параметров, но и от размеров области занимаемой плазмой, а фазовый переход превращения ионизованного газа в плазму не является ярко выраженным, а происходит плавно.

Газовый разряд это совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов. Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным.

Направленное движение частиц в газе и плазме

Хаотическое движение частиц При хаотическом движении частиц газа их скорости различны как по величине, так и по направлению. В «идеальном газе» распределение частиц по скоростям (энергиям) подчиняется статистике Максвелла-Больцмана. Рассмотрим функцию распределения частиц по скоростям и основные скорости.

Направленное движение частиц Электрический дрейф заряженных частиц

Направленное движение частиц Импульс силы, сообщаемый полем электрону на пути его свободного пробега за время :

Направленное движение частиц Если скорости беспорядочного движения распределены по функциям Максвелла, то определяется из соотношения

Направленное движение частиц Скорость направленного движения определяется:

Направленное движение частиц Скорость направленного движения определяется : – для электронов – для ионов

Направленное движение частиц При определении скорости направленного движения ионов следует учитывать процессы перезарядки, так как в этом случае ион почти полностью теряет свою скорость, накопленную им между очередными перезарядками на пути .

Направленное движение частиц

Направленное движение частиц Расчетные выражения для скорости – ионов: – электронов:

Направленное движение частиц Диффузионное движение

Направленное движение частиц Согласно кинетической теории для ионов одного знака, движущихся в собственном газе, соотношение, связывающее коэффициент диффузии D со средней скоростью беспорядочного теплового движения и средней длиной свободного пробега , имеет вид:

Направленное движение частиц Чаще имеет место диффузное движение зарядов обоих знаков – двуполярная диффузия. Из-за неравномерного распределения концентраций зарядов в объеме начинается диффузионное движение зарядов от больших концентраций к меньшим. Нарушение квазинейтральности в плазме не может быть значительным: возникающее даже при слабом отклонении сильные электрические поля препятствуют дальнейшему разделению зарядов. Электроны как частицы более подвижные стремятся уйти первыми, но при этом между ними и ионами появляется электрическое поле

Направленное движение частиц

Типы эмиссий электронов Электронная эмиссия – явление испускания электронов твердым телом, осуществляемое путем подведения к телу энергии от внешнего источника. Фотоэлектронная эмиссия   – эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. Вторичная электронная эмиссия  – это эмиссия происходящая при бомбардировке поверхности тел потоком электронов или ионов. Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева катода. Термоавтоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева катода и наличием небольшого электрического поля у поверхности тела (эмиссия электронов с эффектом Шоттки). Автоэлектронная эмиссия – эмиссия электронов, обусловленная наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Типы эмиссий электронов

Виды электровакуумных структур и приборов Электровакуумные приборы (ЭВП) – электронные приборы, проводимость в которых осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ. Основу ЭВП составляют электровакуумные структуры (ЭВС), предназначен-ные для формирования и управления электронным потоком (или потоком ионов) с помощью электрических и магнитных полей. В зависимости от числа электродов ЭВС бывают диодные, триодные и многоэлектродные (тетродные, пентодные и др.). ЭВС реализуются в различного вида ЭВП: – электронно-управляемых лампах (ЭУЛ), работа которых основана на управлении током, ограниченном пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов; – электронно-лучевых приборах (ЭЛП), работа которых основана на управлении по интенсивности и положению одним или более электронными лучами; – газоразрядных приборах (ГРП), характеристики которых определяются, в основном, ионизацией намеренно введенного газа или пара; – электровакуумных приборах СВЧ (ЭВП СВЧ), в которых используется инерционные свойства электронов.

Основные элементы ЭВС К числу основных элементов электровакуумных структур, которые могут быть использованы в зависимости от назначения ЭВС, относятся: – баллон, в котором откачан воздух и размещаются внутренние элементы ЭВС; – электроды, эмитирующие или собирающие электроны или ионы или управляющие их движением при помощи электрического поля; – катод – электрод, являющийся источником требуемой электронной эмиссии; – подогреватель катода, служащий для передачи тепла катоду косвенного накала; – газопоглотитель (геттер) – вещество, которое уменьшает или стабилизирует давление остаточного газа посредством химического или физического воздействия на него; – анод – ускоряющий электрод, который обычно служит выходным электродом и основным коллектором электронов; – коллектор – электрод, собирающий электроны или ионы; – магнитная система, служащая для формирования электронных потоков или управления положением электронных потоков в пространстве.

Основные элементы ЭВС Баллоны обычно выполняются из металла, стекла, керамики, металлокерамики и их сочетания. Степень вакуума внутри баллона составляет 10-5 – 10-6 Па. В качестве геттеров используются магний, цирконий, титан, торий, барий. Аноды, коллекторы изготавливаются из никеля, меди, молибдена, тантала, графита, стали. Управляющие потоком электронов или ионов электроды (сетки) изготавливаются из никеля, молибдена или вольфрама. Охлаждение осуществляется либо естественным путем (за счет конвекции), либо принудительно воздушным, жидкостным, испарительным и контактным путями. В качестве катодов наибольшее применение находят термокатоды, в которых используется явление термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия Формула Ричардсона–Дэшмана:

Эмиссия электронов с эффектом Шоттки

Типы термокатодов Нагрев катода до необходимой рабочей температуры осуществляется либо постоянным электри­ческим током, либо переменным. В зависимости от способа про­пускания тока для нагрева катода различают катоды прямого и косвенного накала. Катод прямого накала разогревается током, про­пускаемым непосредственно через катод, выполняемый в этом слу­чае в виде одной или нескольких соединенных между собой нитей или лент. Катод косвенного накала нагревается от подог­ревателя, передающего тепловую энергию эмитирующей поверхно­сти катода. Обычно катоды изготовляются в виде цилиндра с отдельным выводом. Роль подогревателя выполняет специальная нить накала с выводами, размещаемая внутри цилиндра. Нить накала изолирована от катода и с этой целью обычно покрывает­ся теплостойким изолирующим составом.

Типы термокатодов По физическим и электрическим свойствам можно подразделить: – катоды чистых металлов, – пленочные катоды, – по­лупроводниковые катоды. Наибольшей работой выхода обладают металлические катоды, наименьшей - полупроводниковые катоды. Вследствие этого эмис­сионная способность катодов различна. Различие в физических свойствах материалов приводит к тому, что и многие другие важ­ные свойства катодов оказываются различными. Представителем  металличе­ских катодов является вольфрамовый катод. Вольфрам имеет вы­сокую температуру плавления (3700 К), обладает хорошей ков­костью и тягучестью, что позволяет изготовлять весьма тонкую и прочную проволоку для катодов прямого накала (порядка не­скольких мкм). Недостатком вольфрама – большая работа выхода (4,54 эВ), а, следовательно, и рабочая температура. Кроме вольфрама для изготовления металлических катодов иногда используются молибден, тантал и ниобий, имеющие мень­шую работу выхода, но уступающие вольфраму в других свойствах. Так, например, при высоких температурах, молибден сильнее рас­пыляется, чем вольфрам, а тантал рекристаллизуется и становит­ся хрупким и ломким.

Типы термокатодов Пленочные катоды имеют меньшую работу выхода по сравнению с металлическими за счет создания на поверхности катода пленки электроположительных атомов (например, торированный карбидированный, барированный, металлогубчатый катоды). Работа выхода катодов ниже 2,63 эВ. Пленочные катоды работают при более низ­кой рабочей температуре, чем металлические катоды, поэто­му является более экономичными. Наиболее широкое распростране­ние получили полупроводниковые катоды, конструктивно выполненные в виде металлического основания (керна) с нанесенным на него слоем окисей металлов и имеющие свойства электронного полупроводника. По этой причине такие катоды обычно называют оксидными. Чаще всего используются окиси щелочно-земельных металлов - бария, стронция, кальция, причем главную роль в эмиссии элек­тронов играет окись бария. Внешняя работа выхода у оксидных катодов меньше, чем у металлических и пленочных, полная работа выхода, которая составляет 1,1 – 1,3 эВ. Поэтому рабочая температура оксидного катода ниже, чем у металлического и пленочного, что и определяет их широкое применение в ЭВП. Конструктивно оксидные катоды выполняются как в виде прямого накала, так и в виде косвенного.

Типы термокатодов

Двухэлектродные лампы

Электровакуумный диод

Электровакуумный диод Преодолеть это поле могут электроны, обладающие начальной скоростью:

Характеристики диода

Характеристики диода

Характеристики диода Восходящий участок характеристики (режим пространственного заряда) подчиняется закону степени 3/2.

Характеристики диода

Дифференциальные параметры диода

Дифференциальные параметры диода

Дифференциальные параметры диода

Применение диодов

Электровакуумный диод

Трехэлектродные лампы

Действующее напряжение

Закон степени трех вторых

Статические характеристики триода

Статические характеристики триода

Анодно-сеточные и сеточные характеристики

Анодно-сеточные и сеточные характеристики Островковый эффект заключается в неравномерной эмиссии электронов с поверхности катода из-за неодинаковой величины электрического поля у катода. При островковом эффекте из участков катода (островков), расположенных против междувитковых промежутков, наблюдается более интенсивная эмиссия, чем из участков катода, расположенных против витков сетки. Островковый эффект при увеличении отрицательного напряже­ния сетки ведет к увеличению проницаемости лампы и к увеличению напряжения запирания, т.е. к появлению «хвоста» у характеристики. Увеличение проницаемости при повышении отрицательного напряжения можно объяснить уменьшением рабочего «островка» на поверхности катода и удалением его от витков сетки. Вследствие этого степень воздействия сеточного напряжения на катодный ток уменьшается, в то время как влияние напряжения анода на катодный ток не изменяется из-за одинакового удаления анода от любой точки катода. В появлении «хвоста» у реальной характеристики при малых токах определенную роль играет также краевой эффект, состоящий в том, что при недостаточно длинной сетке в триоде электроны могут двигаться к аноду, обходя ее с краев. Эти электроны образуют обычно небольшой по величине неуправляемый ток, наблюдающийся иногда даже при очень больших отрицательных напряжениях сетки.

Анодно-сеточные и сеточные характеристики Анодно-сеточные характеристики в области   UC < 0, снятые при различных напряжениях анода, отличающихся друг от друга на одинаковую величину, располагаются примерно на равных рас­стояниях вдоль оси сеточного напряжения. Это вытекает непос­редственно из закона степени 3/2. Если шаг изменения анодного напряжения равен ΔUa , то при  Iс = const расстоя­ние между характеристиками вдоль оси сеточного напряжения со­ставит величину   Δ UC = –DΔUa  . Так как проницаемость лампы с ростом катодного тока уменьшается из-за островкового эффекта, то расстояние вдоль оси  между характеристиками в верхней части уменьшается, а книзу увеличивается. Эта особенность харак­теристик наблюдается у всех триодов в более или менее выраженной степени.

Анодно-сеточные и сеточные характеристики В области положительных напряжений сетки помимо анодного тока появляется сеточный ток, который может быть значительным при напряжениях анода, соизмеримых с напряжениями сетки. Увеличение напряжения сетки ведет к росту катодного то-ка, который распределяется между сеткой и анодом. При боль-ших на­пряжениях анода увеличение положительного напряже-ния сетки ведет к росту как сеточного, так и анодного тока.

Анодные и сеточно-анодные характеристики

Анодные и сеточно-анодные характеристики

Анодные и сеточно-анодные характеристики

Параметры триода

Параметры триода

Определение параметров по характеристикам триода

Определение параметров по характеристикам триода

Рабочий режим триода

Рабочий режим триода

Рабочий режим триода

Рабочие параметры триода

Схемы включения триода

Квазистатический рабочий режим триода

Квазистатический рабочий режим триода

Квазистатический рабочий режим триода

Типы трехэлектродных ламп

Трехэлектродные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Генераторные лампы

Электронно-лучевые приборы

Электронная пушка

Электронная пушка

Электронная пушка

Электронная пушка

Электронные линзы

Электронные линзы

Электронные линзы

Электронные линзы

Магнитные линзы

Магнитные линзы

Отклоняющие системы

Отклоняющие системы

Отклоняющие системы