Щука А.А. Электроника (2005), страница 6

!.5). Приборы вакуумной электроники работают в области высоких уровней мощностей !О'- — 10п Вт и частот 10 — 10 Гц. По своему назначению электронные приборы условно делятся на информационные, предназначенные для генерации и обработки информационных сигналов, и энергетиче- ские, применение которых связано с получением электромагнитной энергии. В настоящем учебнике основное внимание уделено приборам и устройствам электроники, которые предназначены для обработки и хранения информации. Часть 1. Вакууьтная и плазегенная электроника Рис. т.б. Области применения электронных приборов гна диаграмме мощность-частота) 2.

Физика и техника вакуума 2.1. Свойства вакуума В приборах и устройствах вакуум является континуальной средой. Понятие континуум, в переводе с латинского — - непрерывный, представляет собой совокупность всех точек пространства с одинаковыми свойствами. Свойства газов при низких давлениях изучазотся в физике вакуума, который является разделом молекулярно-кинетической теории газов. Основой физики вакуума являются следующие постулаты; О газ состоит из отдельных движущихся молекул; О существует постоянное распределение молекул газа по скоростям; О при движении молекул газа нет преимущественных направлений, пространство газо- вых молекул изотронно; О температура газа — величина, пропорциональная средней кинетической энергии его молекул; О при взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа адсорбируется.

Состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного, называется викузьиои. При взаимодействии молекул газа с поверхностью твердого тела нормальная составляющая изменения количества движения молекулы равна тгсозО; гле б1 — угол межлу нормалью к поверхности и вектором скорости; лз и в — - масса и скорость молекулы (рнс. 2П)ь Рис. 2Л. Схема взаимодействия частицы газа с поверхностью 1согда межлу поверхностью и газовой средой существует энергетическое и адсорбнионное равновесие, каждой адсорбираванной молекуле соответствуег олна десорбированная молекула с противоположным направлением вектора скорости.

Таким образом, суммарное изменение количества движения ЛК адсорбированной и лесорбированной молекул ЛК = 2лп сов О . Часть!. Вакуумная и плазменная электроника од диалекпеп газа понимается средний импульс ЛК, передаваемый молекулами газа хинине площади стенки сосуда Л.З в единицу времени Лп огласив второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность твердого тела: ЛК эяшсозО (2.1) Лй Лз Л4 Лг (испо молекул в элементарном объеме Ю', движущихся в направлении Л,), с учегом потулата об озсутствии преимущественных направлений пропорционально телесному утлу Д~о, под которым из центра Ф' видна площадка ЛА: г(ш Ы' = и — г()', 4к ~ телесный угол определим как еос = соя О Л4 /г (2.3) где г — расстояние между поверхностью и выделенным объемом (рис.

2.2), В полярной системе координат элемент объема пГ определяется как г/Г ==гз)пОЬрЫОпб . (2.4) Давление газа на поверхность твердого тела найдем интегрированием по объему полу- сферы, из которой молекулы достигают поверхности за время Лг, с радиусом й = 1Лг .

С учезон выражения (2. ) ) 2кп'соя О Л)Лз р = ~: — — -хь"х' . (2.5) Подставляя все значения в (2,5), можно получить значение давления: /'2 р = — ( Лф ~ соз Оз(пОЛО~г)й =.— 2кЛз (2.6) В распределение молекул по скоростям введем среднеквадратичную скоростьмолекул икэ д ) х л тхн = и,, В таком случае давление газа определяешься вырах,ением ,.„(3 . (2.7) Введя значение для плотности газа р = пт, выражение (2.7) примет вил ,г р =-ра,;,)'3 Условия линамического равновесия, использованные при выводе уравнения (2.7), не всегда выполняются, Примером являешься конденсирующая поверхность, с которой из-за очень большого времени адсорбции не происхолит десорбции молекул газа.

Для точного расчета давления газа на поверхности твердого тела нужно знать соотношение потоков падающих и вылетающих молекул. 2. Физика и техника вакуума б) Рис. 2.2. Функции распределения Максвелла по скоростям (а) и ло энергиям (б) в безразмерных единицах Давление газа определяется величиной (2.8) гле А — постоянная Больцмана, 1,38х)0 "эрг)К, ко юрая связывает температ> ру и энергию. Уравнение (2.8) известно как уравнение газового состояния и может быть записано в форме уравнения Менделеева — Клайперона гу ру= — 'Кт, (2.9) У„ тле т. — объем газа, уул = 6 02х!О з моль —.— число Лвогадро или количество молекул в зз олпом моле вещества, й' — Из = 8,31 Дж!(К моль ) — универсальная газовая постоянная.

бг)илицей давления с слсглеие (У) является Па (паскаль), численно равный 1 Н/м . Иногда также используют единицу гектопаскаль 1 гПа = ! 0 Па. Наиболее распространенной внесистемной единицей давления является миллиметр ртутного столба (торр). Давление газа 1 мм рт. ст. равно давлению, которое создает столбик ртути высотой ! мм при условии, что пло'пзость ртути равна 13595,1 кг,'м' (прн 0'С). а земное ускорение соответствует нормальному 9,80бб5 м,'с' на широте 45'.

давление столба жидкости р=рсЬ, тогда 1 мм рт. ст. =!33,32239 Нум . В метеорологии в качестве единицы давления час~о исполь- з зуется 1 бар.—.!О Па. Отношения между различныл~и единицалпз давления даны в табл. 2 1 Для описания процессов, в которых давление изменяется в очень спирских прелелах, улобиа логарифмическая единица давления. Например, она может быть задана в вине Лл = — 18(р), тле р — лавление в физических атмосферах. Значение рл = 0 соответствует 1 физ. ат., рА =- 1 соатветств> ет 0,1 физ.

ат. и т. д. При соударениях друг с другом или со стенками вакуумной камеры молекулы газа изменяют свои скорости как по величине, так и по направлению. Пользуясь гипотезами о существовании стационарного распределения молекул по скоростям и об изотропности Часть /. Вакуумная и плазменная злекгроника ,. н.гинуальпостн) пространства газовых молекул, а также учитывая, по среднеквадраичная скорость молекул гхгг = з/3/:Тг/ггг, Максвелл получил функцию распределения моекул по скоростяьг, названную его именем: цз г! пг 1 гпгг г/гг,, = 4пхг ~ — ! схр(- — )г/гг, 'х 2л/гТ / 2И'' -де г/гг,, — - число молекул, скорости которых заключены в пределах от г до г г- /г.

г ябггица 2.1. Соотношение между единицами давления г 3 Единицы давлении !Па мм рт. ст. ! ! дин/см ! 1 физ. ят. ~ 1 кгеlсм ! 1 кал/м 1 !,02!О' ! 2,3910' ! ! 7,5 !О'г 10 ! 9,8710з (Па ! мм рг, ст. ! 1,33 10 г !,33!Ог !! 1,32 !О ' 1„36 10 ' ! 3,18 10 1дин/слг' ( 1,00 !О 75010" ! ! ! 987 !О' ) 1,0210' 1 239!Ог г Г ь т ь 1 фнэ. аг. ! 1,01 10 ! 7,60 10' ! 1,0! 10' ! 1 ! 1,03 10' ! 2,39!О ! кгсгсы 7,36 !О' ! 9,8! 10 ~ 9,68 1О ' ~ 1 ' 2,34 10' -г + 3,!4 10 г ! 4,19 !О' ! 4.13 10 ' ! 4,27 10' ~ ~1 9,81 1О О 4,19 !О" 1 кал/м Если ввести безразмерную скорость у = гг/пг/2/гТ и безразмерную энергию х = Е//гТ, то распрелеление молекул по скоростям примет вид: г/пг = Тг,(у)г(г а распределение по энергиям соответственно г/пгг = /ь(х)г/т, где 2 г- 7" (х) =.— /хехр(-.г) гг,/ /,(у)= — у ехр(-у ) ,а г,,„= чГ2/:7,/ггг .

В вакуумных расчетах часто используют: С3 среднеарифметическую скорость (средняя»„„) (2,11) 1847 гг япг я (г (г) — функции, графики которых приведены на рнс. 2.2. МаксимУм фУнкции гг()) соответствУег значению У = 1, и скоРость иазываетса наиболее вероятной скоростью гыгс 2. Физика и техника вакуума Р среднеквадратичную скорость л в7 а (2.13) Соотношения между скоростями г„,,„, г„в и у,. равно 1:1,128:!.225. Так, указанные скорости для молекул азота при 0 'С составляют у„м — 402 мУс, ц, =- 453 мУс, г„, =. 492 м!с. Максимум дифференциальной кривой соответствует наиболее вероятной энергии Цч, =0,52Т.

Расчет среднеарифметического значения энергии молекул дает величину Е„„=1,5КГ. где К = т/К вЂ” средняя длина свободного пробега молекул газа, определяемая отношени- ем скорости молекул к числу столкновений в единицу времени; ( = ьч — ллина пробега молекулы за время!. Средняя сивка пробега определяется как расстояние, при прохождении которого частица в среднем сталкивается с одной молекулой срелы. Столкновение молекул произойдет, если расстояние между центрами молекул не более диаметра молекулы д!„, (рис, 2.3). Рие. 2.3. Столкновение двух одинаковых молекул пулем считать, что одна молекула имеет радиус гу„, а все остальные молекулы — матема- тические точки с нулевым радиусом. При движении со скоростью» в газе с молекулярной концентрацией и за 1 с такая воображаемая молекула опишет объем Р = кФ„',г и испытает К = лкН„;у соударений. В этом случае средняя длина свободного пробега будет равна 1 К= — = —, к м,,', (2.14) С Учетом относительных скоростей движения молекул газа для длины свободного пробе- га можно получить более точное выразкение: ! ч'2плгтз, (2.15) Направленный молекулярный поток, солержащий в начальный момент Ьв молекул газа, за счет столкновений с хаотически движушимися молекулами с частотой К за время бг уменьшается на величину ЫЖ = -КЫ! .