А.Ф. Злобина

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Томск – 2003

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра электронных приборов (ЭП)

А.Ф. Злобина

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

2003

Корректор: Красовская Е.Н.

Злобина А.Ф.

Вакуумная и плазменная электроника: Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003.  106 с.

 Злобина А.Ф., 2003

 Томский межвузовский центр

дистанционного образования, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

1 ВВЕДЕНИЕ 5

2 ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 6

2.1 Материальные среды 6

2.1.1 Особенности газовой среды 6

2.1.2 Средняя длина свободного пробега частиц в газе 8

2.1.3 Вакуум 9

2.1.4 Твердое тело 10

2.1.5. Жидкие кристаллы 11

2.2 Энергия электронов в кристалле 13

2.3 Электрические свойства кристаллов 17

2.4 Плотность энергетических уровней 20

2.5 Поверхностный потенциальный барьер 22

2.6 Термоэлектронная эмиссия 23

2.7 Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэмиссию 25

2.8 Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия 27

2.9 Взрывная эмиссия 28

2.10 Фотоэлектронная эмиссия 30

2.11 Вторичная эмиссия 33

2.12 Вторичная ионно-электронная эмиссия 35

3 ТОКОПРОХОЖДЕНИЕ В ВАКУУМЕ 36

3.1 Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитных полях 36

3.2 Движение электрона в однородном электрическом поле 37

3.3 Движение электрона в однородном магнитном поле 40

3.4 Электрический ток в вакууме при наличии объемного заряда 42

3.5 Электронный поток, его формирование 44

4 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ (ЭЛТ) 47

4.1 Фокусировка электронного потока в электрических полях 47

4.2 Магнитные линзы 53

4.3 Устройство электронно-лучевой трубки 55

4.4 Модуляция электронного луча по плотности 56

4.5 Электростатические отклоняющие системы 59

4.6 Магнитная отклоняющая система 61

4.7 Экран 64

4.8 Осциллографические трубки 68

4.9 Запоминающие трубки (потенциалоскопы) 70

4.10 Кинескоп 72

4.11 Передающие телевизионные трубки 74

5 ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 79

5.1 Ток фотоэмиссии 80

5.2 Электронный фотоэлемент 81

5.3 Ионный фотоэлемент 85

5.4 Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) 86

5.5 Микроканальные пластины 88

5.6 Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы) 90

6 ИОННЫЕ ПРИБОРЫ 96

6.1 Явление газового усиления 96

6.2 Условие возникновения самостоятельного разряда 97

6.3 Свойства тлеющего разряда 99

6.4 Индикаторные панели 100

1 ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Вакуумная и плазменная электроника» изучает особенности эмиссии электронов, протекание тока в газах, вакууме и твердом теле. В курсе рассмотрены вопросы формирования и транспортировки электронных лучей, взаимодействия их с твердыми телами и структурами, преобразование энергии электронного потока в другие виды энергии. В курсе представлены приборы, использующие принцип преобразования оптического излучения в электрические сигналы (фотоэлектронные приборы). Описаны способы управления электронным лучом и приборы, преобразующие энергию электронного луча в видимый сигнал или изображение (осциллографы, кинескопы).

Рассмотрены элементарные процессы в плазме и на пограничных поверхностях, эмиссионные свойства плазмы, типы газовых разрядов и приборы тлеющего разряда (индикаторные панели). Следует отметить, что возможность успешного освоения дисциплины основывается на знании физики и высшей математики.

2 ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

2.1 Материальные среды

Теоретическим фундаментом электроники при объяснении сложных физических процессов, происходящих при прохождении тока в газах, вакууме и твердотельных структурах, являются представления о природе и механизмах излучения и распространения света, физической сущности электричества, о свойствах микрочастиц (электронов, атомов, ионов, молекул) и их поведении в изолированном состоянии или в системе.

Объединясь в системы, располагаясь определенным образом в пространстве, обмениваясь между собой энергиями, частицы образуют материальную среду. С точки зрения физических свойств это может быть газообразная, жидкая или твердая среда. По электрическим свойствам она может быть проводником, диэлектриком или полупроводником.

Рассмотрим некоторые закономерности объединения и свойства материальных сред.

2.1.1 Особенности газовой среды

Газ – это совокупность хаотически движущихся с разными скоростями молекул. В газе образуются молекулы из однотипных атомов (О₂, Н₂, N₂), между молекулами действуют силы Ван-дер-Ваальса. Энергия этих сил меньше, чем энергия теплового движения, и связь между молекулами очень мала. В результате газ способен занимать любой по величине объем и любую форму. Характеристики газовой среды принято рассматривать на базе «идеального газа», имеющего следующие свойства:

1) размеры молекул и атомов много меньше расстояний между ними;

2) взаимодействие между частицами газа осуществляется только при их соударении;

3) все частицы находятся в свободном, хаотическом, тепловом движении.

Состояние газовой среды характеризуется рядом параметров:

1) V – объем, который занимает газ;

2) Т – температура, характеризующая тепловое движение;

3) n – концентрация (число частиц, находящихся в элементарном объеме);

4) р – давление (сила воздействия газа на стенки сосуда, ограничивающего объем).

При хаотическом движении молекул газа их скорости различны как по величине, так и по направлению. В «идеальном газе» распределение молекул по скоростям (энергиям) подчиняется статистике Максвелла-Больцмана. Основные уравнения этой статистики даны в курсе физики. Мы рассмотрим только функцию распределения молекул по скоростям и основные скорости (рис. 2.1).

Функция распределения молекул по скоростям имеет максимум при скорости (наиболее вероятная скорость), – средняя скорость молекул, – среднеквадратичная скорость. Эти скорости связаны с температурой газа следующими соотношениями:

где – масса частицы;

– 1,3810^23 Дж/град – постоянная Больцмана.

Абсолютные значения , и соотносятся как 1:1,1284:1,2247.

Если газ заключен в сосуде, то в результате ударов молекул о стенки последние испытывают давление, величина которого зависит от концентрации молекул , их массы и скорости движения . Согласно кинетической теории газов

или

(Па),

где – средняя кинетическая энергия молекул.

В СИ единицей измерения давления является паскаль (Па). Подставив в уравнение давления значение постоянной Больцмана и решив его относительно , найдем

(м^–3).

Из уравнения давления получаем еще одно важное соотношение

Средняя кинетическая энергия молекул газа прямо пропорциональна его температуре. Следовательно, скорость хаотического движения молекул можно характеризовать температурой газа.

Важной для последующего изложения является формула, выражающая зависимость давления воздуха, окружающего землю, от высоты :

где – давление у поверхности Земли;

– ускорение силы тяжести.

Эта формула в физике называется барометрической. Переходя от давления к концентрации молекул, получим

Величина – потенциальная энергия молекул газа на высоте . Поэтому уравнение можно переписать так:

Полученное распределение называют распределением Больцмана. Формулу можно использовать для нахождения концентрации электронов или ионов в электрическом поле.

2.1.2 Средняя длина свободного пробега частиц в газе

Столкновения молекул друг с другом, происходящие при их хаотическом движении, сопровождаются непрерывным изменением величины и направления скорости молекул. Траектория каждой молекулы – это ломаная линия, длина прямолинейных отрезков которой из-за случайности столкновений различна. Рассчитывается средняя длина этих отрезков – средняя длина свободного пробега молекул :

где – число столкновений молекулы с другими молекулами в течение 1 с.

За 1 секунду молекула проходит путь и сталкивается с теми молекулами, центры которых расположены от центра движущейся молекулы на расстоянии, равном ее диаметру :

Видно, что средняя длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна их концентрации и давлению.

Состояние газовой среды характеризуется величиной (полное эффективное сечение для столкновений молекул). Она показывает, сколько столкновений претерпевает молекула на единице пути:

Важным в кинетической теории газов является уравнение, позволяющее определить, какое число молекул из общего числа молекул , совершая движение в газе, пройдет без столкновений путь :

Движение электрона в газообразной среде также характеризуется средней длиной свободного пробега и эффективным сечением . Электрон по сравнению с молекулой можно считать частицей бесконечно малых размеров, при этом электрон движется значительно быстрее молекул. Из кинетической теории газов следует, что