Лекция 2. Вакуум и катоды (1095400)
Текст из файла
Лекция 2. Вакуум и катоды.I. ВакуумКак следует из названия – электровакуумные приборы – работа этихприборов связана с прохождением электрического тока в вакууме. Впринципе вакуум – хороший изолятор. Электрическая прочность вакуумногопромежутка достигает 10кВ/мм. Однако из курса физики нам известно, чтоток в вакуумном промежутке происходит за счет направленного движения вэлектрическом поле свободных электронов и ионов остаточного газа.
Приэтом электроны должны инжектироваться в этот промежуток отпостороннего источника, называемого катодом.Так что же такое вакуум?Вакуум (в переводе с греческого – пустота) – это среда, свободная отвещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду,содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного.Рассмотрим сначала газ. Свойства газов при низком давлении изучаются вфизике вакуума, которая является разделом молекулярно-кинетическойтеории газов. Основой физики вакуума являются следующие постулаты:- газ состоит из отдельных движущихся молекул:- существует постоянное распределение молекул газа по скоростям;- при движении молекул газа нет преимущественных направлений,пространство газовых молекул изотропно;- температура газа – величина, пропорциональная средней кинетическойэнергии его молекул;- при взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газаадсорбируется.Когда между поверхностью и газовой средой существует энергетическое иадсорбционное равновесие, каждой адсорбированной молекуле соответствуетодна десорбированная молекула с противоположным направлением вектораскорости, а суммарное изменение количества движения ∆ адсорбированнойи десорбированной молекул равен∆где=2,– угол между нормалью к поверхности и вектором скорости.Состояние газа определяется тремя параметрами: давлением , объемомтемпературой .иПод давлением газа понимают средний импульс ∆ , передаваемыймолекулами газа единице площади стенки сосуда ∆ в единицу времени ∆ .Уравнение состояния идеального газа, в котором молекулы представлены какупругие материальные частицы, а силы межмолекулярного взаимодействияотсутствуют, носит название Менделеева — Клайперона и имеет следующийвид:,=где — число молекул; — масса одной молекулы; — масса газа,выраженная в тех же единицах, что и , и численно равная его молекулярноймассе; — универсальная газовая постоянная, численное значение которойзависит от выбранной системы единиц.В системе СИ:= 8,3146 ∙ 10 Дж/(К ∙ кмоль), а давление измеряется в Паскалях (Па).Всеобщее распространение получила внесистемная единица измерениядавления — мм рт.
ст. (тор). Соотношения между единицами измерениядавления приведены в таблице 1Единицы давленияПаскаль(Pa, Па)1 Па1 бар1 Н/м)10+1 ат 98066,51 атм 1013251 мм133,322рт. ст.МиллиметрТехническая ФизическаяБарртутного столбаатмосфера атмосфера(bar, бар)(мм рт. ст., mm(at, ат)(atm, атм)Hg, Torr, торр)*.*.*+10,197 ∙ 10 9,8692 ∙ 107,5006 ∙ 10*101 ∙ 10.1,01970,98692750,06дин/см)0,980665 1 кгс/см)0,96784735,561,013251,0331 атм7601,3332 ∙1,3595 ∙1 мм рт. ст.1,3158 ∙ 10**1010*Как известно, молекулы газа находятся в постоянном беспорядочномдвижении.
С точки зрения кинетической теории давление газа естьсуммарный импульс, который вследствие теплового движения сообщаетсяударами молекул газа в единицу времени единице поверхности стеноксосуда, содержащего газ. Связь давления с тепловым движением молекулвыражается следующим уравнением:=3или5)65 ),=3∑9:где 5 = 7 :=>– средняя квадратичная скорость теплового движения<?молекул, а 6 =;?@– плотность газа.Средняя квадратичная скорость молекул газа определяется температуройгаза :=A3B,где B = 1,38 ∙ 10*C.
эрг/K – постоянная Больцмана, связывающаятемпературу с энергией.Тепловое движение молекул газа сопровождается не только ударами молекуло стенки сосуда, но и их взаимными столкновениями. Т. к. при соударениимолекул со стенками сосуда и между собой происходит изменение ихскорости как по величине, так и по направлению, то скорость молекул газаописывается максвелловским распределением (рис.)DEF = 4EG)HI2GB/)@F ;J )KL Dгде DEF – количество молекул, имеющих скорость от,до+D .Функция распределения Максвелла по скоростям.Вследствие этого путь молекулы газа при тепловом движении представляетсобой, вообще говоря, пространственную ломаную линию (рис.1),прямолинейные участки которой соответствует свободному пути молекул(без столкновений).
Среднее расстояние, проходимое молекулами, междудвумя столкновениями средней длиной свободного пробега N. Посколькумолекулы реального газа обладают конечными размерами, средняя длинасвободного пробега зависит от молекулярной концентрации газа и размеровсамих молекул.
Согласно кинетической теории средняя длина свободногопробега выражается следующей формулой:N=√2C1GP ) H1где C – молекулярная концентрация;P – эффективный диаметр молекулы;– абсолютная температура;Q – постоянная, зависящая от рода газа.,+ IQДлина свободного пробега обратно пропорциональна молекулярнойконцентрации и эффективному поперечному сечению молекулы, аRмножитель H1 + I учитывает уменьшение эффективного диаметра молекулLпри повышении температуры газа.Длина свободного пробега молекулы воздуха при температуре 0℃ идавлении 1 ∙ 10+ Па (750 мм рт. ст.) составляет 5,98 ∙ 10*T м.
Используяобъединенный газовый закон, можно прийти к выводу, что длина свободногопробега N при неизменной температуре обратно пропорциональна давлению. В таблице 2 приведены средние длины свободного пробега молекулвоздуха при температуре 25℃ при понижении давления.Табл.2. Значения средней длины свободного пробега молекул воздухаДавление воздухаПа1 ∙ 10+1,333 ∙ 10)1 ∙ 10)1 ∙ 1011 ∙ 10*C1 ∙ 10*)1 ∙ 10*1 ∙ 10*U1 ∙ 10*+1 ∙ 10*.мм. рт.
ст.75017,5 ∙ 10*C7,5 ∙ 10*)7,5 ∙ 10*7,5 ∙ 10*U7,5 ∙ 10*+7,5 ∙ 10*.7,5 ∙ 10*W7,5 ∙ 10*T7,5 ∙ 10*XСредняя длина свободного пробегамолекулы воздуха при = 25℃6,2 ∙ 10*T м4,6 ∙ 10*+ м6,2 ∙ 10*+ м6,2 ∙ 10*U м6,2 ∙ 10* м6,2 ∙ 10*) м6,2 ∙ 10*C м6,2 ∙ 10V м6,2 ∙ 10C м6,2 ∙ 10) м6,2 ∙ 10 м~0,06 мкм46 мкм62 мкм0,6 мм6,2 мм62 мм620 мм6,2 м62 м620 м6,2 кмПо мере удаления газа из сосуда, т.е. уменьшения концентрации молекул ,длина свободного пробега N увеличивается, и наступает такой момент, когдаN становится значительно больше расстояния D между стенками сосуда.
ПриN ≫ D взаимные столкновения между молекулами газа практическипрекращаются, и молекулы без столкновений по прямой перелетают с одногоучастка стенки сосуда на другой.В связи с этим степень вакуума характеризуется соотношением междудлиной свободного пробега молекул газа N и характерным размером среды D.Под D может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры,диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В электровакуумных приборах подD понимают расстояние между электродами. В зависимости от величинысоотношения N/D различают низкий (N/D ≪ 1), средний (N/D ≈ 1) ивысокий (N/D ≫ 1) вакуум.
При практической работе в производствеэлектровакуумных приборов степени вакуума характеризуются значениямидавлений, указанными в табл.3.Табл.3. Степени вакуума в зависимости от трудности их достижения.Степень вакуумаНизкий СреднийОбластьПа>1010 − 10*Cдавлениймм. рт. ст.
> 10*C 10*C − 10*ВысокийСверхвысокий*)*+10 − 10< 10*+10*U − 10*W< 10*WВнутри электровакуумных приборов при их изготовлении обеспечиваетсявысокий вакуум, и они надежно работают при давлениях 10*. − 10*T ммрт.ст. Получение, измерение и поддержание вакуума являются процессамивакуумной техники, обеспечивающие надежную работу электронныхприборов. Поэтому перед разработчиками и изготовителями ЭВП сначаластоит задачи обеспечения столь высокого вакуума, а также совместно сразработчиками и изготовителями аппаратуры – задача сохранения вакуума впроцессе эксплуатации прибора.В основу процессов получения высокого вакуума положено два основныхпринципа:- удаление газов из откачиваемого объема;- связывание молекул газа на стенках прибора специальными материалами.Поскольку получить такой вакуум внутри прибора достаточно трудно, то приизготовлении ЭВП для создания необходимого вакуума используетсязначительное количество специального технологического оборудования:1.Термические установки водородного и вакуумного отжига деталей иузлов.Предназначены для предварительного обезгаживания деталей и узлов,поступающих на сборку ЭВП, в среде водорода и вакууме при нагреве дотемпературы 700 – 800°С, в результате чего удаляется газ, растворенный вглубине материала.2.Различного типа термическое оборудование для высокотемпературнойпайки в среде водорода, формер-газе и вакууме, применяемые при сборкеизделий для соединения предварительно изготовленных узлов.3.Установки лазерной, электронно-лучевой и аргонно-дуговой сварки.4.Гелевые течеискатели, с помощью которых производится проверкасоединений на вакуумную плотность.5.Откачные посты, обеспечивающие откачку изделий до давления ниже*W5 ∙ 10 мм рт.
ст.6.Применение в изделиях технологических насосов, которыеосуществляют докачку ЭВП, снятого с откачного поста, в процессе егодальнейшего изготовления, включающего в себя тренировку,технологический прогон и т.д. После окончания технологического процессаизготовления эти насосы отделяются от приборов при сохранении вакуумавнутри его.В ряде приборов, особенно работающих при напряжениях 15 – 20 кВ ивыше, для поддержания необходимого вакуума обычно используютвстроенные малогабаритные магниторазрядные насосы, которые работаютпостоянно во время работы ЭВП и поглощают выделяющиеся при этом газы.В других приборах, в которых вероятность выделения газа меньше, дляподдержания вакуума часто применяют специальные устройства,называемые газопоглотителями или геттерами. В конструкции геттераимеется активный материал (обычно титан), который абсорбирует исвязывает молекулы выделившегося газа.II.
КатодыКак уже отмечалось выше, для прохождения электрического тока ввакууме между двумя электродами, к которым приложено электрическоеполе, необходимо наличие источника свободных электронов. Отрицательныйэлектрод электровакуумных и газоразрядных приборов, служащий дляиспускания электронов в межэлектродное пространство, называется катодом.В зависимости от механизма испускания различают термокатоды,фотокатоды, автокатоды и др. В приборах СВЧ наибольшее распространениеполучили термокатоды. Это означает, что для работы такого катода егонеобходимо нагреть до высокой температуры.
По методу нагрева различаютпрямонакальные катоды и катоды косвенного нагрева. Прямонакальныйкатод нагревается за счет тока, пропускаемого непосредственно через катод(рис.5).Рис.5. Прямонакальный металлический катодВ конструкции катода косвенного нагрева имеется специальноеустройство, называемое подогревателем, через который проходитэлектрический ток, а катод нагревается от подогревателя за счет излучения итеплопроводности (рис.6).Рассмотрим ЭВП, состоящий из термокатода и анода. Рассмотримклассическую диаграмму энергетических уровней электронов вблизиповерхности катода, изображенную на рис.
Параболические кривыеизображают примыкающие к атомам энергетические уровни электронов.Энергетические уровни сливаются, образуя зону проводимости. Приабсолютном нуле ни один из электронов не обладает энергией, большей, чем_V , которая является верхним уровнем зоны проводимости и называетсяэнергией Ферми. Разница между верхним уровнем энергии Ферми электронав катоде и уровнем энергии в вакууме вблизи катода называется работойвыхода. На свободные электроны, стремящиеся покинуть твердое тело,действует электрическое поле, препятствующее их выходу в окружающуюсреду. Если же электрон покидает поверхность катода, то затрачиваетсяработа, называемая работой выхода, которая измеряется в электрон-вольтах.Условие, при котором электрон может покинуть поверхность тела2)п= Ja– масса электрона;п – проекция скорости электронов на нормаль к поверхности;Ja – работа выхода.При нормальной температуре = 300° энергия теплового движенияэлектронов, имеющихся внутри материала катода, в несколько десятков разменьше работы выхода.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
