Материал: konspekt_vpe

1

Вакуумна та плазмова електроніка (конспект лекцій)

Вступ

Ціль викладання дисципліни «Вакуумна і плазмова електроніка» полягає в наданні майбутньому фахівцеві електроніки знань в області будови, принципів дії і основ експлуатації технічних засобів вакуумної та плазмової електроніки, а також сформувати подання про місце електровакуумних і іонних процесів у сучасному виробництві.

Основні завдання дисципліни: вивчення основних закономірностей проходження електричного струму у вакуумі і в іонізованому газі; вивчення способів створення потоку електронів (іонів) і його керування; вивчення улаштування, принципу дії, основних параметрів і характеристик електровакуумних і газорозрядних (іонних) приладів, а також їх застосування.

Із другої половини ХХ століття починається розвиток електронно-променевих і іонно-променевих технологій. Керовані потоки електронів й іонів використовують для одержання інформації про сполуки і властивості речовин (прискорювачі заряджених частинок, просвічування променями Рентгена, електронна та тунельна мікроскопія, масспектрометрія). За допомогою приладів НВЧ реалізовані телекомунікаційні технології, промислові технологічні процеси. Широке застосування набули електровакуумні прилади в медицині (дослідження біологічних об‗єктів, рентгеноскопія, терапія, комп‗ютерна томографія, гамма ножі та прискорювачі заряджених часток, фотометричні та радіометричні прилади і інші). Отримала розвиток космічна геологічна та біологічна розвідка, плазмові двигуни для космічних апаратів, термоемісійні та газодинамічні перетворювачі енергії. Електровакуумні прилади зберігають своє значення у складі радіопередавачів і високочастотних генераторів великої потужності. Газорозрядні та вакуумні прилади є ефективними джерелами світла. Багато видів оптичних квантових генераторів є приладами вакуумної та плазмової електроніки, або використовують їх в своєму складі. Сучасні засоби відображення інформації такі як проекційні кінескопи та проектори, плазмові панелі, квант оскопи, кінескопи з використанням польової емісії також є приладами вакуумної та плазмової електроніки. Важливу роль відіграють і фотоелектронні прилади перетворення та посилення зображень в побуті, промисловості, медицині, науці та військовій техніці.

Якщо застосувати системний підхід, то будь-який прилад вакуумної та плазмової електроніки можна представити як прилад, що складається з окремих загальних систем або елементів.

1.Носій інформаційного сигналу – ансамбль електронів або іонів в залежності від типу приладу.

2.Генератор вільних носіїв зарядів (іонів або електронів). В якості емітерів використовуються як найпростіші катоди, так і складні гармати зі своєю власною електронно- (іонно)оптичною системою, що створюють потоки заряджених часток з необхідними параметрами.

3.Континуальне середовище в якому будуть розповсюджуватися носії інформаційного сигналу (вакуум, розряджений газ, плазма).

4.Пристрої керування потоком носіїв інформаційних сигналів – електронно-оптичні системи, що створюють керуючі поля необхідних конфігурацій.

5.Детектори інформаційних сигналів або пристрої відбору енергії від електронного (іонного) потоку.

Електронними називають прилади, принцип дії яких оснований на фізичних процесах, пов‗язаних з рухом заряджених часток у вакуумі, газі або у твердому тілі.

Вакуумна електроніка – це розділ електроніки, який включає в себе дослідження взаємодії потоку вільних електронів з електромагнітними полями у вакуумі, а також методи створення електронних приладів та пристроїв, в яких ця взаємодія використовується.

Вакуумом називають континуум (середовище) в якому тиск газів менший за атмосферний. Під тиском газу розуміють середній імпульс, що передається молекулам газу одиниці площі балона за одиницю часу. Існує загальна характеристика ступеня вакууму за допомогою тиску, що представлена в табл. 1.

Таблиця 1

Також ступінь вакууму можна якісно визначити за допомогою середньої довжини вільного пробігу атомів газу між зіткненнями та частотою зіткнень. Низьким, середнім та високим ступенем вакууму називають сан газу якщо середня довжина вільного пробігу є меншою, приблизно рівною та більшою, відповідно, за ефективний діаметр балону, в якому знаходиться газ, або частота зіткнень між атомами газу буде більшою, рівною або меншою, відповідно, за частоту їх зіткнень зі стінками балону.

В електровакуумних приладах робоча речовина ізольована від оточуючого середовища газонепроникною оболонкою – балоном. Електричні процеси у цих приладах відбуваються в середовищі розрядженого газу з тиском

2

порядку 10-3 10-6 мм. рт. ст. Їх розділяють на такі загальні групи: електронні лампи, електронно-променеві прилади, НВЧ прилади, фотоелектронні прилади та рентгенівські прилади.

В свою чергу, плазмова електроніка – це розділ електроніки, в якому вивчають процеси колективної взаємодії потоків заряджених часток з плазмою та іонізованим газом, що приводять до збудження в системі хвиль і коливань, а також використання ефектів такої взаємодії для створення приладів та пристроїв електроніки.

Плазмою, за Люнгмюром, називають частково або повністю іонізований газ в якому густини позитивних (іонів) і негативних зарядів (електронів) практично однакові. Під іонізованим газом розуміють газ, в якому значна частина атомів втратили або отримали по одному чи декілька електронів та перетворилися в іони.

У іонних приладах електричні процеси відбуваються в атмосфері інертних газів, водню, ртутних парів і т. д. Ці прилади, як правило, класифікують у відповідності з видом газового розряду, конструкцією та призначенням.

КАТОДНА ЕЛЕКТРОНІКА

У всіх електровакуумних приладах, як безпосередньо вакуумних так і газонаповнених, особливу роль відіграють процеси електронної емісії — вихід електронів з матеріалу катода у вакуум або в газове середовище. Електронна емісія з катоду є необхідною умовою проходження електричного струму скрізь вакуум, а також скрізь гази, за винятком тихого (коронного) розряду і деяких видів високочастотних електричних розрядів. Крім емісії електронів, на катоді при певній природі газу і поверхні катоду можуть виникати процеси поверхневої іонізації – іонізації молекул або атомів газу, що вдаряються об катод. У деяких випадках, крім електронної емісії з катода, відбувається емісія позитивних іонів з аноду або відрив негативних іонів, адсорбованих на катоді.

Процеси електронної емісії можна умовно класифікувати наступними основними типами:

електрони з катода виходять у навколишнє середовище при термоелектронній емісії завдяки енергії їх теплового безладного руху усередині катода;

при холодній емісії внаслідок так званого тунельного ефекту, не сумісного з поданнями класичної електродинаміки і механіки, але поясненого у квантовій механіці;

при зовнішньому фотоефекті за рахунок енергії світлових квантів, що поглинаються електронами;

при вторинній електронній емісії — за рахунок енергії, що вдаряються об поверхню катода і проникаючих усередину його електронів, а також ударів інших часток (позитивних іонів, швидких нейтральних часток, збуджених або метастабільних атомів)

екзоелектрона емісія – емісія за рахунок виникнення механічних напружень в твердому тілі (використовується для дослідженні властивостей твердого тіла).

газовий розряд (емісія електронів та іонів при різних газових розрядах).

Окремі види електронної емісії можуть виникати та існувати одночасно з іншими типами емісій.

1.1Робота виходу

Валентні електрони у твердому тілі або досить тісно зв'язані зі своїми атомами як у напівпровідниках і діелектриках, або, утворюючи електронний газ (метали), вільно переміщаються між вузлами кристалічної решітки. Ці електрони, при нормальних умовах, не залишають фізичних меж твердого тіла.

Виходу електронів із твердого тіла перешкоджають електричні сили взаємодії електрона з твердим тілом. Енергія Фермі Еф (енергія електронів при 0 К, що залежить, в першому наближенні, тільки від концентрації електронів) недостатня для подолання цих сил. Приймемо за нульовий рівень енергію електрона у вакуумі, нескінченно вилученого від поверхні твердого тіла, що і визначає висоту потенційного бар‘єра. Енергетичні стани електронів у твердому тілі повинні знаходитись нижче цього рівня (мал. 1.1). Різниця повної енергії потенційного бар‘єра Е0 та енергії Фермі ЕФ в металі, називається роботою виходу електрона.

3

Рисунок 1.1 - Енергетичний бар'єр на границі твердого тіла (металу) і вакууму.

Фізична природа сил, що перешкоджають виходу електрона з металу і визначають величину роботи виходу електрона, досить складна. На електрон що вийшов з металу діють поле об‘ємного заряду, створене електронами, що вже вилетіли, некомпенсованих позитивних зарядів на поверхні тіла, а також сили взаємодії між електронами, що вийшли, і наведеними у тілі позитивними електричними зарядами.

Обчислення роботи виходу для металу з урахуванням цих сил приводить до наступного результату

Звідси видно, що робота виходу для металів зменшується зі збільшенням міжатомної відстані. Величина роботи виходу виміряється декількома електрон-вольтами. Значення роботи виходу для основних речовин, що використовуються для створення катодів приведені в таб.1.

Таблиця 1

У випадку емісії електронів з поверхні напівпровідників необхідно враховувати те, що рівень Фермі в них знаходиться не в зоні провідності як у металів, а посередині забороненої зони. Тому повна робота виходу напівпровідника складається з суми різниці величини потенційного бар‘єру та енергії Фермі і на півширини забороненої зони.

Вплив активованого шару. Робота виходу може значно змінитися, якщо на поверхню емітера з металу або напівпровідника (керну), нанести тонкий шар іншої речовини, що називається активованим шаром.

Атоми адсорбованої на поверхні речовини можуть відбирати або віддавати електрони керну. Внаслідок цього на поверхні розташовується шар іонів, які разом з їх дзеркальним відображенням у керні створюють шар диполів. На поверхні емітерів наносяться шари речовин які є електропозитивними щодо основного металу. Такі речовини називаються активаторами.

Величина E0 зменшення роботи виходу залежить не тільки від фізичних властивостей керна та активатора, а також і від товщини адсорбованого шару. Найбільша величина E0 виходить при нанесенні одноатомного шару. Так, наприклад, для вольфраму, активованого барієм, E0 1,56 еВ, а при активуванні вольфраму торієм E0 2,63 еВ.

При виході з металу або напівпровідника електрон повинен виконати роботу за рахунок отриманої їм додаткової енергії E0 . Ця додаткова енергія може бути тепловою (при нагріванні твердого тіла),

випромінювальною (при його опроміненні, наприклад, світловим потоком), енергією зовнішнього електричного поля та ін.

Залежно від виду наданої тілу додаткової енергії розрізняють термоелектронну, фотоелектронну,

вторинну електронну і електростатичну електронну емісію та екзоелектронну емісію. Число електронів, що

4

залишають тіло, їхня швидкість у вакуумі залежать від кількості отриманої ним енергії, а також від фізичних властивостей самого емітера.

1.2 Електронна емісія

1.2.1Термоелектронна емісія

Термоелектронна емісія – це такий вид емісії, при якому додаткова енергія надається емітеру та електронам у вигляді тепла. Термоелектронна емісія отримала найбільш широке застосування в електровакуумних та газорозрядних приладах.

На рис.1.1 по осі ординат відкладена величина енергії E . Однак у ряді випадків, наприклад при розгляді електричних полів, у міжелектродному просторі приладів, виявляється більше зручним користуватися поняттям потенційного бар'єра. Тоді по осі ординат відкладається величина потенціалу Ee .

На рис. 1.2 показана функція розподілу електронів по енергіях для металу відповідно до квантової статистики Фермі–Дирака. При T 0 К найвища енергія електронів у металі відповідає значенню енергії Фермі. При підвищенні температури тіла найбільш швидкі електрони за рахунок теплової енергії можуть переміститися на більше високі вільні енергетичні рівні. Функція розподілу dNdE при T 0 К видозмінюється: імовірність заселення енергетичних станів, що лежать вище рівня Еф, стає відмінною від нуля. При кімнатній температурі енергія найбільш швидких електронів зростає на величину kT , рівну приблизно 0,03 еВ. При підвищенні

температури до T ~ 2000 К збільшення енергії досягає декількох електрон-вольтів. Енергія найбільш швидких електронів при цьому виявляється достатньої для подолання роботи виходу (рис. 1.2). Електрони будуть залишати метал, рухаючись у вакуумі з кінетичною енергією, величина якої виміряється перевищенням їхньої енергії над величиною роботи виходу Е0.

Рисунок 1.2 - Енергетичний бар'єр на поверхні і функція розподілу Фермі для металу.

Струм з одиниці поверхні катода – питомий струм термоелектронної емісії визначається вираженням (формулою Ричардсона-Дешмона):

Шотки, що визначає прозорість потенційного бар‘єру для електронів; e, m – заряд та маса електрона, відповідно; h, k – сталі Планка та Больцмана, відповідно.

Експериментальна перевірка формули (1.2) приводить до інших величин цієї постійної: для різних речовин стала A0 може приймати значення від 10 до 300. Данні для основних матеріалів приведені в таб.2.

5

Таблиця 2

струму емісії від температури для двох катодів площею 0,03см2, але з різною роботою виходу.

Рисунок 1.3 - Залежність струму емісії від температури для катодів.

Термоелектронна емісія – найпоширеніший вид емісії тому термоемітери використовуються майже у всіх електронновакуумних приладах.

1.2.2Термоелектронна емісія при зовнішньому електростатичному полі

Ми розглянули явище термоелектронної емісії в припущенні, що електричне поле у вакуумі відсутнє.

У більшості електронних приладів емітер або катод перебуває поблизу інших електродів, потенціал яких у загальному випадку відмінний від нуля. Тому електрони, залишаючи поверхню катода, попадають у зовнішнє електричне поле. Крива зміни енергії на поверхні емітера, а отже і умови емісії електронів при цьому відрізняються від розглянутих вище випадків.

На рис.1.4 а показана зміна енергії на поверхні катоду при наявності зовнішнього гальмівного електричного поля. Результуюча крива 3, отримана при додаванні кривої 1 і 2, визначає зміну потенціалу між емітером і

електродом a з потенціалом - U a . Електрон, що має власну енергією Еф, при видаленні від катода на відстань ra