- •Методические указания
- •Исследование термоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы
- •Основные характеристики современных катодов приведены в таблице.
- •Методика обработки и анализа экспериментальных результатов
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование фотоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы
- •Параметры и характеристики фотокатодов
- •Методика проведения эксперимента и обработки полученных результатов
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •1. Цель работы.
- •12. Расчет чувствительности и квантового выхода фотокатода по данным п. 6. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Управление электронным потоком
- •На примере осциллографической
- •Электронно-лучевой трубки
- •Цель работы
- •Параметры оэлт типа 13ло37и
- •Описание лабораторного стенда
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •1. Каким образом определяется действие электронной линзы?
- •7. Как выглядит траектория электрона в пучке от катода до экрана?
- •Литература
- •Исследование тлеющего разряда
- •Вольт-амперная характеристика разряда
- •Структура и внешний вид разряда
- •Теория лавинного пробоя Таунсенда
- •Константы для расчета коэффициента ионизации Таунсенда
- •Теория катодного падения потенциала
- •Нормальное катодное падение Uн b
- •Нормальная толщина катодного слоя pd, торсм
- •Теория диффузионного положительного столба тлеющего разряда
- •Оценочные значения параметров электрона в плазме для различных газов
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание и методика выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Дополнительная литература
- •Содержание
Нормальное катодное падение Uн b
Катод |
Воздух |
Ar |
He |
H2 |
Ne |
N2 |
O2 |
Hg |
Al |
229 |
100 |
40 |
70 |
20 |
80 |
11 |
45 |
Ag |
280 |
130 |
162 |
216 |
150 |
233 |
– |
318 |
Cu |
370 |
130 |
177 |
214 |
220 |
208 |
– |
447 |
F |
269 |
165 |
150 |
250 |
150 |
215 |
290 |
298 |
Ni |
226 |
131 |
158 |
211 |
140 |
197 |
– |
275 |
Pt |
277 |
131 |
165 |
276 |
152 |
216 |
364 |
340 |
W |
– |
– |
– |
– |
125 |
– |
– |
305 |
Стекло (570К) |
310 |
– |
– |
260 |
– |
– |
– |
- |
Таблица 3
Нормальная толщина катодного слоя pd, торсм
Катод |
Воздух |
Аr |
Нe |
H2 |
Ne |
N2 |
O2 |
Hg |
Al |
0,25 |
0,29 |
1,32 |
0,72 |
0,64 |
0,31 |
0,24 |
0,33 |
Cu |
0,23 |
– |
– |
0,8 |
– |
– |
– |
0,6 |
Fe |
0,52 |
0,33 |
1,3 |
0,9 |
0,72 |
0,42 |
0,31 |
0,34 |
Ni |
– |
1 |
– |
0,9 |
– |
– |
– |
– |
Pt |
– |
– |
– |
1,0 |
– |
– |
– |
– |
Стекло (570К) |
0.3 |
– |
– |
0,8 |
– |
– |
– |
– |
dkн d d а б
Рис. 5. Зависимость напряжения горения разряда от расстояния
между электродами: а – нормальный тлеющий разряд;
б – аномальный тлеющий разряд
Теория диффузионного положительного столба тлеющего разряда
Положительный столб (ПС) существует только для того, чтобы замкнуть электрическую цепь между катодным слоем и анодом. Столб представляет собой низкотемпературную плазму, параметры которой зависят только от тока разряда и условий возбуждения (давления, состава газа, радиуса трубки, условий охлаждения стенок, характера газовых потоков и т. п.). Значения параметров плазмы (температура и концентрация электронов, напряженность поля) устанавливаются такими, чтобы для поддержания тока разряда в столбе выполнялись балансы энергии и числа частиц (электронов, ионов, атомов).
Положительный столб, в котором гибель заряженных частиц происходит в результате рекомбинации на стенке трубки, а движение к стенке контролируется амбиполярной диффузией, называется диффузионным. В лабораторной работе исследуется разряд при давлениях 10…1000 Па, что соответствует области существования диффузионного столба.
Допущения теории ПС низкого давления:
1) положительный столб однороден по оси и стационарен во времени;
2) положительный столб состоит из электронов, нейтральных атомов и ионов; возбужденных атомов мало и нет излучения;
3) для атомов и электронов функция распределения частиц по энергиям – максвелловская с температурами Та и Те, соответственно;
4) электроны получают энергию только от продольного поля Еz;
5) плазма квазинейтральна, т. е. ne= ni = n;
6) атомы ионизируются прямым электронным ударом; ступенчатых процессов нет;
7) объемной рекомбинации нет (ne < 1012…1013см-3).
8) Тe(r) = const;
9) ne(r) = ne(0) принимается без доказательств.
Исходя из положения, что разряд контролируется диффузией, баланс электронов в стационарной плазме определяется равенством частоты ионизации (i) и частоты диффузии (D)
i = D . (14)
Учитывая наличие градиента концентрации электронов по радиусу трубки, запишем баланс электронов через второе уравнение Фика для диффузии в цилиндрических координатах:
, (15)
где Da – коэффициент амбиполярной диффузии, равный при рассматриваемых условиях
.
Уравнение (15) представляет собой уравнение Бесселя второго порядка, решение которого при граничных условиях Da, i – постоянны по радиусу, N(r = R) = 0, dn / drr = 0 = 0 имеет вид
n(r) = n(0) J0 (r / ), (16)
где n(0) – концентрация электронов на оси трубки (r = 0); J0 – функция Бесселя нулевого порядка; – диффузионная длина (константа решения уравнения Бесселя)
. (17)
Принимая во внимание (17), баланс электронов (14) получим в виде
(18)
С учетом максвелловской функции распределения электронов по энергии для средней частоты ионизации получаем выражение
, (19)
где Na – концентрация атомов газа; i – энергия ионизации; i – сечение ионизации; С0 – константа в выражении для сечения ионизации (i = С0(e – i )); – средняя арифметическая скорость теплового движения.
Объединяя (18) и (19), находим окончательный вид уравнения для оценки температуры электронов:
. (20)
Это уравнение определяет универсальную для всех газов зависимость kTe/i от cpR, где с – своя для каждого газа постоянная, которая вычисляется из (20). Эта зависимость представлена на рис. 6. Константы с равны: He – 410-3 торсм; Ne – 610-3 торсм; Ar – 410-2 торсм; N2 – 410-2 торсм.
10-3 10-2 10-1 cpR,
торсм 102 103 104
Рис. 6. Универсальная кривая для вычисления Те
в положительном столбе в зависимости от cpR
Поле в столбе находим из баланса энергии электрона:
, (21)
где – средняя энергия электрона; * – эффективный коэффициент передачи энергии при столкновении электрона с атомом; ea – частота столкновений электрона с атомом.
Выражая ea через длину свободного пробега электрона ea и энергию в электрон-вольтах (ev = kTe/e), для определения напряженности поля вдоль оси трубки получаем
(22)
Типичные значения величины напряженности поля в ПС для различных газов приведены на рис. 7.
Для определения концентрации электронов воспользуемся уравнением полного тока для ПС:
, (23)
где VD = -Ez – скорость дрейфа.
H2 N2
Рис. 7. Измеренные Е/р для положительного столба в трубках в инертных (а) и молекулярных (б) газах |
После подстановки (16) и интегрирования получаем
J = 1,36 e -Ez n(0) .
В заключение приведем уравнения для определения ионного тока на стенку трубки
и величины поперечного электрического поля
Характерные значения параметров электронов в плазме положительного столба приведены в табл. 4.
Таблица 4