3539

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и

радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

	Методические указания к практическим занятиям
	для студентов направления
	«210100.62 – Электроника и наноэлектроника»
Профиль	Микроэлектроника и твердотельная электроника

2013

Аксенов, Александр Иванович

Вакуумная и плазменная электроника = Вакуумная и плазменная электроника: методические указания к практическим занятиям для студентов направления 210100.62 – Электроника и наноэлектроника (профиль Микроэлектроника и твердотельная электроника) / А.И. Аксенов; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Кафедра электронных приборов. - Томск: ТУСУР, 2013. - 40 с.

Материал пособия поможет в закреплении теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9);

способностью аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения

(ПК-20).

Пособие предназначено для студентов очной формы, обучающихся по направления 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» (профиль Микроэлектроника и твердотельная электроника) по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника».

© Аксенов Александр Иванович, 2013

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой ЭП

________С.М. Шандаров

«___» ________ 2013 г.

	ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
	Методические указания к практическим занятиям
	для студентов направления
	210100.62 – «Электроника и наноэлектроника»
Профиль	Микроэлектроника и твердотельная электроника

Разработчик Доцент каф. ЭП

______ А.И. Аксенов

«____»__________2013 г

2013

	Содержание
Введение ...........................................................................................................		5
Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная
эмиссия, вторичная эмиссия ............................................................................		6
1.1	Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии .....................	6
1.2	Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии ......................	7
1.3	Примеры решения задач по вторичной эмиссии .................................	8
Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный и ионный
фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ. ..............................................................		9
2.1	Примеры решения задач .......................................................................	9
Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и
магнитном полях ..............................................................................................		9
3.1	Примеры решения задач .......................................................................	9
Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы,
токопрохождение в ЭЛТ ................................................................................		10
4.1	Примеры решения задач .....................................................................	10
Практическое занятие 5. Тлеющий разряд ...................................................		13
5.1	Примеры решения задач .....................................................................	13
Задачи для проработки тем ............................................................................		13

4

Введение

Материал пособия должен помогать закреплению теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

В результате решения задач студент приобретает способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9); способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).

Прежде чем решить задачу или ответить на поставленный вопрос, надо понять их сущность, физический смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические решения следует проводить, используя общеизвестные физические законы, физические постоянные и физические системы единиц. Сначала надо написать исходные формулы, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и найти результат. Помните, что все физические величины в формуле должны быть в одной системе единиц. Не забывайте в ответе давать размерность полученной величины.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать до третьего знака, а в ряде случаев и до второго.

Полученный в виде числа ответ надо постараться проверить какимлибо способом. Полезно обратиться к справочной литературе и сравнить полученную величину с известными подобными величинами в справочнике. Если отличие в несколько порядков, то ищите ошибку в своем решении.

Ответы на вопросы следует давать кратко, но ясно и точно.

5

Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия, вторичная эмиссия

1.1Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии

Зад ач а 1 . Определить плотность тока термоэмиссии (в А/м2), если материал термокатода имеет эффективную работу выхода эфф 1,5 эВ,

температура катода Tк 900 К, проницаемость потенциального барьера

D0,95 .

Ре ше н ие . Плотность тока термоэмиссии можно определить, используя уравнение Ричардсона-Дэшмана:

e эфф

1,5 1,6 10 19

1,38 10 23 900 3,85 103 А/м2,

j

Э

A

D T

e

k Tк

120 104 0,95 9002 e

0

к

где

A0 120 104

А

– универсальная постоянная термоэмиссии;

м2град 2

e 1,6 10 19 Кл – заряд электрона;

k1,38 10 23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Зад ач а 2 . Определить эффективную работу выхода материала термокатода эфф , если температура катода Tк 900 К, проницаемость

потенциального						барьера D 0,95, а плотность тока			термоэмиссии
j	Э	3,85 103			А/м2.			Определить ток эмиссии термокатода,	если площадь
катода S			к	0,1		см2.
		Ре ш е н и е . Ток эмиссии термокатода можно определить из
уравнения:
				j	Э	S	к	3,85 103 10 5 3,85 10 2 А = 38,5 мА.

Для определения эфф используем уравнение Ричардсона-Дэшмана:

					e эфф
	j A D T e				k Tк .
	Э	0	к
							эфф 1,6 10 19
							1,3810 23 900 ;
	3,85 103 120 104 0,95 9002 e
	3,85 103	205,2 109		e 12,88 эфф ;
			6

Дж = 1,5 эВ.

Постоянные представлены в задаче 1.

1.2Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии

З ад ач а 3 . Найти максимальную энергию (в эВ), выходящих с поверхности фотокатода под действием монохроматического пучка света с длиной волны 2 10 7 м, если эффективная работа выхода фотокатода

эфф 0,5 эВ.

Р е ше н ие . Фотон имеет энергию h и, попадая на фотокатоду, всю энергию отдает электрону в кристалле. Электрон, получив энергию h , покидает кристалл фотокатода, если этой энергии достаточно для выхода. При выходе из кристалла электрон теряет энергию, равную эффективной

работе выхода кристалла ( эфф ).

Выйдя из кристалла фотокатода, электрон в вакууме имеет

кинетическую

энергию, равную

mv2

.

В результате

можно записать

2

уравнение:

mv2

h

c

6,626 10 34

3 108

0,5 1,6 10 19

9,139 10 19 Дж=

2

эфф

2 10 7

= 5,7 эВ,

где

h 6,626 10 34 Дж – постоянная Планка;

с 3108

м/с – скорость света в вакууме;

m 9,1 10 31 кг – масса электрона;

с

– связь между частотой и длиной волны кванта.

Если известна начальная энергия электрона в кристалле ( 0 ), то

уравнение баланса энергий можно записать:

h

mv2

.

0

эфф

2

З ад ач а 4 . Электрон фотокатода получил энергию кванта, покинул кристалл и имеет энергию в вакууме 5,7 эВ. Эффективная работа выхода фотокатода эфф 0,5 эВ. Какой станет энергия электрона в вакууме (в эВ),

если длину волны кванта увеличить в 5 раз.

Ре ш е н и е . Энергию кванта можно найти из уравнения: h h c mv2 2 эфф 5,7 0,5 6,2 эВ.

При увеличении длины волны в 5 раз энергия кванта уменьшается в 5 раз и становится равной 1,24 эВ.

Теперь можно найти энергию электрона в вакууме:

7

hc эфф 1, 24 0,5 0,74 эВ.

1.3Примеры решения задач по вторичной эмиссии

Зад ач а 5 . Динод имеет коэффициент вторичной эмиссии 3,5. На этот электрод падает поток первичных электронов, и во внешней цепи

электрода протекает ток I 5 мА. Каким станет этот ток (в мА), если

2?

Ре ше н ие . Динод (вторичный электрод) в приборах предназначен для того, чтобы умножать ток первичных электронов. Первичные электроны падают на поверхность динода, выбивают вторичные электроны, которые все уходят на следующий динод. Ток в цепи динода можно записать:

I g Ie2 Ie1, а Ie2 Ie1 ;

I g Ie1( 1) , 5 Ie1(3.5 1) ;

Ie1 2 мА, Ie2 Ie1 7 мА,

где – коэффициент вторичной эмиссии; Ie1 – ток первичных электронов;

Ie2 – ток вторичных электронов; I g – ток динода.

Если 2, то I g 2 (2 1) 2 мА.

З ад ач а 6 . Диод работает в режиме насыщения. На анод падает

поток первичных электронов, то во внешней цепи анода Ia 1 мА, при

этом коэффициент вторичной эмиссии материала анода 3. Определить ток первичных электронов.

Ре ш е н и е . Диод – это прибор, в котором два электрода: катод и анод. Режим насыщения в диоде, когда все электроны, вышедшие из катода, ускоряются полем анода и приходят на анод, вызывая появление тока первичных электронов. Вторичные электроны, покинув анод, попадают в ускоряющее поле анода и захватываются им снова. Поэтому ток во внешней цепи анода будет определяться потоком первичных электронов:

Ia Ie1 1 мА.

8

Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный

иионный фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ.

2.1Примеры решения задач

Задача 1. В электронном фотоэлементе интегральная чувствительность К = 50 мкА/Лм, на фотокатод падает световой поток Ф = 6 Лм. Чему равен ток фотоэмиссии (в мА)?

Решение. Ток фотоэмиссии можно найти:

Iф КФ 50 6 300 мкА 0,3 мА.

Ответ: 0,3мА.

Задача 2. В ФЭУ чувствительность катода К = 10 мкА/Лм, световой поток Ф = 4 Лм, число каскадов n = 5, коэффициент вторичной эмиссии = 3, коэффициент передачи тока = 0,8. Определить ток в цепи анода Ia (в мкА). Как изменится , если световой поток уменьшить в два раза?

Решение. Определим фототок с катода:

Iф КФ 10 4 40 мкА 0,04 мА.

Определим коэффициент усиления ФЭУ:

М n n 35 0,85 79,6.

Определим ток анода:

Ia IфМ 40 79,6 3184 мкА 3,2 мА.

Коэффициент вторичной эмиссии не зависит от светового потока, поскольку фотон всю свою энергию отдает одному электрону.

Ответ: 3,2; «не изменится».

Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

3.1 Примеры решения задач

Задача 1. Электрон прошел разность потенциалов 200 В. Определить скорость электрона (в м/с) у поверхности положительного электрода, если начальная скорость электрона V0=0.

Решение. Электрон у поверхности анода будет иметь энергию,

соответствующую потенциалу электрода

Еа еUа . Это

кинетическая

энергия, выраженная формулой Е

mV 2

. Учитывая, что

mV 2

еU

, можно

а

к

2

2

определить скорость электрона:

2 1,6 10 19

200

2eUa

6

V

8, 4 10 м / с ,

m

9,1 10 31

где m = 9,1∙10–31 кг – масса электрона.

9

Ответ: 8,4 ∙ 106 м/с

Задача 2. Каким полем ускорялся ион, имеющий массу протона, если его скорость V = 106 м/с? Ответ дать в кВ.

Решение.

	mprV 2		1,7		10 27 1012
U						5,3кВ,
					1,6 10 19
	2e		2

где mpr = 1,7∙10–27 кг – масса протона.

Ответ: U= 5,3 кВ.

Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы, токопрохождение в ЭЛТ

4.1 Примеры решения задач

Задача 1. В электронно-лучевой трубке отклоняющие пластины по оси Х имеют размеры: d = 5 мм; l = 10 мм; L = 30 см; напряжение на втором аноде Ua2 = 3 кВ. Определить чувствительность к отклонению (в мм/В). Какой величины сигнал подан на пластины, если луч отклонился на 2 см на экране?

Решение. Чувствительность к отклонению можно найти из выражения:

		l L		10 300	0,1 мм / В.
		2Uad		2 5 3000

Учитывая, что размерность в мм/В, все размеры подставляем в мм, а напряжение в В.

На экране луч отклонился на l1 = 2 см, тогда напряжение, поданное на пластины:

Uпл l1 20 200 В.

0,1

Ответ: U= 200 В.

Задача 2. В кинескопе магнитная отклоняющая система. На экране видна горизонтальная линия в центре длиной l = 25 см. При этом ток в катушке 50 мА, а число витков 2000. Определить чувствительность к отклонению (в мм/А∙вит). Как запитаны катушки, отклоняющие по Y? Как изменится чувствительность к отклонению, если напряжение на третьем аноде увеличить в 1,5 раза?

Решение. Чувствительность можно определить из выражения:

	l		250	2,5мм / А вит.
	nI		2000 50 10 3
			10