ФизЭлектроника PDF-лекции / (Лекция 1)
.pdfФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Лекция. Физические основы эмиссионной электроники
Термоэлектронная эмиссия металлов и полупроводников. Работа выхода. Закон
Ричардсона-Дешмана. Контактная разность потенциалов.
Литература:
Обязательная:
1.А.М. Бродский, Ю.Я. Гуревич Теория электронной эмиссии из металлов. М.:
Наука, 1973
2.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977, 608 с.
Дополнительная
1.Л.Н.Добрецов, М.В. Гамаюнова Эмиссионная электроника. 1966.
2.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с.
Лекция. Физические процессы, сопровождающие эмиссию. Эффект
Шоттки. Автоэлектронная эмиссия.
Литература:
Обязательная:
1.А.М. Бродский, Ю.Я. Гуревич Теория электронной эмиссии из металлов. М.:
Наука, 1973
2.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977,
608 с.
Дополнительная
1.Л.Н.Добрецов, М.В. Гамаюнова Эмиссионная электроника. 1966.
2.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с.
Лекция. Вакуумный диод. Уравнение Чайлда-Ленгмюра. Физические
явления в вакуумном диоде.
Литература:
Обязательная:
1. К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем. Москва.: Энергия, 1977,
608 с.
Дополнительная
1.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с.
Лекция. Фотоэлектронная эмиссия. Основные законы. Формула
Фаулера. Фотокатоды.
Литература:
Обязательная:
1. К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977,
608 с.
Дополнительная
1.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с.
Лекция. Вторичная электронная эмиссия. Распределение вторичных электронов по энергиям. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения первичных электронов. Вторично-электронные эмиттеры. Другие виды эмиссии.
Литература:
Обязательная:
1.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977, 608 с.
Дополнительная
1.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с
Лекция. Экспериментальные методы изучения эмиссионных
характеристик. Эмиссионные материалы для термокатодов (металлические,
активированные, оксидные).Фотокатоды.
Литература:
Обязательная:
1.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977, 608 с.
Дополнительная
1.C.К.Жданов, В.А.Курнаев, М.К. Романовский, И.В.Цветков Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие /
Москва: МИФИ, 2000. 184 с
Лекция. Движение заряженных частиц в статических электрическом и
магнитном полях. Модифицированные уравнения движения в аксиально-
симметричных полях.
Литература:
Обязательная:
1.Л.А.Арцимович, С.Ю.Лукьянов Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Учебное пособие, Изд.2-ое, М.: Наука,
1978. 224 с.
Дополнительная
1.П. Хокс, Э. Каспер Основы электронной оптики в 2-х т. Т.2 М.: Мир, 1993. 480 с.
Лекция. Элементы электронной оптики. Электростатические и
магнитнитостатические фокусирующие системы. Электронный микроскоп.
АСМ.
Литература:
Обязательная:
1. Л.А.Арцимович, С.Ю.Лукьянов Движение заряженных частиц в
электрических и магнитных полях. Учебное пособие, Изд.2-ое, М.: Наука,
1978. 224 с.
Дополнительная
1.П. Хокс, Э. Каспер Основы электронной оптики в 2-х т. Т.2 М.: Мир, 1993. 480 с
Лекция. Движение потоков заряженных частиц. Особенности движения
потоков заряженных частиц. Учет кулоновского поля. Эмиттанс. Яркость.
Ленгмюровский предел плотности тока.
Литература:
Обязательная:
1.С.И. Молоковский, А.Д. Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки М.: Энергоатомиздат, 1991, 304 с.
2.П. Хокс, Э. Каспер Основы электронной оптики в 2-х т. Т.2 М.: Мир, 1993. 480 с.
Дополнительная
1.Дж.Лоусон Физика пучков заряженных частиц.М.: Мир , 1980. 438 с.
2.Е.А.Абрамян, и др. Интенсивные электронные пучки Энергоатомиздат, 1984
Лекция. Предельная плотность тока пучка в вакуумном и газовом
пролетном промежутке. Влияние ионов на процесс транспортировки пучка.
Процесс рассеяния на молекулах фонового газа.
Литература:
Обязательная:
1.С.И. Молоковский, А.Д. Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки М.: Энергоатомиздат, 1991, 304 с.
2.П. Хокс, Э. Каспер Основы электронной оптики в 2-х т. Т.2 М.: Мир, 1993. 480 с.
Дополнительная
1.Дж.Лоусон Физика пучков заряженных частиц.М.: Мир , 1980. 438 с.
2.Е.А.Абрамян, и др. Интенсивные электронные пучки Энергоатомиздат, 1984
Лекция. Элементы ионной оптики. Статические масс-анализаторы.
Динамические масс-анализаторы.
Литература:
Обязательная:
1.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977, 608 с
Дополнительная
1. Л.Н. Розанов Вакуумная техника. Москва.: Высшая школа, 1990. 320 с
Лекция. Методы экспериментального изучения параметров пучков.
Цилиндр Фарадея. Пояс Роговского. Энергетический анализ.
Литература:
Обязательная:
1.С.И. Молоковский, А.Д. Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки М.: Энергоатомиздат, 1991, 304 с
Дополнительная
1.Е.А.Абрамян, и др. Интенсивные электронные пучки Энергоатомиздат, 1984
Лекция. Взаимодействие пучков заряженных частиц с веществом
Электронно-лучевая технология. Ионная обработка материалов.
Литература:
Обязательная:
1. А.Н.Диденко, А.Е.Лигачев, И.Б.Куракин Воздействие пучков заряженных
частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987.
184 с.
Дополнительная
1.Е.А.Абрамян, и др. Интенсивные электронные пучки Энергоатомиздат, 1984
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО КУРСУ:
Вакуумная электроника:
∙«Определение эмиссионных констант вольфрамового катода и закона распределения эмитированных электронов по скоростям»
∙«Вакуумный диод»
∙«Электронная пушка и ее характеристики»
∙«Определение характеристик электронного инжектора»
∙«Определение характеристик элементов электронной оптики»
∙«Фотоэмиссия. Спектральная чувствительность ФЭУ»
∙«Основы масс-спектрометрии»
∙
Аннотация:
Изучаются закономерности термоэлектронной эмиссии методом вольт-
амперных характеристик. Элементы электронной и ионной оптики.
Литература:
Обязательная:
1.К. Шимони Физическая электроника. пер. с нем.Москва.: Энергия, 1977, 608 с
2.С.И. Молоковский, А.Д. Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки М.: Энергоатомиздат, 1991, 304 с.
Дополнительная:
1.Специальный физический практикум Ч.2, изд.3 под ред. А.А.Харламова Учеб. пособие / Москва.: Издательство МГУ, 1977, 376с.
2.C.М.Левитский Сборник задач и расчетов по физической электронике :
Изд. Киевского ун-та, 1964.211с.
Примерный перечень тем курсовых работ и контрольных практических
заданий.
Курсовые работы:
∙Плазменный инжектор Лизитано.
∙Электронный инжектор на основе катода LaB6.
∙Изучение энергетического спектра электронов методом задерживающего потенциала.
∙Система диагностики пучка инжектора (Цилиндр Фарадея. Пояс Роговского.).
∙Резонаторный блок малогабаритного авторезонансного ускорителя.
∙Расчет системы высадки пучка на твердотельную мишень резонансного ускорителя.
∙Спектрометрия тормозного излучения ЭЦР источника плазмы.
∙Калибровка рентгеновского спектрометра.
Контрольные практические задания:
∙Комптон эффект
∙Магнитный анализ частиц
∙Измерение контактной разности потенциалов между полупроводниками
∙Изучение влияния пространственного заряда на вольт-амперную характеристику термотока
∙Изучение термоэлектронной эмиссии при малых плотностях эмиссионного тока
∙Исследование внешнего фотоэффекта
∙Исследование внутреннего фотоэффекта
ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
3.1. Электронная эмиссия
Электрон является стабильной элементарной частицей с массой покоя 9.1×10-31 кг и зарядом 1.6×10-19 К. На электрон, движущийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца
F= e [H ×v]+ eE c
где е - заряд электрона, с - скорость света, - v, H и Е векторы скорости электрона и напряжённости магнитного и электрического полей.
Электрон, |
прошедший |
|
разность потенциалов |
|
При движении |
|||
электрона |
в |
направлении, |
перпендикулярном |
силовым |
линиям |
|||
однородного |
|
магнитного |
поля, |
действующая |
на |
него |
сила |
|
пропорциональна произведению модулей скорости электрона и напряжённости магнитного поля.
U, приобретает в электрическом поле энергию
eU = mv2
2
Электрон, как и любая материальная частица, в общем случае обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами, связь между ними описывается уравнением Де Бройля:
=λ = |
h |
= |
|
h |
|
|
|
||
|
mv |
2eUm |
||
где: l - длина волны электрона; h - постоянная Планка;U - ускоряющее напряжение.
Волновые свойства электрона проявляются в том случае, если его движение ограничено областью пространства, линейные размеры которого соизмеримы с длиной волны электрона. Проявление волновых свойств делает невозможным описание движения электронов законами классической механики, так как электрону в этом случае не могут быть приписаны точные значения координаты и импульса. Неопределенность этих величин связана между собой соотношением Гейзенберга, согласно которому произведение неточности в определении координаты частицы на неточность в определении ее импульса есть конечная величина порядка постоянной Планка:
m × Dv × Dx = Dp × Dx @ h
где v, x, p - неопределенности в значениях скорости, координаты и импульса частицы.
Отметим, что речь идет не о погрешностях эксперимента, а о принципиальной невозможности одновременно и точно знать и координату и импульс частицы. Соотношение Гейзенберга может быть
использовано для определения |
условий |
проявления |
волновых |
|||
свойств |
электронов. |
Из соотношения |
неопределенностей |
легко |
||
показать, |
что при |
описании движения электронов в вакууме с вполне |
||||
приемлемой |
точностью |
|
волновыми |
свойствами |
электрона |
можно |
||||
пренебречь, |
тогда |
как |
|
описание |
движения электронов в |
атоме |
||||
возможно только |
на |
основе квантовомеханических представлений. |
||||||||
При высоких значениях ускоряющих напряжений |
|
|||||||||
необходимо учитывать зависимость массы движущегося электрона от |
||||||||||
скорости: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m = m( v ) = |
|
|
m0 |
|
|
= γm0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
− v2 c2 |
|
|
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
||||
Эта формула и получаемая отсюда связь массы и энергии следуют из СТО, построенной на основе общих фундаментальных соображений.
Масса каждого материального объекта, движущегося со скоростью V, зависит в соответствии с приведенным выше соотношением от скорости. Т.о., масса увеличивается при увеличении скорости и стремится к бесконечности, когда скорость стремится к скорости света с.
Из сказанного выше следует, что второй закон Ньютона справедлив лишь в первоначальной формулировке, данной Ньютоном:
d R = R
( mv ) F
dt
Подсчитаем работу, совершенную силовым полем по перемещению частицы на участке траектории dr. Справедливо равенство:
Fv = v dmv dt
Производя дифференцирование, находим:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
dmv |
|
d |
|
|
m0v |
|
|
|
2 |
v2 |
2 |
|
d 2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
v |
dt |
= v |
dt |
|
|
1 − v |
2 |
c |
2 = |
|
m0c 1 − |
c |
2 |
|
|
= mc |
||||
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
dt |
|||||||
Отсюда следует равенство:
Fv = d mc2 dt
интегрирование обеих частей которого приводит к формуле:
Wk = mc2 - m0c2
Это соотношение интерпретируется как общее положение: любой системе с массой m соответствует энергия mc2, т.е.:
W = mc2
Масса покоя m0 соответствует энергии m0c2. При увеличении скорости увеличивается энергия, что как раз и проявляется в форме возрастания массы. Т.о. прирост энергии может быть выражен в виде:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m0c |
2 |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Wk = W -W0 = |
|
|
|
|
|
|
- m0c |
|
= m0 c |
|
|
|
|
|
|
- 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 - v2 |
|
|
|
1 - v2 |
|
|
||||||||||
|
|
c |
2 |
|
|
|
|
|
c |
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Полученное выражение дает точное значение кинетической энергии. Если
v<<c, то, используя известное разложение в ряд:
( 1 + x )α » 1 + αx
Получаем:
|
1 |
|
|
» 1 + |
1 |
|
v2 |
+ ... |
|
||||||
|
|
|
|
|
2 c2 |
|
|||||||||
|
|
1 - v2 |
2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Откуда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
|
|
1 v2 |
|
|
m v2 |
||||||
Wk » m0c |
1 |
+ |
|
|
|
|
|
- 1 |
= |
0 |
|||||
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 c2 |
|
|
|||||||
В случае малых скоростей мы приходим снова к классическому выражению для кинетической энергии.
Используя закон сохранения энергии, можно определить скорость, которую приобретает частица, ускоряемая разностью потенциалов U. Потенциальная энергия qU в этом случае идет на приращение массы частицы.
2 |
|
2 |
|
|
m c2 |
|
2 |
|||
mc - m0c = qU ; |
0 |
|
|
|
|
- m0 c = qU |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 - v2 |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
Отсюда можно получить: |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v = c |
1 - |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
( 1 |
+ qU |
m0c2 )2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
Конкретно для электрона эта формула перепишется в форме:
v = c 1 - |
|
|
1 |
|
+ 1,96 |
×10−6 U )2 |
|
( 1 |
|||
Из двух последних соотношений следует, что при безграничном увеличении напряжения скорость растет не до бесконечности, а асимптотически приближается к скорости с. Если значения U малы, то полученная формула