Вакуумная и плазменная электроника

Литература:

1. Арцемович «Элементарная физика плазмы»

2. Арцемович «физика плазмы»

3. Смирнов «физика плазмы»

4. Грановский «Электрический ток в газах»

Электрический ток в вакууме

Вакуум - сильно разреженный газ, в котором средняя длина свободного пробега частицы больше размера сосуда. В результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и самостоятельный разряд не возникает. Для создания носителей заряда в вакууме используют явление термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия – явление “испарения” электронов с поверхности металла при нагревании.

Электрический ток в вакууме – упорядоченное движение электронов, созданных в результате термоэлектронной эмиссии с катода.

Это электронная лампа

Катод – вольфрамовая нить (3000º K), или подогреваемый катод (~ 1000ºK).

Наступает ток насыщения, что значит, что все электроны, испущенные катодом, практически полностью попадают на анод. Для этого необходимо, чтобы в лампе между катодом и анодом был вакуум. Достаточно давления 10^-3мм рт ст. Нужно 10^-7мм рт ст.

Закон Ленгмюра (закон 3/2)

пусть электрод будет плоским, запишем уравнение Пуассона:

Для плоских электродов:

умножаем на

, где

Это закон Богуславского – Ленгмюра; в зависимости от формы катода, β будет другим.

Формула Ричардсона - Дешмана

Зависимость δ(u) геометрически выглядит, как полукубическая парабола. Но в какой – то момент наступает насыщение. Чему равен ток насыщения?

, где

Эту формулу экспериментально получил Ричардсон.

Если использовать распределение Ферми:

Эту формулу получил Дешман.

Работа выхода электрона из катода

Работа выхода – это энергия, которая расходуется на 2 процесса:

1. Энергия вырывания электрона из металла (катода)

2. Создания вокруг катода электронного облака, которое препятствует перемещению электронов на анод.

Поле можно найти методом изображений:

Расположим плоскость так, что заряды будут относительно неё симметричны. Поле на этой пластине будет равно нулю. Это геометрическое место точек нулевого потенциала. Эта пластина электростатически делит пространство на две части. Уберём заряд. Поле, созданное вблизи проводящей поверхности, будет таким же, как и поле, созданное этим зарядом и его зеркальным изображением относительно этой поверхности.

, находим поле.

Как уменьшить работу выхода? Можно осадить на катоде тонкие слои металла – цезия, тория, бария. Возникает двойной электрический слой, который способствует выходу электронов. После нанесения цезия на вольфрам работа выхода составляет 1,36 эВ (вместо 4,56 эВ).

Бариевое покрытие. На металл наносят BaCO₃, затем его нагревают и получается

Это изделие тренируют при температуре 1000º C, появляются ионы бария.

Триод

Появился ещё один электрод – сетка.

Сетка находится вблизи анода, и действие сетки на ток через лампу значительно выше анодного. Это воздействие зависит от густоты сетки и от её удаления от анода.

, правда, на сетку идёт очень малый ток.

– полное управляющее напряжение

D– коэф. экранировки сетки, конечно < 1.

Напряжение на аноде постоянно, на сетке изменяется. Это система анодных характеристик лампы.

,S– крутизна сетки

, гдеR– внутреннее сопротивление лампы

Ток, текущий ч/з лампу: , продифференцируем наi_a:

,– это уравнение триода

S D R

Коэффициент усиления триода есть отношение изменения анодного напряжения к изменению сеточного напряжения, вызывающего то же самое изменение анодного тока.

Коэффициент усиления может достигать 100%.

Для увеличения усиления применяют ещё экранирующую сетку:

Такая лампа называется тетрод (коэффициент усиления возрастает в 10…100 раз).

Появление экранирующей сетки может повести в появлении динатронного эффекта. Теперь электроны, ударяясь об анод, могут привести к выбиванию электронов из анода. Чтобы устранить, добавляют ещё одну сетку, она называется антидинатронной, а такая лампа называется пентодом.