53

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Методичні вказівки

до проведення лабораторної роботи

"Виготовлення електровакуумного приладу"

для студентів радіофізичного факультету

Київ 2000

Методичні вказівки до проведення лабораторної роботи "Виготовлення електровакуумного приладу" для студентів радіофізичного факультету (автори І.І. Бех, О.Є. Лушкін, Б.І. Михайловський, В.Б. Назаренко, В.М. Телега - Київ, КУ, 2000, - 63 с.)

Методичні вказівки склали:

І.І. Бех, аспірант,

О.Є. Лушкін, канд. фіз.-мат. наук, доцент

Б.І. Михайловський, канд. фіз.-мат. наук, доцент,

В.Б. Назаренко, аспірант.

В.М. Телега, провідний інженер,

Рецензент: В.Я. Черняк, канд. фіз.-мат. наук, доцент.

Затверджено Радою

радіофізичного факультету

"__"______ 1999 р.

Мета роботи

1. Вивчити основні фізичні закономірності, які лежать в основі отримання та вимірювання вакууму.

2. Ознайомитися з будовою та принципом дії механічних та паромасляних насосів.

3. Ознайомитися з будовою та принципом дії термопарного та іонізаційного манометрів.

4. Оволодіти методикою розрахунку пряморозжарювальних металевих катодів.

5. Оволодіти технологією виготовлення електровакуумного приладу.

6. Опанувати методику складання науково-технічного звіту по НДР.

Вступ

Не дивлячись на бурхливий розвиток напівпровідникової електроніки, електровакуумні прилади (ЕВП) продовжують з успіхом використовуватися в різних областях науки і техніки. Мова іде про електровакуумні лампи (діоди, тріоди, тетроди, пентоди, лампи спеціального призначення), кінескопи, дисплеї, потужні НВЧ прилади, газорозрядні прилади і т. ін. Всі вони працюють в умовах існування всередині скляної чи металевої оболонки вакууму. При цьому для забезпечення великого строку служби цих приладів вакуум повинен бути високим. Це пояснюється тим, що вакуумні умови суттєво впливають на процеси, які відбуваються на поверхнях електродів й стінок приладів, на емісійну здатність термокатодів, що використовуються, як внаслідок хімічного впливу, так і внаслідок бомбардування катодів іонами залишкових газів, на процеси формування електронних та іонних променів. Навіть у випадку газорозрядних приладів вакуум, який одержується перед наповненням приладу відповідним газом, повинен бути високим, тому що наявність у невеликих кількостях домішок інших газів часто-густо негативно впливає на роботу такого приладу.Сьогодні для одержання якісних ЕВП бажано мати вакуум не гірше 10^-8 - 10^-9 мм рт.ст., а для приладів з підвищеною надійністю - не гірше 10^-11 мм. рт. ст.

Процес виготовлення ЕВП технологічно є досить складним й, власне кажучи, розбивається на декілька етапів. Звичайно, на протязі виконання однієї лабораторної роботи неможливо досконало вивчити технологію виготовлення ЕВП, особливо, якщо врахувати специфічні особливості процесу для приладів різних типів. Але в загальних рисах ця мета може й повинна бути досягнута.

1. Деякі теоретичні питання, що стосуються вакууму та тиску газу

1.1. Поняття про вакуум та тиск газу

В фізиці та техніці поняття "вакуум" визначається як стан газу, при якому його тиск нижчий за атмосферний. Розрідження газу може бути різним й відповідно характеризується поняттям високий, середній та низький вакуум. Високий вакуум відповідає розрідженню газу, при якому довжина шляху молекул від одного зіткнення до другого, суттєво перевищує геометричні розміри об`єму, в якому досягається розрідження. При середньому вакуумі (форвакуумі) довжина вільного пробігу молекул газу близька до розмірів цього об`єму, а при низькому - значно менша за них. Кількісно вакуум вимірюється абсолютним тиском газу. При самому кращому вакуумі, який вдалось отримати в умовах земної атмосфери, в 1 м³ присутні всього 10⁷ молекул газу. Властивості газів при низьких тисках вивчаються фізикою вакууму, яка є розділом молекулярно-кінетичної теорії газів. Основні постулати, які використовуються в фізиці вакууму, можна сформулювати слідуючим чином:

1) газ складається з окремих молекул, які знаходяться в безперервному хаотичному русі. Цей рух обумовлює наявність в газі внутрішньої енергії, яка зв'язана з його температурою. Тому хаотичний рух, в якому знаходяться молекули газу, називають тепловим рухом;

2) існує розподіл молекул за швидкостями;

3) при русі молекул нема ніяких переважних напрямків, тобто простір газових молекул ізотропний;

4) температура газу є мірою середньої кінетичної енергії його молекул;

5) при взаємодії з поверхнею твердого тіла молекула газу адсорбується.

При взаємодії молекул газу з поверхнею твердого тіла в умовах адсорбційної рівноваги кількість падаючих на поверхню і відлітаючих від неї за одиницю часу молекул повинна бути однаковою. З умови рівноваги температур газу та твердого тіла випливає рівність нормальних складових швидкостей падаючих та відлітаючих молекул. Тоді зміна кількості руху падаючих та відлітаючих молекул, що припадає на одну молекулу з масою дорівнює , де - нормальна складова швидкості , а - кут між нормаллю до поверхні та вектором швидкості.

Згідно з другим законом Ньютона, тиск газу в деякому об`ємі в загальному вигляді можна записати

(1)

де - число молекул в одиниці об`єму , які досягають за одиницю часу одиниці поверхні твердого тіла. Величина прямо пропорційна молекулярній концентрації в об`ємі та тілесному куту , під яким видно площадку на поверхні твердого тіла з центру виділеного об'єму , що іллюструється мал. 1.

(2)

Мірою тілесного кута є площа, яка вирізається ним на сфері одиничного радіуса:

(3)

де - відстань між поверхнею та виділеним об'ємом .

Для об'єму в полярній системі координат запишемо:

Мал. 1. Розрахункова схема для визначення тиску

(4)

Підставляючи (2), (3), (4) в (1) та вважаючи швидкість молекул газу , отримаємо

(5)

Однак враховуючи, що згідно одного з вищезазначених постулатів існує розподіл молекул за швидкостями, в (5) замість сталої можна ввести середньоквадратичну швидкість молекул . Тоді рівняння для розрахунку тиску приймає вигляд

(6)

Враховуючи, що густина газу

(6`)

(6) можна переписати у вигляді:

(7)

Цією формулою користуються для визначення тиску однокомпонентного газу. Якщо ж в об'ємі знаходиться суміш з K хімічно невзаємодіючих газів, то для визначення тиску суміші необхідно підрахувати суму:

(8)

Порівнюючи (6) та (8), можна записати

(9)

Останній вираз відомий під назвою закону Дальтона і формулюється слідуючим чином: загальний тиск суміші хімічно невзаємодіючих газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів суміші.

Треба ще раз відзначити, що рівняння (6) справедливе лише за умови рівності швидкостей конденсації та випаровування молекул з поверхні. При дуже низьких тисках ця умова може не дотримуватись. Прикладом служить конденсуюча поверхня, з якої за дуже великого значення часу адсорбції газ практично не випаровується. В цьому випадку зміна кількості руху молекули при зіткненні з поверхнею дорівнює . Повторюючи вивід рівняння (6), отримаємо . Такий же вираз можна отримати і для розрахунку тиску на поверхні тіла, яке знаходиться в космічному просторі. В цьому випадку кількістю молекул, які ударяються об поверхню твердого тіла, можна нехтувати.

Отже для опису процесів, які відбуваються на поверхні при взаємодії з газами, потрібно знати співвідношення падаючих та відлітаючих молекул газу.

Число молекул, які ударяються об одиницю поверхні за одиницю часу або частота зіткнень

(10)

де розраховується за (2), а - за (4). Підставляючи ці вирази в (10),

отримаємо:

З врахуванням функції розподілу молекул за швидкостями маємо

(11)

де - середньоарифметична швидкість молекул газу.

Тоді об`єм газу, який ударяється об одиницю поверхні за одиницю часу

(12)

Отриманий вираз не залежить від тиску та визначає максимальну теоретичну швидкість відкачки вакуумних насосів на одиницю поверхні вхідного перерізу.