МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ 

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КАФЕДРА НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

Розрахунково-графічна робота з дисципліни «Вакуумна та плазмова електроніка»

Варіант № 15

Підготував, Студент групи ФЕ-31 Матвієнко Б.І. Перевірив . Кривець О. С.

СУМИ 2015

Вступ

На сьогодні важко назвати таку галузь науки, техніки та промисловості, де не застосовуються вакуумні та плазмові прилади та технології. Радіолокація, телекомунікаційні технології, навігація, астрономія та телебачення, екологія і медицина – це ще не повний перелік сфер їх застосування. У зв'язку з цим зростає необхідність підготовки висококваліфікованих фахівців, здатних експлуатувати та удосконалювати вакуумні та плазмові прилади

Вакуумна і плазмова електроніка - це розділ електроніки, що включає дослідження взаємодії потоків вільних електронів / іонів з електричними і магнітними полями у вакуумі / газі, а також методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких це взаємодія використовується.

До найважливіших напрямків досліджень в області вакуумної та плазмової електроніки відносяться: електронна емісія (зокрема, термоелектронна і фотоелектронна емісія); формування потоку електронів і / або іонів і управління цими потоками; формування електромагнітних полів за допомогою пристроїв введення і виведення енергії; елементарні процеси в ионизованном газі і плазмі та ін.

Основні напрямки розвитку вакуумної та плазмової електроніки пов'язані зі створенням електровакуумних приладів.

Завдання 1

І. Користуючись методикою прямої Річардсона визначити значення термоелектронної сталої та потенціалу виходу. Отримане значення термоелектронної сталої в подальшому використовувати для розрахунків.

Для розрахунку температуру брати в межах 2000-2700 К, щільність струму емісії в межах 1,5-17 А/см² . Для отримання прямої рис. 1 необхідно взяти близько 10 точок при рівномірному зростанні температури та струму емісії.

Використовуючи методику прямої Річардсона визначимо значення термоелектронної сталої та потенціалу виходу. Для цього оберемо наступні інтервали розрахунків: для температури: 2000 – 2700 К; для щільності струму – 1,5 – 17 А/см² . За цими даними побудуємо графік залежності від

Таблиця 1

T, К	J, А/м2	LN(J/T2)	1/T, К-1
2000	0,00015	-24,01	0,00050
2070	0,000305	-23,37	0,00048
2140	0,00046	-23,02	0,00047
2210	0,000615	-22,80	0,00045
2280	0,00077	-22,63	0,00044
2350	0,000925	-22,51	0,00043
2420	0,00108	-22,41	0,00041
2490	0,001235	-22,34	0,00040
2560	0,00139	-22,27	0,00039
2630	0,001545	-22,22	0,00038
2700	0,0017	-22,18	0,00037

Рис. 1 – Залежність від

Коефіцієнти лінії тренду до графіка y = -0,1558x – 21,771 відповідають коефіцієнтам рівняння:

,

де J – щільність струму

T – температура

– потенціал виходу

e – заряд електрона

А - термоелектрична стала

Тоді

II. Для кожного з варіантів роботи задаються параметри вакуумного діода, необхідні для виконання розрахунків:

• матеріал катода - чистий вольфрам, торійований вольфрам і оксидний катод;

• два значення d₁ і d₂ відстані між анодом і катодом;

• максимальна анодна напруга U_Амакс.

Таблиця 2

Матеріал катода	Відстань між анодом і катодом		Максимальна анодна напруга U A макс , В
	d1, см	d2, см
Чистий вольфрам	1,5	3,5	1500

Таблиця 3

Параметр термоелектронної емісії	Матеріал катода – Чистий вольфрам
Робота виходу W0 , еВ	4,54
Коефіцієнт Шотткі 	0,5
Робоча температура, К	2500
Ефективність, мА /Вт	4

III. Для заданих параметрів діода потрібно визначати залежність емісійного струму від температури катода при  = 0 і відхилення величини струму, обумовлену впливом електричного поля біля катоду при максимальному значенні анодної напруги. Розрахунки проводяться при зміні температури катода в межах 0,75 - 1,5 від робочої температури, зазначеної в таблиці 1 для обраного матеріалу катода.

Рівняння Річардсона-Дешмана можна модифікувати таким чином, щоб враховувати зміну енергії поблизу поверхні катода. Для цього вводять величину , яка характеризує зменшення роботи виходу електрона з катода, якщо поблизу його поверхні існує однорідне електростатичне поле з напруженістю Е. Модифікована формула набуває вигляду: . Рівняння Річардсона-Дешмана – частковий випадок якщо =0

J – щільність струму:

T – температура:

– робота виходу:

- термоелектрична стала:

- коефіцієнт Шоткі:

- зменшення роботи виходу.

Інтервал температур – 1875 – 3750 К

Результати розрахунків занесемо в таблицю:

Таблиця 4. Залежність емісійного струму від температури катода біля

d , m	0	0,015	0,035
d φ	0	0,0139	0,0091
T, K	Js
1875	3,22E+00	3,51E+00	3,41E+00
2000	2,12E+01	2,30E+01	2,23E+01
2125	1,12E+02	1,21E+02	1,18E+02
2250	4,99E+02	5,36E+02	5,23E+02
2375	1,91E+03	2,04E+03	1,99E+03
2500	6,39E+03	6,82E+03	6,67E+03
2625	1,92E+04	2,04E+04	2,00E+04
2750	5,25E+04	5,56E+04	5,45E+04
2875	1,32E+05	1,39E+05	1,37E+05
3000	3,08E+05	3,25E+05	3,19E+05
3125	6,74E+05	7,09E+05	6,97E+05
3250	1,39E+06	1,46E+06	1,44E+06
3375	2,74E+06	2,87E+06	2,82E+06
3500	5,14E+06	5,38E+06	5,29E+06
3625	9,25E+06	9,67E+06	9,53E+06
3750	1,61E+07	1,68E+07	1,65E+07

IV. Виконати розрахунок вольт-амперної характеристики діода при обмеженні струму просторовим зарядом електронів для двох відстаней між анодом і катодом при робочій температурі катода. Розрахунки проводяться до режиму насичення анодного струму, при якому I_Амакс=I_s(T). Результати розрахунків повинні бути представлені у вигляді графічних залежностей струму від напруги. При розрахованому максимальному значенні струму вибирається не більше 10 точок на вольт-амперній характеристиці діода.

Врахування впливу електричного поля біля катоду на його емісійні властивості виконується в режимі насичення струму, при якому спостерігається слабка залежність струму від напруги. Результати розрахунків представляються на одному графіку залежності I_A =f(U_A), який враховує обоє фактора обмеження анодного струму (просторовим зарядом електронів і температурою катода).

Напругу вибираємо в межах 0,75 - 1,5 від U_Aмакс. Отримаємо інтервал 975–1950 В.

Розрахуємо залежність

,

де ε₀ – стала;

- маса електрона;

- відстань між анодом і катодом.

Розрахуємо :

Таблиця 5: , Дж

df, Дж
0	0,015	0,035	0
U	Ia (d1)	Ia(d2)	Ia(0)
0	0,00E+00	0,00E+00	0
150	6,07E-22	3,97E-22	0
300	8,58E-22	5,62E-22	0
450	1,05E-21	6,88E-22	0
600	1,21E-21	7,95E-22	0
750	1,36E-21	8,88E-22	0
900	1,49E-21	9,73E-22	0
1050	1,61E-21	1,05E-21	0
1200	1,72E-21	1,12E-21	0
1350	1,82E-21	1,19E-21	0
1500	1,92E-21	1,26E-21	0

Тоді J(d):

Таблиця 6: Залежність анодного струму від напруги

0	0,015	0,035	0
U	Ia (d1)	Ia(d2)	Ia(0)
0	6,39E+03	6,39E+03	6,39E+03
150	6,51E+03	6,47E+03	6,39E+03
300	6,56E+03	6,50E+03	6,39E+03
450	6,59E+03	6,52E+03	6,39E+03
600	6,62E+03	6,54E+03	6,39E+03
750	6,65E+03	6,56E+03	6,39E+03
900	6,68E+03	6,58E+03	6,39E+03
1050	6,70E+03	6,59E+03	6,39E+03
1200	6,72E+03	6,61E+03	6,39E+03
1350	6,74E+03	6,62E+03	6,39E+03
1500	6,76E+03	6,63E+03	6,39E+03

Рис. 2 – Вольт-амперна характеристика діода. Залежність анодного струму від напруги

В результаті виконання роботи визначив, що при зростанні температури щільність струму зростає, що узгоджується з формулою Річардсона-Дешмана.

Для двох заданих значень d₁ і d₂ визначив, що при відстані d₁ струм більший чим при d₂, тобто можемо зробити висновок, що відстань d₁ є більш ефективною при даному матеріалі катода і його параметрів.