sb000035

Федеральное агентство по образованию

________________________________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

________________________________

Диагностика материалов и структур электронной техники

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2007

УДК 621.384.6

Диагностика материалов и структур электронной техники: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: И. А. Брытов, А. Ю. Грязнов, Н. Н. Потрахов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,2007.40 с.

Содержат описания лабораторных работ, в которых исследуются различные материалы, используемые в современном электронном приборостроении. Приведено описание современной диагностической аппаратуры и методов ее применения.

Предназначены для студентов специальности 200300, а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам этой области знаний.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007

2

Сформированный модулятором видеоимпульс длительностью Т подается на аноды ламп высокочастотного генератора, с выхода которого радиоимпульсы длительностью 100–500 мкс по коаксиальному кабелю поступают на четвертьволновой спиральный резонатор импульсного ускорителя, обладающий достаточно высокой добротностью. Основным элементом ускорителя (рис. 1.2) является четвертьволновый спиральный резонатор, который выполнен в виде металлического цилиндрического корпуса 1 и спирального проводника 2, помешенного внутрь изолятора 3, наполненного жидким диэлектриком 4 (например, трансформаторным маслом). На конце изолятора смонтирован высоковольтный электрод 5 (анод) с вольфрамовой мишенью 10. Напротив анода расположена электронная пушка с катодом 7 и фокусирующий электрод 8. Один конец спирального проводника соединен с высоковольтным электродом, а второй – с корпусом, находящимся под нулевым потенциалом. Возбуждение колебаний в резонаторе осуществляется посредством катушки связи 6, к которой по кабелю от высокочастотного импульсного генератора подается высокое напряжение амплитудой несколько киловольт. Частота питающего напряжения находится в пределах 1÷10 МГц. Процесс ускорения происходит при возникновении в вакуумном промежутке 9 напряжения между оболочкой ускорителя и ускоряющим электродом. Таким образом, на выходе излучателя формируются цуги импульсов рентгеновского излучения.

6 1 3 2 4 5 8 7

9 10

Рис. 1.2. Схематическое устройство импульсного высокочастотного источника рентгеновского излучения

Методика расчета параметров высокочастотного ускорителя.

Как указывалось выше, высокочастотный ускоритель электронов выполнен в виде четвертьволнового резонатора с внутренним спиральным проводником. Расчетная модель ускорителя данного типа показана на

4

рис. 1.3. Четвертьволновой резонатор состоит из отрезка спиральной замедляющей системы (ЗС) длиной l, представляющей собой спираль 1 с радиусом a и шагом навивки h, помещенную в металлический экран 2 с радиусом b. Спиральная ЗС с одной стороны закорочена крышкой 3, а с другой заканчивается диском 4, на котором может быть расположена мишень. Экран 2 закрыт крышкой 5, имитирующей катод ускорителя. Катод и мишень образуют электронно-оптическую систему, обладающую первеансом p. Резонатор возбуждается от генератора с внутренним сопротивлением Zr и выходным напряжением Uв с помощью катушки связи 6, имеющей радиус аb и расположенной на расстоянии Zо от короткозамкнутого конца ЗС. Длина катушки связи предполагается малой по сравнению с длиной замедленной волны.

Рис. 1.3. Расчетная модель высокочастотного ускорителя электронов

При расчете параметров ускорителя размеры, геометрия электродов и междуэлектродные расстояния считаются заданными. Спиральный проводник рассматривается как отрезок замедляющей системы, дисперсионное уравнение которой в приближении анизотропно-проводящего цилин-

где k – волновое число; γ – поперечная постоянная распространения; ψ – угол намотки спирали; а и В – радиусы спирали и экрана; h – шаг намотки спирали.

5

Здесь I0, K0, I1, K1 – модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка соответственно. При рассмотрении резонатора как коротко замкнутого отрезка спиральной замедляющей системы, нагруженной на емкость катод–мишень, условие резонанса будет иметь вид:

вое сопротивление; c0H cn0 - нормированная емкость междуэлектродно-

го промежутка; n – коэффициент замедления.

Решая совместно (1.1) и (1.3), можно определить k0, γ0. Резонансная частота определяется из выражения

Добротность спирального резонатора определяется из выражения:

где РМ – мощность потерь в металлических проводниках; Pg – потери в диэлектрике, заполняющем резонатор; Pe – потери мощности на ускорение электронного потока.

Энергия, запасенная в спиральном резонаторе, находится при использовании представления замедляющей системы в виде эквивалентной длинной линии из выражения:

6

где η0 με – характеристическое сопротивление свободного простран-

проводимость провода спирали. Величина Qg определяется как Qg 1tg δ

с погрешностью, не превышающей 30% для реальных конструкций.

При анализе зависимости частот, добротности и коэффициента умножения напряжения от шага навивки можно отметить следующее: с увеличением шага навивки происходит увеличение добротности и линейный рост резонансной частоты, причем с увеличением шага скорость возрастания добротности уменьшается.

Коэффициент умножения напряжения увеличивается с уменьшением шага. Скорость его изменения наиболее значительна при малых значениях шага навивки ЗС. Следовательно, для получения большого значения коэффициента умножения необходимо иметь ЗС с малым шагом (с меньшей резонансной частотой). Однако уменьшение резонансной частоты ограничено минимальным диаметром провода спирали, который находится из известного условия doc ≥ , где – глубина проникновения. Кроме того, необходимо учитывать, что для минимизации потерь в ЗС диаметр провода спирали должен составлять doc ≈ 0,4 hc.

Примером использования ускорителя описанного типа может служить рентгеновский аппарат с импульсным высокочастотным ускорителем электронов. Аппарат имеет обычную для рентгеновских аппаратов структурную схему (рис.1.4) – пульт управления 1, излучатель 2 и кабель 3, соединяющий излучатель с пультом управления. В пульте управления смонтирован блок питания 5 и высокочастотный генератор 4.

1 5 4 3 7 6 2

Рис. 1.4. Структурная схема рентгеновского аппарата с импульсным высокочастотным ускорителем

7

Для обеспечения работы ускорителя, предназначенного для дефектоскопии в диапазоне энергий 150÷200 кэВ, блок питания должен иметь выходное напряжение амплитудой 2÷5 кВ в диапазоне частот 1÷10 МГц при выходной мощности 25÷30 кВт.

Источник питания такой мощности, работающий в режиме непрерывной генерации, обладает недопустимо большими габаритами и массой. Поэтому в малогабаритном аппарате используется импульсный генератор электромагнитных колебаний в качестве источника питания. Длительность модулирующего импульса 100 мкс и частота следования 150 Гц.

Порядок выполнения работы.

1. Исследование параметров высокочастотного ускорителя электронов с применением ЭВМ. Для получения исходных данных для расчета получить у преподавателя макет резонатора и измерить следующие значения, занося их в протокол:

Ub – выходное напряжение генератора (может изменяться

2.Преподавателем задается переменный геометрический параметр, диапазоны и шаг (6–10 значений в диапазоне) его изменения. Измеренные

иполученные данные вводятся студентами в расчетную модель ускорителя на ЭВМ и производится расчет параметров резонатора.

Полученные результаты расчета занести в табл. 1.1.

3.Исследовать на холодном макете резонансные свойства ускорителя, для чего снять зависимость выходного напряжения макета резонатора

8

от частоты (входное напряжение задается преподавателем от 0,5 до 1 В; диапазон изменения частоты – от 1,05 МГц до 1,2 МГц).

Полученные данные занести в табл. 1.2

Таблица 1.1 Результаты компьютерного моделирования параметров

Значения изменяемого параметра min … max F0, резонансная частота, МГц

n, коэффициент замедления

Σ, коэффициент умножения напряжения Q0, собственная добротность

Q, нагруженная добротность КПД М, число витков катушки связи

PГ, мощность генератора, Вт

РD, мощность, рассеиваемая в диэлектрике, Вт Рсп, мощность, рассеиваемая в спирали, Вт Р, мощность электронного пучка, Вт

Таблица 1.2

Исследование резонансных свойств ускорителя Частота, МГц 1,05 1,06 1,07 … 1,18 1,19 1,20

Напряжение, В

Содержание отчета.

1.Цель работы.

2.Краткое описание принципа действия высокочастотного резонаторного ускорителя электронов.

3.Краткое изложение методики расчета.

4.Принципиальная схема аппарата и схематическое устройство ускорителя электронов с четвертьволновым спиральным резонатором.

5.Зависимости, построенные по данным табл. 1 и 2.

6.Выводы. В выводах должны быть проанализированы результаты работы, зависимость добротности от изменявшегося параметра.

Контрольные вопросы.

1.Каковы преимущества импульсных рентгеновских аппаратов?

2.Как зависит коэффициент умножения от шага навивки спирали?

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

Цель работы.

Целью работы является ознакомление с аппаратурой и методами проведения количественного рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (КРСФА).

Общие положения.

КРСФА основан на том, что интенсивность аналитической линии К- или L-серии зависит от концентрации анализируемого элемента в исследуемом образце. На практике широко используются два метода: метод внешнего стандарта и метод внутреннего стандарта. В методе внутреннего стандарта интенсивность аналитической линии сравнивается с интенсивностью какой-либо линии другого элемента, который добавляется в исследуемый образец в известном количестве. Недостатком этого способа является то, что анализируемый образец должен быть препарирован (т. е. должен быть добавлен элемент сравнения в известном количестве), что снижает экспрессность анализа. В методе внешнего стандарта интенсивность аналитической линии сравнивается с интенсивностью той же линии от стандартного образца аналогичного состава с известной концентрацией анализируемого элемента. Таким образом, устанавливается зависимость интенсивности от весовой концентрации анализируемого элемента, которая является сложной функцией элементного состава образца.

Анализ с помощью системы уравнений связи.

Если анализируемая проба состоит из m элементов и соответственно скорость счета квантов, которая характеризует интенсивность аналитической линии, для каждого элемента равна N1, N2, …, Nm, то концентрацию любого из элементов Сi можно определить из системы уравнений:

10