МИНОБРНАУКИ РОССИИ

____________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ»

_____________________________________________________

C. В. Антонов А. Е. Синёв А. К. Шануренко

Проектирование вакуумных и плазменных приборов и устройств

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.385.001.63(075)

ББК 3 851я7

А 72 Антонов С. В., Синёв А. Е., Шануренко А. К. Проектирование вакуумных и плазменных приборов и устройств: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. 48 с.

ISBN 5-7629-0611-6

Изложены теоретические сведения, основы расчета и проектирования систем формирования вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств.

Предназначены для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника» и специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» при изучении лекционного курса, в ходе выполнения индивидуальных домашних заданий и контрольных работ, а также курсового проектирования по дисциплинам «Вакуумная и плазменная электроника», «Инженерные методы расчета электронных приборов», а также дипломного проектирования в ходе целевой подготовки на предприятиях электронного приборостроения.

УДК 621.385.001.63(075)

ББК 3 851я7

Рецензенты: кафедра физической электроники СПбГПУ; д-р техн. наук С. А. Силаев (ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова).

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Isbn 5-7629-0611-6 © сПбГэту «лэти», 2014 Введение

В настоящее время в науке и технике широко используется большое количество разнообразных по конструкции и назначению приборов и устройств, объединяемых лишь по одному признаку  наличию потока заряженных частиц (ПЗЧ): электронных ламп; вакуумных приборов СВЧ; электронно-лучевых приборов; вакуумных фотоэлементов; установок просвечивающей и растровой микроскопии, электронной литографии, электронно-лучевой резки и сварки; ускорителей; плазменных источников заряженных частиц; технологических установок ионно-плазменного и ионно-химического удаления, нанесения или модификации поверхностных слоев материалов и мн. др.

Как правило, при проектировании таких приборов и устройств разработка системы формирования (СФ) представляет одну из наиболее сложных и важных задач. Трудности обусловлены многообразием физических факторов, влияющих на формирование ПЗЧ, и сложностью математических моделей, описывающих эти процессы. Потребности науки и техники обусловливают ежегодное появление вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств (ВППУ) новых типов и модификаций, причем проблема сокращения времени проектирования ВППУ стоит очень остро. Решение указанных проблем невозможно без широкого внедрения методов автоматизированного проектирования СФ на ЭВМ.

Задача данного пособия  показать основные направления использования ПЗЧ (электронов и ионов), общие принципы построения систем формирования потоков заряженных частиц ВППУ, познакомить с инженерными методами и программами расчета СФ на ЭВМ.

1. СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ ВАКУУМНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРОВ

И УСТРОЙСТВ

Рассмотрим несколько характерных примеров конструкций СФ для некоторых типов ВППУ. Отметим при этом, что в вакуумных приборах и устройствах, использующих сфокусированные потоки (пучки, лучи) заряженных частиц, системы формирования часто называются электронно-оптическими системами (ЭОС).

1. . Системы формирования электронных потоков

в электронных лампах

Для электронных ламп системами формирования электронного потока служат системы электродов (СЭ): катод  (сетки)  анод. Характер движения электронного потока определяется конкретной геометрией электродов и режимом работы. Наиболее часто, особенно в мощных электронных приборах с электростатическим управлением (МЭПЭСУ), используется цилиндрическая форма электродов. В ряде случаев, например, в лампах ячейковой конструкции применяется плоская форма электродов. В лампах с цилиндрическими электродами чаще всего используют подогревные оксидные катоды (ОК) или прямонакальные вольфрамовые торированные карбидированные катоды (ВТКК) решетчатой конструкции, стержневые, спиральные или решетчатые сетки, гладкие или камерные аноды. Для плоской формы электродов наиболее характерны ленточные ВТКК и ОК и паркетные мелкоструктурные сетки.

При расчете системы электродов электронной лампы с сеточным уп- равлением большое значение имеют соотношения между шагом первой сетки , диаметром ее сеточных проводников и расстоянием «катод–сетка» . При и выполняются условия «сводимости» лампы, т. е. достаточно равномерной экранировки электрического поля вблизи катода от полей, создаваемых другими электродами. Это позволяет рассчитывать геометрические размеры СЭ аналитически на основе простых соотношений, определяемых законом «степени трех вторых». При использовании аналитических методов расчета СФ электронных ламп с сеточным управлением предполагается наличие сеточных проводников цилиндрической формы. Иные формы сеточных проводников, например плоские, могут быть при необходимости сведены к цилиндрической [1].

Для несводимых конструкций электронных ламп необходимо учитывать при расчете неравномерность экранировки электрического поля вблизи катода от поля управляющей сетки, что не позволяет аналитически рассчитать геометрию СЭ. В этом случае в качестве первого приближения используют систему электродов аналога (предыдущего варианта прибора в случае модернизации или наиболее близкого к нему по основным параметрам из существующих приборов), а затем уточняют СЭ с помощью численных методов анализа.

На рис. 1.1 приведены основные конструкции систем электродов э

К

Рис. 1.

лектронных ламп с гладкими анодами, к которым может быть сведена большая часть существующих сегодня систем подобного типа. При этом следует отметить, что абсолютное большинство ламп с сеточным управлением, особенно МЭПЭСУ, выполняется в виде триодов и лучевых тетродов. Соответственно, системы электродов (рис. 1.1) могут быть как триодного, так и тетродного типов.

А

К

А

С₁

С₂

К

С

С

А

К

а б в

Рис. 1.1

Н

К

а рис. 1.1 показаны: а – плоская триодная система; б  цилиндрическая тетродная лучевая со стержневыми или решетчатыми сетками; в  цилиндрическая триодная со спиральной сеткой (К  катод,  первая сетка;  вторая сетка;  анод).

На рис. 1.2 приведена ячейковая конструкция катодно-сеточного узла (прямая или обращенная) с анодом камерного типа.

Рис. 1.2

Здесь обозначены: 1 – фокусирующий электрод; 2 – стержневой катод; 3 -сетка вторая; 4 – сетка первая (двойная); 5 – камерный анод; 6 – П-образный держатель сетки первой; А и В – ширина и глубина ячейки соответственно; и – ширина и толщина рабочей части стержневого катода; – средняя ширина ячейки; и – глубина и ширина анодных камер [2].