Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Вакуумная и плазменная электроника. Лабораторный практикум
.pdf
Закономерности изменения коэффициента кинетической ионноэлектронной эмиссии при бомбардировке поверхности твердого тела
разными видами ионов в зависимости от их энергии показывают, что
значение коэффициента уменьшается при переходе к использованию
ионов с большей массой (рис. 3.5). Обобщенная расчетная зависимость изменения γ от атомного номера налетающего иона представлена на рис. 3.6. Кроме того, значения γ возрастает линейно с увеличением энергии ионов, причем скорость его возрастания зависит от
комбинации ион-мишень.
Зависимость, представленная на рис. 3.6 имеет монотонно убывающий характер с увеличением атомного номера иона, что подтверждается экспериментом. Видно, что наибольшее выбивание
электронов производят самые легкие ионы. Подобный вид этой зависимости присущ не только металлам, но и полупроводникам и многим диэлектрикам.
32
Рис. 3.5. Зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии W
при облучении: ○ – Ar+; ∆ – Не+; □ – Ne+; ◊ – расчетные данные
по рассматриваемой модели
Рис. 3.6. Расчетная зависимость коэффициента кинетической ионно-
электронной эмиссии Cu от атомного номера иона при его энергии 1 кэВ
2. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теорией темы.
2.
Получить допуск к работе.
3.
Получить индивидуальное задание.
Выполнить задание:
4.
1)
с помощью программы MathCAD рассчитать коэффициент кинетический ионно-электронной эмиссии γ. Варианты задания и необходимые для расчета параметры представлены в табл. 3.1 – 3.3;
Таблица 3.1
Значение массы и заряда бомбардирующих ионов
Ион Z1 М1
Ar+ 18 39,95
He+ 2 4,00
Ne+ 10 20,18
Kr+ 36 83,80
33
Параметры материалов мишени
Материал
мишени
M2
Z
2
Эффек-
тивная
масса
дырок
mdp
Эффек-
тивная
масса
электронов mdn
Si 14 28,09 0,49 0,97
Ge 32 72,5 0,34 1,58
GaAs 32 137,6 0,475 0,066
GaP 23 100,7 0,35 0,35
InSb 50 236,52 0,42 0,013
______________
* Цифры условные.
Примерные варианты заданий
Таблица 3.2
Зависимость ширины
запрещенной зоны от
температуры Ei(T)
4
−
T
108,325,1
⋅−
4
−
T
102,4785,0
⋅−
−
108,5
⋅
522,1
−
T
300
+
T
−
102,6
⋅
895,2
−
T
460
+
T
4
−
T
102,226,0
⋅−
Таблица 3.3
ρ,
3
г/см
2,42
5,32
24
3,8*
24
4,3*
4,8*
№ Материал мишени Бомбардирующие ионы Энергия ионов (E
+
Ar
+
He
1 Si
2 Ge
3 GaAs
4 GaP
5 InSb
Ne
Kr
Ar
He
Ne+
Kr
Ar
He
Ne
Kr
Ar
He
Ne+
Kr
Ar
He+
Ne
Kr
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2000
3000
4000
3000
5000
ион
, эВ)
34
Окончание табл. 3.3
№ Материал мишени Бомбардирующие ионы Энергия ионов (E
Si
6
7
8 Si Ar+
9 GaAs Ne+
10 Ge He+
11 InSb Kr+
12 GaP Ne+
13
14
GaAs
InSb
Ge
GaP
InSb
GaAs
Ge
Si
Ge
GaP
InSb
Si
GaP
GaAs
InSb
Ar+ 3000
Ne+ 4000
2000
3000
4000
5000
2000
3000
4000
5000
1000
2000
3000
4000
2000
3000
4000
5000
2000
3000
4000
5000
Kr+ 3000
Ne+ 4000
ион
, эВ)
2) построить графическую зависимость коэффициента кинетиче-
ской ионно-электронной эмиссии от порядкового номера материала
мишени γ(Z
энергии иона γ(E
), порядкового номера бомбардирующего иона γ(Z1) и
2
) зависимости от варианта задания.
ион
35
3. Оформление результатов
1. Теоретическое описание задания.
2.
Исходные данные.
Результаты расчетов.
3.
4.
Графические зависимости.
Заключение.
5.
Контрольные вопросы
1. Какие виды электронной эмиссии вы знаете?
Что показывает кинетический коэффициент ионно-электронной
2.
эмиссии?
3.
Зависит ли ККИЭЭ от ширины запрещенной зоны полупроводника?
Как зависит ККИЭЭ от энергии иона?
4.
5.
Как этот коэффициент зависит от массы иона?
36
Лабораторная работа 4
(4 часа)
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННО-
ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ
работы: ознакомление с конструкцией треханодной электрон-
Цель
но-лучевой трубки, используемой в стандартном осциллографе; исследование характеристик и параметров основных элементов трубки.
1. Теоретическое введение
1.1. Принципы работы электронно-лучевой трубки
Электронно
-лучевые трубки (ЭЛТ), в которых используется высо-
ковольтная катодолюминесценция, представляют собой универсальный прибор для отображения информации. Несмотря на ряд существенных недостатков (громоздкость, невысокая надежность, необходимость иметь большие питающие напряжения), они широко используются в дисплеях и осциллографах.
При высоковольтной катодолюминесценции под действием высокого прикладываемого напряжения (до десятков киловольт) электроны ускоряются и при бомбардировке люминофора проникают почти
на всю его глубину. При этом выбиваются вторичные электроны,
которые летят к ближайшим положительно заряженным электродам,
и результирующий заряд люминофора даже без электрического контакта с другими электродами существенно не меняется. Поэтому
люминофор во многих трубках электрически изолирован от остальных электродов.
ЭЛТ – специальный тип электровакуумного прибора, предназначенный для преобразования электрического сигнала в световое изображение. Принцип работы ЭЛТ заключается в том, что узконаправленный пучок электронов, сформированный электронным прожектором, под влиянием управляющего сигнала перемещается по экрану
трубки (люминофору), вызывая его свечение.
В любой ЭЛТ можно выделить три основные части: электронный
прожектор (электронную пушку), отклоняющую систему и экран
(
рис. 4.1).
37
Рис. 4.1. Основные схемы электронно-лучевой трубки
Электронный прожектор состоит из катода косвенного подогрева 2 (накаливаемого электрически изолированной от него нитью накала 1), модулятора 3, ускоряющего электрода 4 (третьего анода или
ускорителя, который может отсутствовать), первого фокусирующего
анода 5, второго анода 6 (может отсутствовать). Назначение электронного прожектора – создание и фокусировка в точку на экране
электронного луча требуемой интенсивности. При фокусировке используются свойства электрических полей изменять траекторию
движения заряженных частиц. Создав между электродами соответствующие напряженности электрического поля путем подбора напряжений на электродах, электронный луч можно сфокусировать на экране в маленькую точку.
С торцевой поверхности нагретого катода 2 косвенного подогрева, покрытого оксидным слоем, излучаются электроны. Модулятор 3,
38
выполненный в виде цилиндра, имеет на одном конце диафрагму с
отверстием. На этот электрод подается отрицательный относительно
катода потенциал небольшой величины (единицы – десятки вольт).
На ускоряющий электрод 4, обычно электрически соединенный со
вторым анодом, подается потенциал в несколько киловольт. На первый анод 5 подается напряжение в несколько сотен вольт. Ускоряющий электрод, первый и второй аноды служат для ускорения и фокусировки пучка электронов, прошедшего через отверстие управляющего электрода. Фокусировка электронного луча на экране осуществляется изменением потенциала первого анода. При этом происходит
некоторое изменение полей между соответствующими электродами и
изменяется траектория движения луча.
Яркость свечения пятна на экране зависит от интенсивности элек-
тронного луча и регулируется изменением потенциала модулятора
(
рис. 4.1, а). В некоторых трубках ускоряющий электрод 4 отсутству-
ет, но в этом случае наблюдается сильное взаимное влияние регулировки яркости на фокусировку и фокусировки на регулировку яркости.
В ряде случаев фокусировку луча выполняют с помощью магнитного
поля (магнитной линзы). Оно создается короткой фокусирующей катушкой, надетой на горловину трубки, по которой протекает электрический ток. Электроны, падающие под некоторым углом в неоднородное магнитное поле катушки, начинают двигаться по спирали с
уменьшающимся радиусом, приближаясь к оси трубки. Меняя ток
формирующей катушки, можно добиться пересечения траектории
движения электронов с осью в плоскости экрана. Хотя магнитные линзы имеют лучшие фокусирующие свойства, их используют реже из-за
необходимости создания больших токов в фокусирующей катушке.
Электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно и
симметрично относительно оси трубки. Как правило, на отклоняющие
пластины через высокоомные сопротивления подается приблизительно тот же потенциал, что и на второй анод. Если другие напряжения на
пластины не поданы, луч проходит между ними не отклоняясь.
При подключении к отклоняющим пластинам напряжения на электронный луч воздействует отклоняющая сила. Под ее влиянием электроны внутри конденсатора движутся по параболе, а после выхода из
него – по касательной к параболе. В результате луч на экране смеща-
39
ется на величину, пропорциональную приложенному напряжению.
Так как в трубке имеется две пары взаимно перпендикулярных пластин, смещение луча может осуществляться в двух плоскостях.
Важным параметром ЭЛТ является ее чувствительность, характеризующая отклонение луча на экране при изменении управляющего
напряжения на пластинах ε
, мм/В, на 1 В:
ст
lL
где U
– потенциал второго анода, В; l – длина отклоняющей пласти-
a
=
ст
2εdU
ны, мм; L – расстояние от центра пластины до экрана, мм; d – расстояние между пластинами, мм.
Указанное соотношение позволяет сформулировать некоторые
общие закономерности электростатического отклонения:
1)
чувствительность электростатического отклонения при одинаковых начальных условиях движения не зависит от величины заряда
и массы частиц. Следовательно, электроны и отрицательные ионы
будут в этом случае отклоняться по одинаковым траекториям.
2)
чувствительность обратно пропорциональна ускоряющему
электроны напряжению последнего анода пушки. Кроме того, ясно,
что для электростатического отклонения практически не требуется
затрат мощности.
Магнитная отклоняющая система обычно содержит две пары катушек, создающих магнитные поля во взаимно перпендикулярных
направлениях. Они устанавливаются на горловину трубки и располагаются между электронным прожектором и экраном. Электроны, попадая в поле катушки, вектор магнитной индукции которой перпендикулярен вектору скорости в магнитном поле, начинают двигаться
по спирали с радиусом
(4.1)
a
r = mv/(eB), (4.2)
где m, e – масса и заряд электрона; v – его скорость; B – магнитная
индукция.
По выходе из магнитного поля они продолжают двигаться по траектории, определяемой касательной к спирали, проведенной в точке
40
выхода электрона из поля, и «пересекают» экран в точке, удаление
которой от оси симметрии зависит от тока в катушке.
Чувствительность магнитного отклонения ε
, как и в случае элек-
м
тростатического отклонения, может быть определена как отношение
D/H,
и выражение для нее имеет вид:
dL
ε
e
=
м
2
m
, (4.3)
U
a
откуда следуют некоторые закономерности магнитного отклонения:
1)
в отличие от электростатического отклонения чувствительность
при магнитном отклонении зависит от заряда и массы частицы. Следовательно, ионы, имеющие гораздо большую массу, чем электроны,
в полях, отклоняющих электроны, будут испытывать пренебрежимо
малые отклонения;
2)
чувствительность магнитного отклонения пропорциональна
/1 U и, следовательно, с ростом анодного напряжения уменьшает-
a
ся медленнее, чем чувствительность электростатического отклонения. Этот факт отражает связь между величинами скорости электрона и отклоняющей его в магнитном поле силы а также указывает на
предпочтительность использования магнитного отклонения в высоковольтных электронно-лучевых приборах. Кроме того, следует указать, что магнитное отклонение требует (в противоположность электростатическому) затрат значительной энергии.
Флуоресцирующий экран состоит из люминофора (сульфиды, силикаты и их соединения). Электронный пучок, падающий на экран,
возбуждает люминофор и на нем появляется светящееся пятно.
Для экранировки отклоняющих пластин и отвода вторичных электронов, выбиваемых из экрана электронным лучом, внутренняя поверхность колбы от второго анода до экрана покрыта металлическим
или графитовым (аквадаг) проводящим слоем 9 (см. рис. 4.1, б), который соединен со вторым анодом. Для повышения яркости свечения
некоторых ЭЛТ применяют дополнительное ускорение луча. Для
этого электропроводящий слой, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, разбивают на две или несколько секций и подают на
них дополнительное напряжение (от сотен вольт до нескольких киловольт относительно второго анода). При этом чувствительность
41
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]