Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Моделирование переноса электрических зарядов в электровакуумных приборах с электростатическим управлением. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
П. Ю. ВОЛОЩЕНКО Ю. П. ВОЛОЩЕНКО
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЗАРЯДОВ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ
С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019
2
УДК 621.385(075.8) ББК 32.851я73 В686
Печатается по решению кафедры радиотехнической электроники
Института нанотехнологий, электроники и приборостроения
Южного федерального университета (протокол № 6 от 15 февраля 2019 г.)
Рецензенты:
заместитель генерального директора по качеству ОАО «ТНИИС»
(г. Таганрог), кандидат технических наук, старший научный сотрудник
А. Ф. Гришков
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры
информационных измерительных технологий и систем Института
нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ И. И. Турулин
Волощенко, П. Ю.
В686 Моделирование переноса электрических зарядов в электровакуумных
приборах с электростатическим управлением : учебное пособие / П. Ю. Во­лощенко, Ю. П. Волощенко ; Южный федеральный университет. – Ростов­на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета,
2019. – 110 с.
ISBN 978-5-9275-3341-1
В учебном пособии приведены концептуальные модели упорядоченного движения электронов коллинеарного вектору напряженности электрического поля в двух-, трех- и многоэлектродных вакуумных приборах, имеющих микро- и нано­размерные пространства пролета. Актуальность формализации электронных явле­ний и электрических эффектов в них вызвана необходимостью наглядного и кор­ректного проектирования климатически устойчивой и радиационно стойкой РЭА и ЭВА. Отмечаются причины возникновения и отсутствия объемного заряда при взаимодействии электронных и электромагнитных потоков, поясняется возмож­ность мгновенного электростатического управления сигналом. На основе графи­ческих и аналитических операторов моделей аналоговых и цифровых систем ЭП методами теории нелинейных электрических цепей составлены целевые функции, используемые в технической электронике и наноэлектронике. Они позволяют про­гнозировать условия уменьшения энергопотребления и повышения диапазона ра­бочих частот электронной компонентной базы, предназначенной для функциони­рования в экстремальных условиях космоса.
УДК 621.385(075.8)
ББК 32.851я73
ISBN 978-5-9275-3341-1
© Южный федеральный университет, 2019 © Волощенко П. Ю., Волощенко Ю. П., 2019 © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….
5
1. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕС­СОВ В ДВУХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЕ …………………………..
10
1.1. Общая характеристика нелинейных явлений в вакуумном диоде ……………………………………………………………….
12
1.2. Вольт-амперная характеристика двухэлектродной лампы при отрицательном анодном напряжении ……………………………..
17
1.3. Режим умеренного положительного анодного напряжения в
вакуумном диоде. Закон «степени 3/2» (Богуславского, Чайльда, Ленгмюра) …………………………………………………………..
19
1.4. Реальная вольт-амперная характеристика вакуумного диода
30
1.5. Параметры вакуумного диода ………………………………..
35
1.5.1. Крутизна ВАХ и внутреннее сопротивление диода ……..
35
1.5.2. Междуэлектродные емкости ……………………………….
36
1.6. Динамические свойства вакуумных электронных приборов.
37
1.6.1. Угол пролета направленно движущихся электронов ……
38
1.6.2. Пример верификационного расчета времени движения электрона при холодном и нагретом катоде …………………….
39
1.6.3. Наведенный и конвекционный токи диода ………………...
39
1.6.4. Влияние междуэлектродной емкости и индуктивности выводов диода ………………………………………………………….
42
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ С СЕТКАМИ ……………………….
44
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных за- рядов в электронной лампе ………………………………………..
44
2.2. Междуэлектродные емкости …………………………………
52
2.3. Закон «степени 3/2» в вакуумном триоде ……………………
55
2.4. Моделирование конвекционного тока четырех и пятиэлек­тродных ламп ……………………………………………………...
60
2.5. Характеристики ламп с сетками ……………………………...
64
2.6. Параметры ламп с сетками …………………………………...
69
2.7. Зависимость параметров ламп от токораспределения между сетками ……………………………………………………………..
71
Оглавление
4
2.8. Расчет параметров тетрода …………………………………...
77
2.9. Рабочий режим триода ………………………………………..
80
3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО СИНТЕЗА И ТЕХ-
НОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ ВАКУУМНЫХ ЭЛЕК­ТРОННЫХ ПРИБОРОВ ……………………………………………...
90
3.1. Современные конструктивные направления разработки мощ­ных электронных ламп ……………………………………………..
90
3.2. Особенности реализации деталей и узлов генераторных ламп
93
3.3. Специфика конструирования мощных усилительных ламп низкой частоты ……………………………………………………...
95
3.4. Методы, обеспечивающие поддержание вакуума в элек­тронных приборах ………………………………………………...
96
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ………………………………………
100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………...
106
Введение
5
ВВЕДЕНИЕ
Особенности методологии моделирования процессов в электроваку-
умных лампах с электростатическим управлением в учебном пособии за­ключаются в следующем [110].
Во-первых, инженерным подходом к разработке аналоговой и циф-
ровой аппаратуры, изготавливаемой на основе вакуумных и микроваку­умных электронных приборов (ЭП), интегрированных в обшивку лета­тельных аппаратов или на поверхности других технических изделий обо­ронного и гражданского применения. В совокупности они формируют конформные материальные объекты, обладающие управляемым электро­магнитным (ЭМ) полем, при сохранении доступной технологии изготов­ления и современного внешнего облика базового конструктивно-техноло­гического исполнения (КТИ) несущей платформы [1–6]. В этом случае оригинальная конфигурация и габариты отдельных фрагментов и всей ра­диоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры (РЭА и ЭВА), функционирующей при многофакторных климатических воздействиях (температуры, влаги, атмосферного воздуха, пыли, радиации и др.), зада­ются:
1. Главным назначением несущей платформы и условиями её эксплу-
атации, конкретизирующими способы производства ЭП с электростатиче­ским управлением. Поэтому, например, вакуумная электронная компо­нентная база (ЭКБ), используемая в космосе, может не иметь герметизиру­ющего баллона.
2. Спецификой реализации проводящих, полупроводниковых и ди-
электрических деталей областей взаимодействия электронных и ЭМ пото­ков с учетом резонансных и излучающих свойств проводников питания, размеров узлов крепления и формы теплоотвода.
3. Изложением материала об упорядоченном переносе электриче-
ских зарядов в контексте создания открытых систем электронных компо­нентов, функционирующих в общем ЭМ поле, имеющих как традицион­ную, так и микроминиатюрную конструкцию. Они предназначены для мо­дернизации первичных и вторичных источников ЭМ поля, позволяющей минимизировать нагрев при повышении тактовой частоты ЭВА, устранить
Введение
6
неконтролируемое обнаружения и наведение, возможность несанкциони­рованной навигации и сопровождения с помощью РЭА в ракетно-космиче­ской и авиационной технике.
Упомянутые свойства «электрически негерметичной» совокупности ЭП достигаются благодаря одновременному выполнению требований ко­герентности изменения и коллинеарности векторов скорости носителей за­ряда и напряженности электрического поля при одновременном обеспече­нии их оптимальной величины в её разных точках. Отметим, что другие факторы, например, при радиолокационном мониторинге и защите инфор­мации об объекте наблюдения, реализуемом в виде одно-, двух- или трех­мерной активной фазированной антенной решетки (АФАР) с регенерацией и рекуперацией зондирующего сигнала, в частности шумы её усилитель­ных модулей, имеют второстепенное значение для технических средств разведки.
Дело в том, что электровакуумные приборы априори обладают ря­дом достоинств, обеспечивающих эффективную и надежную работу подоб­ной РЭА и ЭВА в экстремальных условиях. С одной стороны, единствен­ным способом получения возмущений ЭМ поля, характеризуемых уровнем мощности около или более кВт и регулировки его интенсивности в реаль­ном масштабе времени, является использование специализированной ваку­умной ЭКБ. С другой стороны, она имеет обратимые электрические харак­теристики при значительных вариациях сигналах и воздействий окружаю­щей среды, ограниченные только пробоем области пролета и разрушением электродов. Например, преимущества применения микротриодов обуслов­лены не только их стойкостью к мощному ЭМ излучению и радиации, но и функционированием в режиме насыщения при электростатической эмис­сии катодов [18–21]. Дело в том, что в приборах вакуумной микроэлектро­ники из-за отсутствия объемного заряда в пролетной области длительность импульсов конвекционного тока короче, а их межэлектродная емкость меньше, чем при его существовании [28–34].
Во-вторых, нацеленностью учебного пособия на корректное матема­тическое моделирование продукции электронной промышленности как единого множества ламп, влияющих друг на друга, реализуемого спосо­бами и средствами технической электроники и наноэлектроники. Такой ин­женерный подход предопределяется настоятельной потребностью в ходе
Введение
7
разработки перспективной ЭКБ различного назначения методом неавто­номных блоков:
1. Прогнозирования предельной частоты и КПД радиационно-стой-
ких сверхскоростных логических элементов гига и терагерцового диапа­зонов.
2. Конструктивного синтеза устройств генерации и усиления ЭМ
поля, отдающих значительную колебательную энергию, реализуемых только на основе вакуумных триодов и технологии когерентной электро­ники.
3. Наглядностью многофакторной формализации направленного
движения электронов при одновременном воздействии постоянного и пе­ременного электрических полей.
Она позволяет создать верификационные резистивно-негатронные
модели РЭА и ЭВА, адекватные их современному КТИ. В свою очередь подобная идентификация когерентного множества свободных электронов необходима для тестирования пространственно-временного строения су­ществующих систем полупроводниковых ЭП в ходе оптимизации кондук­тивных и беспроводных связей между ними.
Дело в том, что «виртуальные» границы упомянутых электронных
изделий – модернизируемой или вновь проектируемой переизлучающей аппаратуры, логического элемента и триггера сверхскоростной интеграль­ной схемы (ИС) – детерминируются с помощью идеализаций или концеп­тов кластера, содержащего ЭП с подключенными проводами питания, но без указания наличия и конфигурации других конструктивных элементов, конкретизации их геометрических размеров в метрической системе еди­ниц, не существенной в ходе этого этапа решаемой энергетической задачи [17, 22–24].
В-третьих, фундаментальным отличием целей и алгоритмов реше-
ния прямой и обратной задач в радио-, микро- и наноэлектронике, базиру­ющихся на существенно разных представлениях об элементарной заряжен­ной частице и описании её свойств, известных в науке об электричестве [13, 26, 27]. Например, при анализе процессов в физической электронике и наноэлектронике приоритетным считается использование корпускулярно­волновой концепции электрона и уравнения Шредингера, квантовой тео­рии и принципа суперпозиции, теории вероятности и волновых функций, а
Введение
8
вопросы конструктивного синтеза и энергопотребления ЭКБ вообще не рассматриваются
Поэтому проектирование перечисленных выше технических объек­тов можно проводить лишь в рамках:
– модели специфического вида материи, образованной подвижными электронами, имеющими классически радиус 10
-15
м, и возбуждаемым ими
ЭМ полем, непрерывно распределенным в пространстве и оказывающим на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости [17];
– законов сохранения энергии и заряда, являющихся основой описа­ния стационарных и переходных процессов в технической электронике и наноэлектронике [11, 16].
В частности постулируется, что вакуумные или микровакуумные лампы создают участки пути циркуляции токов проводимости и смещения, конвекционного и наведенного тока в окружающей среде и ЭМ поле, а их совокупность формирует линейную, планарную и объемную структуру «электрически негерметичного» множества ЭП, трактуемого как электрон­ная цепь [4–6]. Тогда графические операторы, моделирующие взаимодей­ствие электронных и ЭМ потоков, рассматриваются как конструктивная, структурная и функциональная эквивалентные схемы, а для расчета мини­мизации энергопотребления и нагрева используют уравнения Максвелла и Лоренца, законы Ома и Джоуля-Ленца, другие математические выражения, известные в радио- и микроэлектронике, электро- и радиотехнике. При этом методика получения аналитических операторов и целевых функций, необходимых при символьном анализе и однозначной технической реали­зуемости ЭКБ, базируется на теореме Телледжена и теории нелинейных электрических цепей [25]. Такая методология теоретических исследований «свободных и связанных» зарядов позволяет осуществить генерацию но­вых знаний, не отрицая других трактовок и классических положений науки об электричестве, адекватно сочетать электронный и электродинамический подход без игнорирования принципа наименьшего действия, законов Кирхгофа и теоремы Рамо. Вместе с тем, появляется насущная необходи­мость уточнения алгоритмов феноменологического и детерминированного способов макромоделирования электронных процессов в конформной циф­ровой и аналоговой аппаратуре методом эквивалентных схем [22–25].
Введение
9
В-четвертых, существующей в настоящее время тенденцией неаргу-
ментированного масштабирования конструкции и необоснованного увеличе­ния количества вентилей в микропроцессорах при одновременной типизации и стандартизации изделий электронной промышленности. Дело в том, что традиционный способ модернизации ЭВА и расчет алгебраического сумми­рования сигналов в ней с помощью теорем Булевой алгебры не учитывает обязательное условие амплитудной координации и фазового контроля их взаимного влияние. В то же время некогерентность работы коллектива ЭП в общем ЭМ поле лежит в основе неконтролируемого роста энергопотребле­ния и нагрева, что особенно важно в ИС, предназначенных для эксплуатации в космосе. Дело в том, что проблема отвода тепла от электронных компонен­тов становится более актуальной в околоземном и межпланетном простран­стве, так как при отсутствии поля тяготения и силы тяжести нет естествен­ного движения воздуха, и обычные полупроводниковые микросхемы пере­греваются. Поэтому инженерный подход ориентирован на получение целе­вых функций для оптимизации КТИ с энергетической точки зрения и умень­шения количества дискретных ЭП в разумных пределах на всех этапах схе­мотехнической модификации, существующей РЭА и ЭВА, малочувствитель­ной к радиации, невесомости и температуре окружающей среды, установлен­ной внутри и за обшивкой орбитальных станций.
Введение
10
1. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВУХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЕ
Своеобразие явления циркуляции конвекционного тока или тока пе­реноса (см. подразд. 1.6.3) в вакуумном диоде и типичность его нелинейных характеристик, повторяющихся в многоэлектродных лампах с электростати­ческим управлением, указывают на необходимость первоочередной форма­лизации совместного направленного (упорядоченного) движения и взаимо­действия электронов с постоянным и переменным электрическим полем.
Подобная методология теоретического исследования вакуумной ЭКБ позволяет получить семейство целевых функций в виде совокупности её статических и динамических характеристик. Они используются для про­гнозирования минимизации энергопотребления РЭА и ЭВА различного КТИ и назначения, достоверного расчета номинальных режимов и рабочих параметров, наглядно иллюстрирующих требование реализации коллине­арности векторов скорости отрицательно заряженных микрочастиц и напряженности электростатического поля в ЭП. В этом случае достигается условие максимального преобразования кинетической энергии свободных электронов в колебательную (или ЭМ) энергию, сформулированное на ос­нове модели специфического вида материи, применяемой в технической электронике и наноэлектронике.
Поэтому на исходном этапе аналитического моделирования тради­ционных конструкций ламп и систем микроламп радио- и СВЧ- диапазонов рассмотрим в символьно-знаковом виде и буквенно-цифровой форме рас­пределение напряженности и потенциала электрического поля, суммарного объемного заряда и скорости электронов в пролетной области двухэлек­тродного прибора. Использование подобного алгоритма анализа переноса элементарных зарядов при фиксированном и переменном воздействиях, совместно создаваемых источником питания и электрической компонентой ЭМ поля, корректно уточняет энергетические эффекты в РЭА и ЭВА без потери части исходных данных, которые лежат в основе описания действия любого электровакуумного прибора.
По этой причине первоначально рассмотрим верификационную кон­структивную схему концептуальной модели размещения двух электродов
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]