Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование переноса электрических зарядов в электровакуумных приборах с электростатическим управлением. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
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 [1–10].
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]
