Билет 1

1. Основные направления вакумно-плазменной электроники (ЭУЛ, ЭУП)

2. Электрические явления в газах

Ответ:

1)Электровакуумные приборы подразделены на следующие подгруппы: электронные лампы, электронно-лучевые приборы, миниатюрные вакуумные электронные приборы.

В зависимости от функционального назначения электронно-управляемые лампы разделяют на генераторные модуляторные, усилительные, выпрямительные, по роду работы — непрерывного и импульсного действия, по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Простейшей электронной лампой является диод. Более сложными — триод, тетрод, пентод, гексод, гептод, октод, эннод и декод, названия которых произошли от греческих чисел, определяющих число электродов в лампе. Электронные лампы, содержащие две или более систем электродов в одной оболочке, связанных с независимыми потоками электронов, но имеющих иногда один или несколько общих электродов, называются комбинированными- двойной диод, двойной триод, диод- -пентод, триод-гептод и т.д.

Электронно-управляемая лампа — электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током, ограниченным пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов.

Одна из простейших электронных ламп —триод показана на рис.1.1.

Рис.1.1. Триод.

Она состоит из системы электродов: (подогревный термокатод 1; управляющий электрод — сетка 2; коллектор электронов — анод 3), смонтированных на стеклянной ножке 4, через которую проходят выводы электродов 5, присоединенные к штырькам 6. Положение всех электродов фиксируется слюдяными пластинами 7. Арматура лампы помещена в баллон 8, из которого затем откачивается воздух до давления около 10^-5 — 10^-6 Па. В каждой лампе в процессе монтажа электродов устанавливается газопоглотитель (геттер). При окончании процесса откачки геттер (чаще всего— барий) испаряется из таблетки 9, укрепленной на полочке газопоглотителя. Осаждаясь на внутренней стенке баллона, геттер образует серебристый зеркальный слой 10, который связывает газ, оставшийся в баллоне или выделяющийся впоследствии из электродов в процессе работы лампы.

При изучении электронных ламп необходимо рассмотреть распределение потенциала в междуэлектродном пространстве, различные виды электронной эмиссии, междуэлектродные емкости, распределение токов между электродами и другие явления.

Электронно-лучевой прибор — электровакуумный прибор, действие которого основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками.

Электронно-лучевые приборы необходимы для осциллографов, телевизионных систем, радиолокационных станций. Они используются в качестве быстродействующих переключателей, в аппаратуре автоматического контроля и ЭВМ для индикации и регистрации алфавитно-цифровых и графических данных и пр.

В любом электронно-лучевом приборе содержится три основных конструктивных элемента: электронный прожектор — устройство, предназначенное для формирования электронного луча, отклоняющая система — для перемещения луча в пространстве и люмине-сцирующий экран или мишень. Элементы прибора размещены колбе, в которой обеспечивается вакуум порядка 10^-5—10^-4 Па.

Электронный луч, созданный электронным прожектором, перемещается в пространстве отклоняющими системами и попадает на экран или мишень, вызывая определенный эффект. Практическая безынерционность луча позволяет анализировать быстро протека­ющие процессы, передавать или принимать телевизионное изобра­жение, записывать или считывать различную информацию и т. д.

Многообразные электронно-лучевые приборы принято классифицировать по характеру преобразования входного сигнала в выходной. По этому принципу можно выделить следующие основные группы приборов.

Приемные электронно-лучевые трубки — электронно-лучевые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическое изображение. Это осциллографические трубки, кинескопы, индикаторные радиолокационные трубки, а также трубки, предназначенные для решения более узких задач (фототелеграфия и пр.).

Приборы, преобразующие электрические сигналы в сигналы другой частоты. К ним относятся запоминающие трубки (потенциалоскопы) — электронно-лучевые приборы, обладающие свойством хранить и считывать в течение определенного времени введенную информацию, а также электронно-лучевые коммутаторы, предназначенные для переключения электрических цепей с очень высокой скоростью при помощи электронного луча.

Приборы, предназначенные для преобразования одного изображения в другое, с «переносом» в другую область спектра. Приборы, позволяющие преобразовать, например, изображение, полученное в невидимых инфракрасных, ультрафиолетовых или рентгеновских лучах в видимое изображение, называются электронно-оптическими преобразователями.

Передающие электронно-лучевые трубки — электронно-лучевые приборы, преобразующие оптическое изображение в электрические сигналы.

В последнее десятилетие XX века от­крылась новая эра миниатюрных вакуумных элек-тронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией (в некоторых случаях речь идет и о микровакуумных приборах и интег­ральных схемах на основе термоэлектронных като­дов ). Эти новые приборы обладают сверхвысоким быстродействием (субпикосекундным), высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительнос­тью к температуре и весьма большим коэффициен­том полезного действия (КПД). Приборы вакуум­ной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диа­пазона длин волн, в системах непосредственного телевизионного вещания со спутников с использо­ванием тридцатисантиметровых антенн и менее, в радиолокационных станциях, телефонных систе­мах сотовой связи и т.д. Особо перспективным представляется использование этих приборов для создания нового поколения сверхбыстрых компью­теров. В этом случае элемент памяти может быть со­здан из двух ламп по системе триггера. При токе с одного острия 10^-5 А мощность, рассеиваемая парой микротриодов при напряжении на аноде 20 В, будет

2· 10^-4 Вт. При плотной упаковке на 1 см² площади можно разместить около 10⁶ элементов памяти, для которых мощность рассеяния составляет 20 Вт/см, так что в качестве основной выступает здесь про­блема теплоотвода. В 1988 году на 1 см² размещали 10⁴ микротриодов, так что мощность рассеяния со­ставляла уже 2 Вт.

2) 4.1.Элементарные процессы в газовом разряде

Столкновения или взаимодействия нейтральных частиц газа, столкновения возбужденных молекул и атомов, положительных и отрицательных ионов, и свободных электронов между собой, а также с фотонами (световыми квантами), испускаемыми воз­вращающимися в нормальное состояние возбужденными атомами, или с фотонами, поступающими в газоразрядный промежуток из­вне, — все это элементарные процессы. Элементарные процессы при разряде в газе можно разделить на процессы в объеме газа и на границе газ — электрод. К элементарным процессам на по­верхности электродов относятся различные виды электронной эмиссии. К процессам в объеме газа относятся упругие и неупругие соударения различных элементарных частиц.

Упругие соударения сопровождаются обменом импульсами или энергиями, без внутренних процессов, таких например, как иони­зация. При соударениях частиц, близких по массе, происходит об­мен энергиями или импульсами. В случае соударений различных по массе частиц легкие частицы рассеиваются на тяжелых. Так как массы различны, обмена энергиями не происходит, электрон лишь изменяет скорость, а также направление движения (рис.4.1,а).

Неупругие соударения различают первого рода (возбуждение и ионизация частиц) и второго рода (возвращение в нормальное состояние и рекомбинация). Неупругие соударения сопровожда­ются, таким образом, внутренними процессами.

Процессы возбуждения атомов или молекул газа с последую­щим возвращением в нормальное состояние и излучением происходят довольно часто (рис.4.1,б). Каждый газ характеризуется своим потенциалом возбуждения U_в. Если свободный электрон имеет энергию ξ=еU_в, то появляется некоторая вероятность возбуждения. В возбужденном (метастабильном) состоянии атом остается очень недолго (10^-9÷10^-8 с), после чего электроны атома самопроизвольно (спонтанно) переходят в разрешенные, нормальные состояния. Избыточная энергия выделяется в виде квантов света. Так как энергия строго «квантована», каждый газ имеет в газоразрядных приборах свой характерный спектр излучения и цвет свечения: Ne — красный, Не — желтоватый, пары Hg — зе­леновато-голубой, Ag— голубой и т. д. Процессы ионизации газа наиболее важны для работы газоразрядных приборов. Если энер­гия электрона велика, то появляются новые носители заряда — положительные ионы (рис.4.1,б). Каждый газ характеризуется своим потенциалом ионизации U_и. Если электрон имеет энергию ξ=еU_и, появляется вероятность ионизации и, следовательно, раз­вития разряда.

Рис.4.1. Направление движения частиц

После прекращения разряда возникшие в нем заряженные ча­стицы исчезают, происходит деионизация. Деионизация обеспечи­вается рекомбинацией в объеме, а также диффузией на стенки с последующей рекомбинацией. Деионизация происходит по экс­поненте n=n₀exp(–t/τ), где τ=10^-4÷10^-5 с — постоянная време­ни деионизации, а n и n₀—концентрации заряженных частиц в мо­менты t и t=0, соответственно.

В настоящее время существуют несколько теории, которые служат основой для объяснения тех или иных явлений электриче­ского разряда в газе: теория электронных лавин, теория газораз­рядной плазмы, теория изотермической плазмы, теория стримеров и некоторые другие. Однако, как правило, газоразрядные приборы разрабатываются на основе большого экспериментального опыта научно-иссле­довательских и заводских лабораторий. Для того чтобы разряд в приборе на­чался, а затем поддерживался, необхо­димо выполнение некоторых условий.

На рис.4.2 показана схема газораз­рядного прибора в виде стеклянной труб­ки с холодными электродами, наполнен­ной газом до давления значительно мень­шего атмосферного. Любой газ является идеальным диэлектриком и электриче­ский ток не проводит. Если прибор на­дежно защитить от всяких внешних воз­действий (нагревание, свет, космическое излучение и пр.), — электропроводность газа крайне мала и элек­трический разряд не происходит, несмотря на приложенное напря­жение Е_а. Но если газ подвергается воздействию каких-либо внеш­них влияний (так оно и бывает почти всегда: катод облучается светом, нагревается, через газ проходят ультрафиолетовые лучи, он подвергается действию радиоактивных или космических излучений и т. д.), в газе появляются частицы, несущие электрический заряд, и газ становится проводящим.

Рис.4.2. Схема газораз­рядного прибора.

Время от момента приложения напряжения к разрядному про­межутку до возникновения разряда называется временем запа­здывания разряда. После того как в межэлектродном простран­стве появился первый электрон, разряд развивается в очень короткое время (10^-7÷10^-5 c). Следует отметить, что энергия электронов соответствует не разности потенциалов между электрода­ми, расположенными на расстоянии d, а той разности потенциа­лов, которую электроны проходят на длине свободного пробега λ от одного соударения до другого. При небольших значениях Е_а и большом давлении р электроны не могут набрать на длине пути λ энергию, достаточную для ионизации газа, и разряд не возни­кает. Чтобы электроны набрали требуемую энергию, необходи­мо либо уменьшить давление, либо увеличить разность потен­циалов. Для возникновения раз­ряда, следовательно, необходимо определенное соотношение меж­ду давлением газа, расстоянием между электродами и приложен­ным напряжением.

Если процесс ионизации на­чался, один электрон, переме­щаясь от катода к аноду, может привести к аноду целую лавину электронов (рис.4.1,в). Развитие разряда сводится к развитию электронных лавин, оно происходит по экспоненциальному закону.

В разрядном промежутке электроны двигаются к аноду, а ионы — к катоду. Распределение потенциала в пространстве между электродами изменяется. Ионы перемещаются сравнитель­но медленно и между электродами образуется положительный пространственный заряд, а на небольшом расстоянии от катода— падение потенциала V_к, которое называется катодным падением потенциала (рис.4.3).

Рис. 4.3. Катодное падение потенциала.