Моделирование процессов плазменной электроники методические указания к лабораторным работам СанктПетербург Издательство спбгэту "лэти" 1 2008 2
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
5.2. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с устройством экспериментальной установки. 2. Перед началом снятия ФРЭ необходимо определить параметры схемы питания цепи зонда. Порядок этой процедуры включить накал макета, выждать мин, включить анодное напряжение (блок Б, установить анодный ток 200 мА, включить блоки питания цепи зонда переменными постоянным токами и измеритель высокочастотного напряжения – милливольтметр В ( U ). з. При отсутствии переменного напряжения ( S 2 – выключен) определить плавающий потенциал стенки ст, для чего, меняя подаваемое на зонд постоянное напряжение, найти переход от ионного тока на зонд к электронному, что проявляется в смене знака тока. Точно этот переход можно определить с помощью амперметра, который включается при размыкании ключа К 1 Первоначально предел потоку установить 20 мА. 4. Найти рабочую частоту и амплитуду переменного сигнала генератора, нагруженного на плазму (ключ S 2 замкнут, обеспечивающую стабильную работу генератора. Частоту менять от 200 до 2000 Гц, амплитуду А брать не более 2 В. 5. Исследовать влияние амплитуды переменного напряжения А навели- чину Δ I 26 e . Для этого задать постоянное напряжение на зонд (ключ S 2 – выключен, замерить с помощью тестера значение тока на зонд I 1 , включить постоянное и переменное напряжения (ключ S 2 замкнут, замерить второе значение тока I 2 , Δ I e = I 2 – I 1 . Определить Δ I e для четырех значений А. После подготовительной работы, выбрав частоту и амплитуду переменного сигнала, дающих минимальное, но заметное значение Δ I e , приступить к снятию ФРЭ. Для этого менять через 0.5 В постоянное напряжение, подаваемое на зонд от ст до значения, при котором Δ I e = 0. Снять ФРЭ три раза и привести в отчете среднее ее значение. 7. Выключить питание разряда и цепи зонда, не выключая накал катода 8. Выключить источник питания накала катода спустя 3 мин после выключения анодного напряжения. 5.3. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Физика явлений. Описание методики снятия ФРЭ. 3. Электрическая схема установки, ее описание. 4. Таблицы экспериментальных данных. 5. Графики экспериментальной зависимости Δ I e = f ( A ) и расчетной кривой А. На основе предварительных исследований выбрать значения Аи частоту переменного напряжения. 6. Среднее значение функции распределения электронов по энергиям ее) – см. (5.6), f дать в относительных единицах, ее – эВ. 7. Выводы о проделанной работе. Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цели работы ознакомление с характерными особенностями направленного переноса заряженных частиц в газе под действием электрического поля, с основными закономерностями токопрохождения в плоском двухэлектродном газонаполненном промежутке определение подвижности ионов воздуха. Основные сведения Развитие некоторых технических направлений стимулировало интенсивное расширение области применения потоков заряженных частиц в атмосферных или близких к ним условиях. Такие потоки используются в ряде технологических процессов, таких как нанесение на металлы различных порошковых покрытий, нанесение жидкостей в аэрозольном состоянии («элек- троокраска»), электросепарация материалов, снятие статического электричества в текстильной и бумажной промышленности. Потоки заряженных частиц в атмосферных условиях необходимы в электрографии (лазерный принтер) для очувствления полупроводниковых носителей информации (процессом очувствления называется нанесение на поверхность носителя информации равномерного потенциального рельефа) ив ряде других случаев. При движении в вакууме заряженные частицы под действием электрического поля приобретают скорость направленного движения , которая определяется пройденной разностью потенциалов U : н v U m q v 2 н = , где q и m – заряди масса заряженной частицы. Качественно иным образом определяется скорость направленного движения заряженных частиц в газах, когда длина свободного пути мала и частицы при своем движении испытывают много столкновений в объеме между электродами. В этом случае скорость направленного движения будет зависеть не от пройденной разности потенциалов, а от локального значения напряженности электрического поля E . В простейшем случае скорость направленного движения и напряженность электрического поля связаны между собой зависимостью , (6.1) н где b – коэффициент подвижности, или просто подвижность, заряженных частиц. Подвижность заряженных частиц обратно пропорциональна давлению газа p и определяется как , (6.2) где b 0 – подвижность при единичном давлении (приводится в справочной литературе для различных газов. Величина b 0 зависит от рода газа. С учетом выражения (6.2) формулу (6.1) можно записать в виде , (6.3) p E b v / 0 н = откуда видно, что скорость направленного движения заряженных частиц в газе определяется помимо рода газа отношением E / p – характерным аргументом, также определяющим многие другие зависимости процессов в газовом разряде и плазме. Выражение (6.3) справедливо для описания скорости направленного движения заряженных частиц в газе в режиме слабого поля. Этот режим реализуется в тех случаях, когда скорость направленного движения существенно меньше скорости теплового хаотического движения , (6.4) T v v << н m kT v Т π = / 8 – определяется соотношением где Т. Здесь k – постоянная Больцмана T – температура частиц. Если условие (6.4) не выполняется, зависимость скорости направленного движения от E / p может оказаться значительно более сложной, чем зависимость вида (6.3). Рассмотрим двухэлектродный газонаполненный промежуток с плоскими электродами, функционирующий в режиме подвижности. Пусть один из электродов эмитирует заряженные частицы в газовую среду. Если жена другой электрод задать потенциал, собирающий эти заряженные частицы, то через промежуток потечет ток. Допустим, что заряженные частицы имеют отрицательный заряд. В этом случае уравнение Пуассона будет иметь вид b j dx dU dx U d 0 2 2 ε = , (6.5) где U – потенциал х – координата, отсчитываемая от поверхности эмиттера j – плотность тока, переносимого заряженными частицами – диэлектрическая проницаемость газовой среды между электродами, которая практически равна диэлектрической проницаемости вакуума. При составлении уравнения) учтено, что E = – Анализировать уравнение (6.5) будем при следующих граничных условиях) где L – расстояние между электродами. Равенство нулю производной от потенциала по координате на поверхности эмиттера предполагает его неограниченную эмиссионную способность. Это, конечно, идеализация реального эмиттера, но она оправдывается, если эмиссия заряженных частиц из катода многократно превышает ток, реально протекающий между электродами. Граничные условия (6.6) как по форме, таки по существу аналогичны тем, которые принимаются при выводе закона степени 3/2 для вакуума. Ввиду этого вольт-амперная характеристика, полученная из решения уравнения Пуассона (6.5) с граничными условиями для газонаполненного промежутка, функционирующего в режиме подвижности (6.6), должна быть аналогом закона степени 3/2. Указанную вольт-амперную характеристику можно представить в виде 3 2 a 0 0 8 9 L bU j ε = , (6.7) где j 0 – плотность тока, ограниченного пространственным зарядом носителей тока. Анализ уравнения Пуассона позволяет найти выражение для напряженности электрического поля в зависимости от координаты в виде ( ) L U L x x E / 2 3 a = (6.8) Используя формулы (6.1) и (6.8), выражение для вольт-амперной характеристики) можно представить в виден) где – скорость направленного движения заряженных частиц в плоскости коллектора при х = L ( ) L v н Представление вольт-амперной характеристики в виде (6.9) обладает одной интересной особенностью, которая заключается в том, что если в таком же виде представить вольт-амперную характеристику для вакуума или промежуточных давлений, при которых режим подвижности, строго говоря, не выполняется, то все равно получаются формулы, аналогичные формуле (6.9) и отличающиеся от нее лишь числовым коэффициентом. Кстати, и различие в значениях числовых коэффициентов, как правило, меньше, чем точность величин, найденная в экспериментах. Это обстоятельство делает формулу вида (6.9) удобной для экспериментального определения скорости направленного движения заряженных частиц в электрическом поле. Описание экспериментальной установки Установка состоит из макета плоского двухэлектродного промежутка, обеспечивающего питание электродов и измерение токов и напряжений. Схема установки представлена на рис. 6.1. A 1 A 2 V 1 V 2 L б 2 3 S 4 TV 1 TV 2 S 1 S 2 S 3 Рег. U 2 Рег. U 1 ≈ Рис. 6.1. Электрическая схема установки I 2 U 2 I 1 ´ >I 1 ´´ >I 1 ´´´ L = const Обл. Обл. 1 U 2 ´´´ U 2 ´´ U 2 ´ I 20 ´´´ I 20 ´´ I 20 ´ I 2 I 1 L = const Рис. 6.2. Вольт-амперные характеристики плоского промежутка при различных Рис. 6.3. Зависимости тока в ускоряющем промежутке оттока источника ионов значениях тока источника ионов Макет имеет три электрода. Электрод 1 представляет собой многоост- рийный коронатор. Совместно с сетчатым электродом 2 он образует источник ионов, работающий в режиме коронного разряда. Для повышения однородности плотности потока ионов по поперечному сечению последовательно с каждым из 16 острий включается резистор сопротивлением 5,1 МОм каждый. Образованные в ионном источнике заряженные частицы диффундируют в плоский двухэлектродный промежуток, образованный электродами 2 и 3. Электрод 3 выполняет роль коллектора. Коллектор установлен на подвижной платформе, что позволяет изменять ширину зазора между электродами 2 и 3. Типичный вид снимаемых характеристик показан на рис. 6.2 и 6.3. 6.2. Порядок выполнения работы. Ознакомиться с устройством экспериментальной установки. 2. Снять вольт-амперную характеристику источника ионов (промежутка между электродами 1 и 2). 3. При фиксированном значении расстояния L между электродами 2 и 3 снять зависимость I 32 2 от U 2 при постоянном значении ионного тока I 1 , генерируемого в источнике ионов. 4. Повторить измерения поп, изменив значение тока I 1 5. Снять зависимость тока I 2 от производительности ионного источника, оцениваемой током I 1 при фиксированных значениях U 2 и L . Типичный вид зависимости I 2 от I 1 показан на рис. 6.3. 6. Повторить измерения поп при новых значениях U 2 и Количество измерений по пп. 3 и 5 согласовывается с преподавателем. 6.3. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Теоретическая часть. 3. Схема и описание работы экспериментальной установки. 4. Результаты экспериментальных исследований. 5. Результаты обработки экспериментальных данных. По зависимости I от I 2 1 (рис. 6.3) определяется значение тока I 20 и по известной площади поперечного сечения потока ионов S 2 (2 см п) вычисляется значение j 20 – плотность тока насыщения. Скорость направленного движения заряженных частиц ( н вычисляется по формуле (6.9) при известных значениях j 20 , U 2 и L . При построении графика зависимости от на- н пряженности электрического поля в плоскости коллектора Е) значения последней вычислять для различных режимов по формуле (6.8). По вычисленным значениями Е) определяется значение коэффициента подвижности b в условиях эксперимента. Используя полученное значение b , с помощью формулы (6.7) рассчитывают значение тока в промежутке для условий, при которых выполнялись измерения. н. Выводы о проделанной работе. Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛИ Цели работы ознакомление с устройством газоразрядных индикаторных приборов интегрального типа исследование процесса зажигания разряда и его ВАХ в газоразрядной индикаторной панели. 7.1. Основные сведения Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) представляют собой приборы интегрального типа, объединяющие в плоском корпусе большое число светоизлучающих элементов. ГИП используются для решения сложных информационных задач отображение больших массивов знаковой информации, отображение гистограмм, графиков, а также видеоинформации с градациями яркости. ГИП с большим числом ячеек и большим быстродействием – плазменные экраны – находят в настоящее время широкое применение в телевизионной технике. ГИП имеет, как правило, диэлектрическую матрицу свесь- ма большим числом ячеек и два покровных стекла, приклеенных к матрице, на которые снаружи или изнутри наносятся полупрозрачные электроды. Покровные стекла приклеиваются таким образом, что полупрозрачные электроды становятся взаимно перпендикулярными. После склейки панель заполняется инертным газом. Каждая ячейка ГИП представляет собой миниатюрный газоразрядный прибор с холодным катодом и анодом. Для адресации светоизлучающих ячеек ГИП используется временное совпадение сигналов, подаваемых на электроды строки столбцов. При двухкоординатной выборке 33 управление матричным экраном, содержащим n элементов, осуществляется с помощью n 2 входов. Исследуемая в данной работе ГИП-10 000 является индикаторной панелью постоянного тока с внешней адресацией, количество светящихся ячеек в ней 10 000, те ячеек. Диаметр отверстия в матрице – 0.6 мм, шаг – 1.0 мм. Две взаимно перпендикулярные системы электродов – анодов и катодов образуют столбцы и строки. Отверстия в матрицах совмещены в местах пересечения катодов и анодов. Таким образом, ячейки каждой строки имеют общие катоды, ячейки каждого столбца – общие аноды. Параллельная работа газоразрядных ячеек с одним большим резистором невозможна, так как после возникновения разряда водной из ячеек столбца напряжение на остальных ячейках, имеющих один внешний резистор, падает. Поэтому одновременно можно поддерживать разряд в ячейках только одной строки. В качестве газового наполнителя в данной ГИП используется смесь Пеннинга на основе неона, дающая оранжево-красный цвет свечения. Основными электрическими параметрами ГИП постоянного тока являются напряжения возникновения ( U U U в U пр U п I min I max I ), поддержания (в пи прекращения разряда (пр, а также время возникновения разряда. Возможные состояния газоразрядной ячейки определяются вольт-амперной характеристикой (рис. 7.1) и нагрузочными прямыми, те. зависимостью падения Рис. 7.1. Вольт-амперная характеристика газоразрядной ячейки напряжения на балластном сопротивлении оттока. Напряжение возникновения разряда превышает напряжение его поддержания, благодаря этому обеспечивается работа газоразрядной ячейки водном из двух состояний Включено и Выключено. Эта особенность может быть использована для получения в некоторых газоразрядных устройствах отображения электрической памяти. При зажигании разряда наблюдается разброс значений в и времени возникновения разряда. Связано это, во-первых, с вероятностным характером самого процесса ионизации. Кроме того, начало развития разряда определяется появлением первой лавины электронов с катода. Возникновение первой 34 лавины электронов, если нет специального внешнего источника энергии, воздействующего на катод, связано, как правило, с космическим излучением, которое имеет существенные флуктуации по амплитуде и во времени. В процессе эксплуатации ГИП возможно распыление катодов ячеек за счет ионной бомбардировки и эрозия матрицы. Поэтому значения в для различных точек ГИП могут существенно отличаться друг от друга. Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка содержит индикаторную панель ГИП-10 000, встроенные блок питания и микроамперметр для измерения тока, ламповый вольтметр В7-27А/I для измерения падения напряжения между анодом и катодом ячейки (рис. 7.2). Кроме того, источник питания Б имеет наборные барабаны, позволяющие регулировать разность потенциалов, подаваемых на ячейки от 0 до 299 В. Переключатели Пи П 1 2 позволяют зажигать ту или иную ячейку, рав- Столбцы А П 1 Строки П 2 U a R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 Источник питания Рис. 7.2. Схема экспериментальной установки номерно расположенные по полю ГИП. Значение в надо снимать по показаниям наборных барабанов источника питания. Переключатель резисторов позволяет регулировать сопротивление нагрузки. Оно изменяется следующим образом положения переключателя 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют сопротивлениям МОм. 36 7.2. Порядок выполнения работы 1. Исследовать возникновение разрядов ГИП. Как отмечалось ввоз- можен разброс как значений в, таки времени возникновения разряда t в Учет обоих этих факторов весьма трудоемок. С целью упрощения исследования будем наблюдать только разброс значений в. Для исключения влияния разброса значений в предлагается выжидать зажигания разряда не более 3…5 с. Если разряд не загорелся за это время, надо с помощью источника питания увеличить подаваемое напряжение. В процессе выполнения работы замерить в по 5 разв пяти точках ГИП. Для одной точки проверить влияние внешней засветки на в, для чего закрыть ГИП непроницаемым экраном и снять пять значений в. Исследовать влияние внешней нагрузки (н) на в. Снять зависимость в для одной точки ГИП от значения R н R н менять от 0.5 до 3.2 МОм. Для каждого значения н снять враз. Снять ВАХ ячейки ГИП. ВАХ снимать для трех точек ГИП, ток менять с помощью источника питания, падение напряжения на приборе регистрировать с помощью лампового вольтметра а (рис. 7.2). Убедиться, что в ГИП используется нормальный тлеющий разряд, тес ростом тока к меняется слабо. |