МУ-СР-ВиПЭ-ч1. Программа цели и задачи дисциплины
 Скачать 146.5 Kb.
|
|
Методические указания по самостоятельной работе по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» ч.1. «Вакуумная электроника»
Цели и задачи дисциплины
Требования к уровню освоения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны:
Введение Содержание, цель и значение дисциплины в подготовке бакалавров по направлению электроника и наноэлектроника, ее связь с другими дисциплинами специальности. Место вакуумной электроники в науке и технике. Краткий обзор развития приборов вакуумной электроники, их место и значение в современной науке, технике и народном хозяйстве. Роль российских ученых и конструкторов в этом развитии. Содержание дисциплиныВведение. Предмет дисциплины и ее задачи. Краткий обзор развития приборов вакуумной электроники, их место и значение в современной науке, технике и народном хозяйстве. Роль российских ученых и конструкторов в этом развитии. Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана. Тема 1. Обобщенный подход к изучению вакуумных приборов и устройств Понятие о вакууме и давлении. Газовые законы. Распределение молекул газа по скоростям. Средняя длина свободного пробега. Понятие о степенях вакуума. Аналитический обзор принципов действия приборов и устройств вакуумной электроники (ВПиУ) различного назначения: усилителей, генераторов; преобразователей электрических сигналов на основе электронных ламп (ЭЛ) и микроволновых вакуумных приборов и устройств (МВВПУ); электронно-лучевых приборов (ЭЛП); рентгеновских приборов (РП); электронно-луче-вых технологических установок (ЭЛТУ). Систематизация физических процессов, происходящих в ВПиУ: основные и побочные физические процессы, сопровождающие протекание тока через вакуумные промежутки. Обобщение принципов действия ВПиУ. Структурная схема обобщенного ВПиУ; базовые и дополнительные устройства. Классификация ВПиУ [О1, c. 29 – 35]*. В начале изучения данной темы необходимо усвоить основные понятия физики вакуума. Далее нужно обратить внимание на то, что все вакуумные приборы можно представить в виде обобщенного прибора, состоящего из пяти основных узлов (базовых устройств): эмиссионного, формирующего, управляющего, преобразующего и приемного. В каждом из перечисленных устройств осуществляется один из основных физических процессов, присущих всем вакуумным приборам: эмиссия электронов, формирование электронного потока и его прохождение в приборе до приемного устройства, ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ * Здесь и далее используются буквенно-цифровые обозначения: О1 – источники из списка основной литературы; Д1 – дополнительной. управление одним или несколькими параметрами электронного потока, преобразование части кинетической энергии электронного потока в энергию полезного выходного сигнала, прием электронов и рассеяние остаточной кинетической энергии потока. Наряду с основными физическими процессами имеют место и побочные процессы, являющиеся издержками основных процессов: ионизация остаточного газа, побочный нагрев и побочное излучение и др. Следует самостоятельно представить в виде обобщенной схемы наиболее известные вакуумные приборы: триод, осциллографическую трубку, рентгеновскую трубку, фотоэлемент. При составлении обобщенных схем следует учитывать, что основные физические процессы могут совпадать по времени и месту действия, поэтому их базовые устройства могут иметь одни и те же конструктивные элементы. Например, управляющая сетка в вакуумном триоде одновременно является частью управляющего и формирующего устройств, анод в электронных лампах и экран в электронно-лучевых приборах одновременно являются частями преобразующих и приемных устройств. Тема 2. Основы эмиссионной электроники Основные виды и законы электронной эмиссии: классификация эмиттеров заряженных частиц. Основные типы, параметры и конструкции катодов. Чисто металлические, пленочные, толстослойные, сложные, жидкометаллические катоды. Катоды прямонакальные, подогревные, с электронной бомбардировкой. Сравнительная характеристика эмиттеров. Основные соотношения для расчета и проектирования эмиттеров [О1, c. 37 – 66, 71 – 92; Д1, c. 5 – 32, 39 – 36]. При изучении темы «Эмиттеры» нужно иметь в виду, что в качестве эмиттера электронов могут использоваться различные по материалам и принципам действия источники. Основное внимание необходимо уделить изучению термокатодов, наиболее часто применяемых на практике. Нужно разобраться в понятии «работа выхода катода» и выучить основной закон термоэмиссии (закон Ричардсона – Дэшмана). Обратите внимание на технологию изготовления, принцип работы, основные параметры и конструкции основных типов применяемых термокатодов: вольфрамового торированного карбидированного катода (ВТКК) и оксидного катода (ОК). Тема 3. Формирование электронных потоков и их прохождение в ВПиУ Основные виды электронных потоков (цилиндрический, трубчатый, ленточный, многолучевой) и методы их создания. Вакуумный диод. Катодный конвекционный ток в диоде и режимы его отбора. Законы, определяющие катодный ток в диоде. Распространение этих законов на триодные и многоэлектродные системы. Токопрохождение (токораспределение) в вакуумных приборах. Виртуальный катод. Режимы токораспределения. Динатронный эффект и способы его подавления [О1, c. 96 – 149; О3; Д1, c. 80 – 90, 101 – 107, 120 – 123, 144 – 152]. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях в вакууме. Электростатические и магнитные электронно-оптические системы (ЭОС), аберрации ЭОС. Электронные прожекторы, их характеристики. Пушки, формирующие интенсивные электронные пучки заданной конфигурации. Способы улучшения токопрохождения в ВПиУ. Методы расчета [О1, c. 142 – 160, 205 – 226, 256 – 260, 275 – 294; О2, c. 284 – 290]. При изучении данной темы следует обратить внимание на то, что методы создания электронных потоков различной конфигурации делятся в зависимости от плотности потока и его геометрии на три группы: формирование сплошных и слабофокусированных потоков, формирование слаботочных и сильноточных (интенсивных) потоков с резко очерченными границами. Для расчета систем формирования необходимо знание законов движения электронов в электрических и магнитных полях в вакууме. Процесс формирования сплошных и слабофокусированных потоков состоит из токоотбора от катода и токопрохождения потока от катода к аноду. Токоотбор от катода имеет два режима: рабочий – режим ограничения тока пространственным зарядом электронов, который описывается законом «степени 3/2», и режим насыщения, в котором все электроны, эмитированные катодом, отбираются от него. Токораспределение также описывается двумя режимами: перехвата, в котором ток сетки определяется электронами, перехваченными сеткой при их движении от катода к аноду, и возврата, в котором ток сетки кроме электронов перехвата содержит еще и электроны, возвращающиеся из промежутка сетка-анод. Формирование слаботочных потоков с резко очерченными границами состоит их трех этапов: токоотбора от катода, фокусировки электронного потока с целью получения минимального поперечного сечения (кроссовера) и проектирования кроссовера на экран. Два первых этапа реализуются с помощью электронного прожектора, который в простейшем случае состоит их катода, модулятора (электрода, управляющего токоотбором) и ускоряющего электрода (анода). Токоотбор в прожекторе не подчиняется закону «степени 3/2» из-за сильной неравномерности поля вблизи катода и имеет более сильную зависимость от потенциала модулятора благодаря «островковому эффекту». Проектирование кроссовера на экран осуществляется электронной линзой (электростатической, состоящей из двух анодов с резко отличающимися потенциалами, или магнитной – катушки с переменным током). Формирование интенсивных потоков реализуется с помощью электронных пушек, простейшей из которых является пушка Пирса, состоящая из катода, формирующего электрода, соединенного с катодом, и анода. Электронная пушка формирует так называемый равновесный поток, в котором электроны движутся по траекториям, параллельным друг другу (ламинарное движение). В этом потоке практически отсутствуют радиальные составляющие скоростей электронов и поэтому поток можно поддерживать в равновесном состоянии с помощью внешних транспортирующих систем на достаточно больших расстояниях. Транспортирующие системы могут быть магнитные и электростатические, постоянные или периодические. Тема 4. Управление электронными потоками Способы управления параметрами электронного потока (электрические, магнитные, механические) и их классификация. Способы получения переменного конвекционного тока (квазистатические, динамические, комбинированные). Схемы реализации квазистатических способов управления катодным током и токораспределением. Линейные и нелинейные режимы управления, режимы с отсечкой тока. Динамические системы управления (группирователи). Комбинированное управление электронным потоком в ВПиУ. Электростатические и магнитные отклоняющие системы: параметры, особенности устройства. Эффективность управления параметрами электронного потока в ВПиУ и способы ее повышения [О1, c. 301 – 316, 321 – 342; О2, c. 290 – 295; О4; Д1, c. 176 – 178, 203 – 208]. При изучении данной темы нужно иметь в виду, что основными методами управления являются электрические и магнитные. Электрические методы, в свою очередь, подразделяются на электростатические (квазистатические в силу нелинейности проходных характеристик приборов) и динамические. Электростатическими методами можно управлять плотностью (ЭЛ, ЭЛП), скоростью (РП) и траекторией электронов (ЭЛП). Наиболее часто применяемыми являются методы управления плотностью электронного потока. Динамический способ управления (МВВПУ) отличается от квазистатического тем, что осуществляется в два этапа: на первом происходит управление электронным потоком по скорости (скоростная модуляция); на втором – по плотности (группирование). Необходимо обратить внимание на различия между квазистатическими способами управления: линейными (режимы А, А1, А2) и нелинейными режимами управления с отсечкой тока (режимы АВ, В, и С). Важно отметить, что в ряде случаев управление в одном приборе осуществляется двумя и более основными способами (комбинированный способ) либо одновременно (комбинационный способ), либо последовательно (каскадный способ). Эффективность управления электронным потоком определяется в зависимости от управляемого параметра электронного потока: при управлении плотностью потока в ЭЛ – крутизной спрямленной динамической анодно-сеточной характеристики (АСХ) Sd спр, в МВВПУ – коэффициентом скоростной модуляции ν на первом этапе и параметром группирования X – на втором; при управлении траекторией потока в ЭЛП – чувствительностью к отклонению. Тема 5. Отбор и преобразование энергии электронных потоков Способы преобразования энергии электронного потока и их классификация. Основные типы высокочастотных преобразующих устройств: колебательный контур с плоским зазором, однозазорный резонатор, многозазорные колебательные и замедляющие системы. Плоский высокочастотный зазор: электронный ток, наведенный ток, ток смещения и полный ток. Условия оптимального отбора энергии от электронного потока. Активная колебательная мощность и КПД преобразования [О1, c. 360 – 375; О2, c. 295 – 297; О4]. Преобразование энергии потока в оптическое излучение. Люминесцентные экраны. Преобразование энергии потока в рентгеновское излучение. Преобразование энергии потока в полезную тепловую энергию. При изучении этой темы основное внимание нужно обратить на способ преобразования с помощью плоского зазора и изучить различные модификации плоского зазора в электронных приборах. При отсутствии разветвлений полный ток во всех сечениях плоского зазора и во внешней цепи должен быть одинаковым. В то же время природа тока внутри и вне зазора разная. Внутри зазора ток создается движущимися электронами (конвекционный ток) и так называемым током смещения, который возникает вследствие изменения во времени напряженности электрического поля в зазоре. Изменение напряженности поля в зазоре может возникнуть по двум причинам: из-за изменения во времени разности потенциалов на электродах зазора и благодаря изменению плотности электронного потока в зазоре. Во внешней цепи возникает ток проводимости также по двум причинам: изменения разности потенциалов на электродах зазора (емкостный ток) и изменения во времени наведенных конвекционным током зарядов на электродах зазора (наведенный ток). Отбор части кинетической энергии от электронного потока в плоском зазоре происходит благодаря противофазному изменению электрического поля на электродах зазора. Это электрическое поле возникает благодаря прохождению наведенного тока по выходной нагрузке. Из вариантов плоского зазора обратите внимание на замедляющую систему (в простейшем случае спираль), которую можно представить в виде последовательно соединенных плоских зазоров, в каждом из которых происходит небольшое взаимодействие потока с полем. Чтобы результаты этого взаимодействия накапливались, необходимо соблюдение условия синхронизма: примерное равенство скоростей электронного потока и фазовой скорости электромагнитной волны. Эффективность преобразования определяется коэффициентом полезного действия, который рассчитывается как отношение полезной выходной мощности к средней мощности электронного потока, потребляемой от источника ускоряющего напряжения. Тема 6. Прием электронов и рассеяние остаточной энергии Основные типы приемников: аноды, коллекторы, экраны, фотомишени (с внутренним и внешним фотоэффектом). Основные, промежуточные и побочные приемники. Особенности конструкций и параметры приемников электронов. Рекуперация энергии электронного потока [О1, c. 387 – 392]. Тепловые процессы. Естественные и принудительные способы охлаждения приемников. Системы охлаждения узлов и деталей ВПиУ. Основы расчета [Д4, c. 5 – 20, 27-33; Д5, с. 5-10, 16-27, 29-32]. При изучении этой темы обратите внимание на то, что приемники электронов могут быть основными, предназначенными для этой цели, промежуточными (в основном это диноды, служащие для увеличения тока за счет вторичной эмиссии) и побочными, на которых электронный ток должен быть как можно меньшим. В качестве побочных приемников основное значение имеют сетки в электронных лампах. Основное назначение приемников – рассеяние остаточной кинетичес-кой энергии электронного потока в виде тепла. Различают естественные и принудительные способы охлаждения. Естественные – излучение, теплопроводность и естественная конвекция. Излучением охлаждаются электроды прибора, находящиеся внутри вакуумного промежутка (катоды, сетки и т. п.); теплопроводность является при этом дополнительным процессом, который позволяет часть теплового потока направить от электродов через выводы наружу и, наконец, естественная конвекция воздуха позволяет отвести тепло от наружных поверхностей прибора. Эта схема теплоотвода работает на малых и средних мощностях (до 1 кВт). Для мощных приборов естественной конвекции недостаточно и нужно использовать принудительную: воздушную (для 1 кВт < P < 30 кВт), водяную или испарительную (для P > 30 кВт). Воздушное принудительное охлаждение осуществляется при помощи съемных или несъемных радиаторов, размещаемых на аноде прибора. При водяном охлаждении анод прибора помещается в бак с проточной водой. При частичном или полном испарении воды, соответственно, имеем либо водоиспарительное, либо чисто испарительное охлаждение. Важной особенностью принудительных способов охлаждения является то, что при этом необходимо турбулентное (вихревое) движение охладителя (воды или воздуха) для более эффективного теплоотвода, а при водяном способе еще и для предотвращения образования паровой подушки на охлаждаемой поверхности и возможного при этом перегрева. Тема 7. Основные типы приборов и устройств вакуумной электроники и области их применения. Электронные лампы. Классификация. Усилительные ЭЛ (в том числе широкополосные, модуляторные); генераторные; регулирующие. Устройства, основные характеристики и параметры. Схемы и режимы использования. [О1, c. 13 – 23; О2, c. 224 – 282; Д1, c. 156 – 173, 199 – 203, 230 – 232, 237 – 239]. Особенности мощных электронных приборов с электростатическим управлением (МЭП ЭСУ), работающих в непрерывном и импульсном режимах. МЭП ЭСУ со встроенными схемными элементами (коакситроны, эндотроны). Гибридные приборы с электронной бомбардировкой полупроводника (ПЭБП). [О1, c. 400 – 406; Д1, c. 173 – 175, 190 – 193, 236 – 237, 259 – 262]. При изучении ЭЛ и МЭПЭСУ обратите внимание на то, что эти приборы работают с электростатическим управлением. Необходимо изучить устройства этих приборов, понять назначение всех электродов и способы их подключения, разобрать основные характеристики: анодно-сеточные, анодные, экранно-сеточные, сеточные, в том числе статические и динамические, а также параметры: крутизну, внутреннее сопротивление, коэффициент усиления. МЭП ЭСУ отличаются от маломощных коаксиальной конструкцией системы выводов и выносным анодом, который является частью вакуумной оболочки прибора для обеспечения теплоотвода от анода принудительной системой охлаждения. Статические анодно-сеточные характеристики МЭП ЭСУ более «правые» и веерообразные по сравнению с маломощными приборами. Микроволновые вакуумные приборы и устройства. Классификация. Основные типы МВВПУ: с электростатическим управлением – маячковый триод, тетрод СВЧ; с динамическим управлением – отражательный клистрон, пролетный клистрон, ЛБВ, магнетрон; комбинированные – триод-клистрон. Устройство, основные характеристики и параметры. [О1, c. 400 – 446]. При изучении МВВПУ необходимо обратить внимание на то, что микроволновые вакуумные приборы делятся на две группы: приборы О-типа (векторы электрической и магнитной индукции направлены параллельно друг другу: клистроны, лампы бегущей волны – ЛБВ и лампы обратной волны – ЛОВ) и приборы М-типа (векторы электрической и магнитной индукции направлены под углом 90° друг к другу: магнетроны, ЛБВ М-типа и др.). Приборы О-типа, в свою очередь, делятся на приборы с коротким и длительным взаимодействием электронного потока и электромагнитного поля. В приборах с коротким взаимодействием (клистронах) управление по скорости (1-й этап динамического способа управления – скоростная модуляция) осуществляется в узких зазорах входных резонаторов под действием входного сигнала, управление по плотности (группирование) – в пространстве дрейфа между входным и выходным резонаторами, а отбор энергии от сгруппированного электронного потока – в зазоре выходного резонатора; то есть эти процессы происходят последовательно по времени и в различных частях прибора. В приборах с длительным взаимодействием (ЛБВ, ЛОВ) эти процессы происходят одновременно при прохождении сфазированного с электромагнитной волной электронного потока через последовательность зазоров замедляющей системы, например, спирали. Вследствие этого клистроны имеют узкую полосу пропускания и высокий КПД, а ЛБВ и ЛОВ, наоборот, являются широкополосными приборами с относительно низким КПД. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы и устройства. Классификация. Осциллографические, радиолокационные трубки, кинескопы (сигнал – видимое изображение). Запоминающие и кодирующие трубки (сигнал – сигнал). Фотоэлектронные приборы и передающие трубки (видимое изображение – сигнал). Электронно-оптические преобразователи (видимое изображение – видимое изображение). Технологические электронно-лучевые установки для плавки, сварки, термической и размерной обработки. Электронные микроскопы. Ускорители заряженных частиц. Устройство, основные характеристики и параметры. [О1, c. 23 – 28; О2, c. 297 – 317; Д2, c. 264 – 284, 304 – 308; Д3; Д6, с. 126-134]. При изучении электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов следует обратить внимание на то, что как преобразователи информации эти приборы делятся на четыре группы: приборы, преобразующие информационный электрический сигнал, поданный на отклоняющую систему или на модулятор, в световое изображение на экране; приборы, преобразующие видимые изображения, поданные на специальный фотокатод, в электрический сигнал (видеосигнал); приборы, преобразующие невидимое (например, инфракрасное) или слабо видимое изображение в видимое; приборы, преобразующие одни электрические сигналы в другие с помощью электронного луча. Заключение. Основные тенденции, направления развития и перспективы приборов и устройств вакуумной электроники. Примерный перечень лабораторных работ
Примерный перечень практических занятий
Примерный перечень экзаменационных вопросов
Список литературы Основная 1. Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учеб. пособие. СПб.: Лань, 2004. 2. Булычев А. Л., Лямин П. М., Тулинов Е. С. Электронные приборы: Учеб. для вузов М.: Энергоиздат, 2000. 3. Иванов Б.В., Тупицын А.Д., Шануренко А.К. Применение характериографа для исследования вакуумных и твердотельных приборов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 4. Колебательные процессы в вакуумных электронных приборах: методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» / сост. А.Д. Тупицын, А.К. Шануренко. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. Дополнительная1. Кацман Ю. А. Электронные лампы: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1979. 2. Жеребцов И. П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 3. Жигарев А. А., Шамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. М.: Высш. шк., 1982. 4. Карнышев А. П., Шануренко А. К. Тепловые процессы в мощных электронных приборах с электростатическим управлением: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 5. Карнышев А. П., Шануренко А. К. Особенности тепловых процессов в мощных генераторных лампах: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 6. А. А. Щука Электроника. Учебное пособие. СПб.: Издательство БХВ-Петербург, 2005.
Набор контрольных вопросов и заданий к 1 этапу текущего контроля по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» ч.1. Вакуумная электроника
Набор контрольных вопросов и заданий ко 2-му этапу текущего контроля по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» ч.1. Вакуумная электроника
|