Вакуумная электроника. Физико-технические основы

В книге излагаются физико-технические основы вакуумной электроники, составляющие ее научный базис и определяющие с единых позиций принципы действия вакуумных электронных приборов и устройств различного назначения. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по «электронным» инженерным специальностям, закрепленным за направлением подготовки дипломированных специалистов, бакалавров и магистров «Электроника и микроэлектроника».Книга может быть также полезна инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области исследования, проектирования и конструирования современных приборов и устройств вакуумной электроникиПредисловие Настоящая книга задумана как учебное пособие по общепрофессиональной дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» действующего Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов, бакалавров и магистров «Электроника и микроэлектроника» и написана по материалам лекций, читаемых автором книги на протяжении многих лет студентам факультета электроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета («ЛЭТИ»). Книга адресована студентам, которые готовятся стать инженерами или научными работниками в области электроники и впервые приступили к систематическому изучению ее основ. Хотя в дальнейшем специальности профессиональной подготовки студентов могут разойтись, цель изучения ими материала книга должна быть одна: возможно глубже понять (на принятом здесь количественном уровне) физико-технические основы вакуумной электроники как одной из составляющих всей современной электроники.История развития вакуумной электроники охватывает весь XX век. За это время вакуумная электроника накопила огромный научный материал, на основе которого были созданы и получили широчайшее развитие наукоемкая электронная техника и высокотехнологичная электронная промышленность.До самого конца прошедшего столетия в учебных планах подготовки выпускников высших учебных заведений РФ по «электронным» специальностям вакуумную электронику представляли дисциплины по разным группам электронных приборов, выпускавшимся электронной промышленностью. Предполагалось, что вакуумная электроника, как прикладная наука, синтезируя различные знания естественных наук, всегда остается нацеленной на создание разнообразных электронных приборов. Поэтому, изучая принципы действия и конструирования этих приборов, можно достаточно полно ознакомиться с совокупностью физических процессов и эффектов, составляющих научно-технический базис вакуумной электроники. Однако многолетний опыт преподавания дисциплин по вакуумным электронным приборам и проведенные опросы студентов в конце срока обучения свидетельствуют о том, что подавляющее большинство не может самостоятельно упорядочить и обобщить полученную информацию и сколько-нибудь полно представить себе физико-технические основы вакуумной электроники. Сумма знаний, приобретенная студентами за 5 лет обучения, в сознании большинства из них отражалась в виде некоей мозаичной картины и не преобразовывалась в стройную, обобщенную систему знаний, на основе которой обычно развивается самостоятельное продуктивное мышление, умение применять ранее приобретенные и усваивать новые знания. Явно ощущается недостаток методологических знаний.К началу 80-х годов автором данной книги был предложен другой, обобщенный подход к изучению вакуумных электронных приборов. Суть этого подхода заключается в том, что предметом изучения становятся не многочисленные частные типы приборов с их разнообразными характеристиками, а обобщенные физико-технические основы вакуумной электроники, определяющие принципы действия всего многообразия вакуумных электронных приборов различного функционального назначения. Такой подход отражает естественное стремление любой науки объединить частные закономерности в единую концепцию, базирующуюся на нескольких основных положениях, из которых частные случаи могут быть получены дедуктивным методом.Физико-технические основы современных электронных приборов были выявлены в результате анализа и обобщения принципов действия большой выборки этих приборов. Было показано, что функции и назначения различных вакуумных электронных приборов, их принципы действия базируются на использовании, в общем случае, пяти основных физических процессов:• электронной эмиссии;• формировании электронных потоков (пучков, лучей);• управлении параметрами электронных потоков;• преобразовании энергии электронных потоков в энергию выходного сигнала;• рассеянии остаточной энергии электронного потока.Каждый из этих процессов может быть реализован различными способами, совокупность которых вместе с побочными эффектами, сопровождающими основные процессы и влияющие на их эффективность, по существу и составляет физико-технические основы вакуумной электроники. Таким образом, была определена структура и содержание данного учебного пособия.В первой главе книги представлен материал по анализу и обобщению принципов действия различных вакуумных электронных приборов и устройств, который может быть полезен студентам, в частности, с методологической точки зрения.В главах 2–8 рассматриваются основные физические процессы и их составляющие, а также сопровождающие эти процессы побочные физические эффекты.Глава 9 посвящена изложению основных обобщенных положений и приемов, определяющих общие подходы к принципиальному конструированию электронных приборов. Здесь же рассмотрены и основные типы современных микроволновых (сверхвысокочастотных) приборов вакуумной электроники.Учитывая общепрофессиональный характер дисциплины, в книгу включены только устоявшиеся и апробированные в учебной и научной практике предметные знания по нерелятивистской электронике на уровне, достаточном для последующего продуктивного изучения специальных дисциплин по разным классам электронных приборов и устройств.Большое внимание уделяется оценке порядка физических величин, использующихся в каждой главе, поскольку «чутье» к порядку величин составляет необходимую и значительную часть интеллектуального вооружения исследователя и инженера и заметно проявляется уже при решении учебных задач. Такие задачи приведены в конце каждой главы.Сушков А.Д.Вакуумная электроникаФизико-технические основы: Уч.пособие.Содержание:ПредисловиеВведениеГлава 1. Вакуумные электронные приборы и устройства, их принципы действия1.1. Основные группы электронных приборов и устройств1.2 Принципы действия электронных ламп и ламповых усилителей1.3. Принципы действия электронно-лучевых, фотоэлектронных и рентгеновских приборов1.4. Принцип действия электронно-лучевой сварочной установки1.5. Систематизация физических процессов и обобщение принципы действия электронных приборов и устройствКонтрольные вопросы и задачиГлава 2. Электронная эмиссия. Катоды2.1. Виды эмиссий заряженных частиц2.2 Энергия электронов в твердом теле2.3. Поверхностный потенциальный барьер и работа выхода электронов2.4. Контактная разность потенциалов2.5. Термоэлектронная эмиссия2.6. Термоэлектронные катоды2.7. Автоэлектронная и взрывная электронная эмиссия2.8. Фотоэлектронная эмиссия2.9. Вторичная электронная эмиссияКонтрольные вопросы и задачиГлава 3. Отбор катодного тока в вакуумных электронных системах и токораспределение в них при постоянных потенциалах электродов3.1.Катодный токи источники полей в вакуумных электронных приборах3.2. Отбор катодного тока в диоде с термокатодом3.3. Закон степени «трех вторых» для диода3.4. Закономерности ротбоа катодного тока в диоде, учитывающие начальные скорости термоэлектродов3.5. Отбор катодного тока в триодных и многоэлектронных системах3.6. Отбор катодного тока в триоде с диафрагмой3.7. Распределение катодного тока в триодных и многоэлектронных системах3.8. Влияние пространственного заряда на токораспределение в электронных системах3.9. Динаторный эффект и способы его подавления3.10. Электронный поток и его физические моделиКонтрольные вопросы и задачиГлава 4. Формирование неинтенсивных электронных пучков. Электронные прожекторы4.1. Оптико-механическая аналогия4.2. Аксиально-симметричные электрические и магнитные поля4.3. Уравнения движения параксиальных электронов4.4. Методы расчета траекторий электронов4.5. Аксиально-симметричные электронные линзы4.6. Аберрации электронных линз4.7. Цилиндрические и квадрупольные электронные линзы4.9. Электронные прожекторыКонтрольные вопросы и задачиГлава 5. Формирование интенсивных электронных пучков. Электронные пушки5.1. Интенсивные электронные пучки и задача их формирования5.2. Начальное формирование ленточных электронных пучков5.3. Начальное формирование сплошных аксиально-симметричных электронных пучков5.4. Начальное формирование полых трубчатых аксиально-симметричных электронных пучков5.5. Формирование электронных пучков в скрещенных электрических и магнитных полях5.6. Электронные пушки с управляющими электродами5.7. Собственные поля электронных пучков5.8. Движение интенсивных электронных пучков в свободном пространстве5.9. Понижение потенциала пространства, занятого электронным пучком5.10. Влияние положительных ионов на распространение электронных пучковГлава 6. Системы ограничения поперечных размеров интенсивных электронных пучков6.1. Проблема ограничения поперечных размеров электронных пучков6.2. Системы однородного продольного магнитного поля6.3. Однородная магнитная система поперечного ограничения аксиально-симметричного электронного пучка6.3.1. Катод полностью экранирован6.3.2. Катод частично экранирован6.4. Однородная магнитная система поперечного ограничения магнитного электронного пучка6.5. Однородная магнитная система поперечного ограничения полого (трубчатого) электронного пучка6.6. Устройство систем, создающих однородное магнитное поле6.7. Ограничение поперечных размеров электронных пучков периодическими магнитными полями6.8. Электростатические системы поперечного органичения сплошных аксиально-симметричных электронных пучков6.9. Электростатические системы поперечного ограничения полых аксиально-симметричных электронных пучков6.10. Электростатические системы поперечного ограничения ленточных электронных пучковКонтрольные вопросы и задачиГлава 7. Управление электронными потоками. Типы управляющих устройств7.1. Способы управления электронными потоками7.2. Способы получения переменного конвекционного тока7.3. Характеристики и параметры управления электронным потоком7.4. Квазиэлектростатический способ управления плотностью катодного тока7.5. Режимы управления катодным током7.6. Квазиэлектростатическийспособ управления токопрохождением7.7. Каскадный квазиэлектростатический способ управления электронным потоком7.8. Управление плотностью катодного тока высокочастотным электрическим полем7.9. Движение электронов в пространстве высокочастотного взаимодействия7.10 Квазистатические способы модуляции направления движения электронного пучка7. 11. Скоростная модуляция электронного пучка и его группирование в дрейфовом пространстве. Клистронное управляющее устройство7.12. Каскадный клисторный способ управления электронным пучком7.13. Скоростная модуляция и группирование электронов в продольном поле бегущей волны7. 14. Скоростная модуляция и группирование электронов в поле бегущей волны при наличии постоянных скрещенных полейКонтрольные вопросы и задачиГлава 8. Преобразование энергии электронного потока в энергию выходного сигнала. Типы преобразующих устройств8.1. Способы преобразования энергии электронного потока8.2. Энергетический эффект взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем8.3. Наведенные заряды и токи во внешней цепи преобразующего устройства8.4. Наведенные токи в триодных системах8.5. Полный ток в цепи преобразующего устройства8.6. Преобразование энергии модулированного по плотности электронного потока в устройстве с колебательным контуром8.7. Преобразование энергии модулированного электронного потока в устройстве с замедляющей системой8.8. Преобразование энергии модулированного электронного пучка в устройстве со скрещенными полями8.9. Рекуперация энергии электронного пучкаКонтрольные вопросы и задачиГлава 9. Обобщенный подход к построению принципиальных конструкций вакуумных электронных приборов. Микроволновые электронные приборы9.1. Основные положения обобщенного подхода9.2. Построение принципиальных конструкций каскадных управляющих электронных подсистем9.3. Построение принципиальных конструкций микроволновых приборов с линейным электронным пучком (типа 0)9.4. Микроволновые приборы с квазиэлектростатическим управлением плотностью электронного пучка9.5. Клистроны9.6. Лампы бегущей волны типа 09.7. Многорезонаторный магнетрон9.8. Микроволновые усилители М-типа9.9. ГиротроныПриложение 1. Колебательные системы электронных приборов и устройствПриложение 2. Частотные диапазоны в современной радиоэлектроникеПриложение 3. Основные физические константыСписок литературы