Материал: Sb000537

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

C. В. АНТОНОВ А. Е. СИНЁВ А. К. ШАНУРЕНКО

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

Электронное учебное пособие

2-е издание, переработанное

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.385.001.63(075) ББК 3 851я7

А 72

Антонов С. В., Синёв А. Е., Шануренко А. К.

А72 Проектирование вакуумных и плазменных приборов и устройств: эл. учеб. пособие, 2-е изд. перераб. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 48 с.

ISBN 978-5-7629-1706-3

Изложены теоретические сведения, основы расчета и проектирования систем формирования вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств.

Предназначено для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника» и специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» при изучении лекционного курса, в ходе выполнения индивидуальных домашних заданий и контрольных работ, а также курсового проектирования по дисциплинам «Вакуумная и плазменная электроника», «Инженерные методы расчета электронных приборов», а также дипломного проектирования в ходе целевой подготовки на предприятиях электронного приборостроения.

УДК 621.385.001.63(075) ББК 3 851я7

Рецензенты: кафедра физической электроники СПбГПУ; д-р техн. наук С. А. Силаев (ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебного пособия

2

Введение

В настоящее время в науке и технике широко используется большое количество разнообразных по конструкции и назначению приборов и устройств,

объединяемых лишь по одному признаку − наличию потока заряженных частиц (ПЗЧ): электронных ламп; вакуумных приборов СВЧ; электронно-лучевых приборов; вакуумных фотоэлементов; установок просвечивающей и растровой микроскопии, электронной литографии, электронно-лучевой резки и сварки; ускорителей; плазменных источников заряженных частиц; технологических установок ионно-плазменного и ионно-химического удаления, нанесения или модификации поверхностных слоев материалов и мн. др.

Как правило, при проектировании таких приборов и устройств разработка системы формирования (СФ) представляет одну из наиболее сложных и важных задач. Трудности обусловлены многообразием физических факторов, влияющих на формирование ПЗЧ, и сложностью математических моделей, описывающих эти процессы. Потребности науки и техники обусловливают ежегодное появление вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств (ВППУ) новых типов и модификаций, причем проблема сокращения времени проектирования ВППУ стоит очень остро. Решение указанных проблем невозможно без широкого внедрения методов автоматизированного проектирования СФ на ЭВМ.

Задача данного пособия − показать основные направления использова-

ния ПЗЧ (электронов и ионов), общие принципы построения систем формирования потоков заряженных частиц ВППУ, познакомить с инженерными методами и программами расчета СФ на ЭВМ.

1.СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ВАКУУМНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРОВ

ИУСТРОЙСТВ

Рассмотрим несколько характерных примеров конструкций СФ для некоторых типов ВППУ. Отметим при этом, что в вакуумных приборах и устройствах, использующих сфокусированные потоки (пучки, лучи) заряженных частиц, системы формирования часто называются электроннооптическими системами (ЭОС).

3

1.1.Системы формирования электронных потоков

вэлектронных лампах

Для электронных ламп системами формирования электронного потока служат системы электродов (СЭ): катод − (сетки) − анод. Характер движения электронного потока определяется конкретной геометрией электродов и режимом работы. Наиболее часто, особенно в мощных электронных приборах с электростатическим управлением (МЭПЭСУ), используется цилиндрическая форма электродов. В ряде случаев, например, в лампах ячейковой конструкции применяется плоская форма электродов. В лампах с цилиндрическими электродами чаще всего используют подогревные оксидные катоды (ОК) или прямонакальные вольфрамовые торированные карбидированные катоды (ВТКК) решетчатой конструкции, стержневые, спиральные или решетчатые сетки, гладкие или камерные аноды. Для плоской формы электродов наиболее характерны ленточные ВТКК и ОК и паркетные мелкоструктурные сетки.

При расчете системы электродов электронной лампы с сеточным управлением большое значение имеют соотношения между шагом первой сетки a1 , диаметром ее сеточных проводников dc1 и расстоянием «катод– сетка» zc1. При a1 zc1 и zc1 >> dc1 выполняются условия «сводимости» лампы,

т. е. достаточно равномерной экранировки электрического поля вблизи катода от полей, создаваемых другими электродами. Это позволяет рассчитывать геометрические размеры СЭ аналитически на основе простых соотношений, определяемых законом «степени трех вторых». При использовании аналитических методов расчета СФ электронных ламп с сеточным управлением предполагается наличие сеточных проводников цилиндрической формы. Иные формы сеточных проводников, например плоские, могут быть при необходимости сведены к цилиндрической [1].

Для несводимых конструкций электронных ламп необходимо учитывать при расчете неравномерность экранировки электрического поля вблизи катода от поля управляющей сетки, что не позволяет аналитически рассчитать геометрию СЭ. В этом случае в качестве первого приближения используют систему электродов аналога (предыдущего варианта прибора в случае модернизации или наиболее близкого к нему по основным параметрам из существующих приборов), а затем уточняют СЭ с помощью численных методов анализа.

4