Конспект урока "Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка"

· Электронные пучки. Под электронными пучками понимают направленные потоки электронов, поперечные размеры которых значительно меньше их длины. Электронные пучки впервые были обнаружены в газовомразряде, происходящем при пониженном давлении.

При тлеющем разряде положительными ионами с катода выбивается большое число электронов. Если разряд происходит в трубке при очень больших разрежениях, то средняя длина свободного пробега электронов увеличивается и катодное темное пространство расширяется. Электроны, выбитые с катода положительными ионами, движутся почти без столкновений и образуют катодные лучи. Эти лучираспространяются нормально к поверхности катода. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок.

· Свойства и применение электронных пучков. Электронные пучки вызывают свечение(флуоресценцию) некоторых веществ. К ним относятся стекло, сульфиды цинка, кадмия и др. Эти вещества называются люминофо-рами. Это свойство электронных пучков применяется в вакуумной электро-нике – свечение экранов телевизоров, осциллографов, электронно-оптических преобразователей и др. Попадая на тела, электронные пучки вызывают их нагревание. Это свойство пользуется для сварки сверхчистых металлов в вакууме.

Электронные пучки отклоняются в электрическом и магнитном полях. Возможность управления электронным пучком с помощью электрического и магнитного поля и свечение экранов, покрытых люминофором под действием электронных пучков, используют в электронно-лучевых трубках.

· Электронно-лучевая трубка. Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 12.4.1. Она представляет собой стеклянный вакуумный баллон L , в котором находится «электронная пушка», состоящая из накаленного катода К , эмитирующего электроны, и анода с диафрагмой (чаще нескольких анодов, расположенныхдруг за другом) D 1 , D 2 . Между катодом и анодом создают разность потенциалов U , позволяющую разогнать электроны до большой скорости и получить узкий пучок. В месте попадания электронного пучка на экран Е , покрытый флуоресцирующим составом, возникает яркая светящаяся точка.

Управление пучком электронов производится двумя парами пластин С 1 и С 2 расположенных перпендикулярно друг другу. Поле пластин С 1 смещает луч в горизонтальном направлении, поле пластин С 2 - в вертикальном. На пластины С 1 и С 2 можно подавать либо постоянное, либо переменное напря­жение. В зависимости от этого светящееся пятно на экране будет либо оставаться на месте, либо перемещаться, образуя прямую, синусоиду и т. д. На этом свойстве основано устройство осциллографа. В более сложных случаях на экране можно получить чередование темных и светлых пятен, которые дают изображение предметов. Такое явление мы наблюдаем в электронно-лучевой трубке телевизора.

Вопросы для повторения:

1. В чем состоит ионизация газа и рекомбинация ионов в газе?

2. Что такое газовый разряд?

3. В чем заключается разница между самостоятельным и несамостоя-тельным газовыми разрядами?

4. Что представляют собой дуговой и тлеющий разряды?

5. Что такое плазма? Какими свойствами она обладает?

6. Что такое диод, как он устроен и почему может работать выпрямителем переменного тока?

7. Что такое электронные пучки, какими свойствами обладают, где применяются?

8. Приведите примеры применения тлеющего разряда в технике.

9. Приведите примеры практического применения плазмы.

10. Опишите механизм образования электронно-ионных лавин.

Резюме:

В процессе изучения темы мы ознакомились со свойствами газовых разрядов и протеканием электрического тока в газах и вакууме.

Приложение

Приложение N 1.

Распределение электронов и дырок описывается функцией Ферми–Дирака.

,

где f Ф-Д (Е ) – вероятность того, что энергетическое состояние занято и может колебаться от 0 до 1 ,

E F – уровень Ферми, часто называемый энергией Ферми или электрохи-мическим потенциалом.

Согласно принципу Паули каждое квантовое состояние может быть заня-то только одним электро-ном. При большем их числе, при абсолютном нуле температур все состояния ниже E F заполнены:

f Ф-Д (Е ) = 1 , а выше E F – свободны от электронов и f Ф-Д (Е ) = 0 . Так как при Т = 0ºК электроны проводимости обладают ненулевой энергией, но распределены по всем разрешенным состояниям от 0 до E F (эВ) то

.

Уровень Ферми в собственном полупроводнике определяется уравнением:

Плотность состояний g(E)

Число состояний на единичный энергетический интервал в единице объема полупроводника как функция энергии.

В двух прилегающих друг к другу фазах электронное равновесие до-стигается при равенстве уровней Ферми. -

Приложение N 2.

Для определения вида функции φ(х) мы воспользовались известным из электростатики уравнением Пуассона, связывающим потенциал поля U(x) с объемной плотностью ρ(х) неподвижных зарядов, создающих это поле.

Это уравнение имеет вид:

принимаем ρ(х) = qNd

Глоссарий

Аморфные вещества	С термодинамической точки зрения аморфное ТТ находится в метастабильном состоянии и со временем должно закристаллизоваться. Аморфные вещества ведут себя как жидкости с аномально высокой вязкостью. К ним относятся стекла, пластмассы и смолы, При повышении температуры они постепенно размягчаются и приобретают способность течь, как жидкости [§1.1].
Анизотропия	Неодинаковость свойств кристалла в разных направлениях, которая является результатом его симметрии и внутреннего строения[§1.1].
Акцепторные уровни	Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупровод-ника, называют акцепторными акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками p -типа;часто их называютакцепторными полупроводниками . [§ 3.6.1].
Адсорбционный слой	См. [§ 4.2.2].
Барьерная емкость	При обратном напряжении, приложенном к p -n переходу, носители заря-дов обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало. Таким образом, в режиме обратного напряжения p -n переход представляет собой емкость. Эту емкость называют барьерной (С б) . [§ 8.5].
Ван-дер-ваальсовские связи	Силы взаимодействия в таких кристаллах определяются наличием у молекул естественных или индуцированных электрических моментов [§ 1.3].
Валентная зона	При сближении атомов на растояние примерно 10 –8 см.,будет происходить перекрытие волновых функций атомарных электронов. Благодаря этому энергетический уровень валентных электронов превращается в зону.Эта зона носит название валентной [§ 2.1].
Водородная связь	В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда[§1.1].
Вольтамперная характеристика p-n перехода	См. [§8.4].
Время жизни носителей	Среднее время существования носителей заряда в полупроводнике обычно называют временем жизни носителей [ § 3.8].
Вырожденный газ	В вырожденном газе в формировании электропроводности могут участвовать не все свобод-ные электроны, а лишь те из них, которые располагаются непосредственно у уровня Ферми.[§ 5.2.2].
Генерация носителей заряда	Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов [§ 3.4].
Гетеропереход	Гетеропереходом называют переход, образующийся на границе контакта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. [§ 9.3].
Дефекты в кристалле	Нрушения периодичности решетки, которые не сводятся к тепловым движениям, называются дефектами [§ 1.7].
Дефекты по Шоттки	В реальных кристаллах некоторые узлы кри-сталлической решетки, в которых должны находиться атомы, оказываются незанятыми [§ 1.7].
Дефекты по Френкелю	Они возникают в том случае, когда атом покидает свое место в узле кристаллической решетки и размещается в междоузлии в окружении атомов, расположенных на своих законных местах [§ 1.7].
Дислокации	Этот вид дефектов возникает в случае, когда между атомными плоскостями вклинивается неполная дополнительная атомная плоскость [§ 1.7].
Дырка	Вакантное место в ковалентной связи получило название дырки. Незавершенная связь будет иметь избыточный положительный заряд равный по величине заряду электрона [§ 3.2].
Донорные уровни	Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называютсядонорами , а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п -типа;часто их называют такжедонорными полупроводниками [§3.6.1].
Дрейфовый ток	Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока. [ § 3.8].
Диффузионный ток	Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным бездрейфовым током . [ § 3.8].
Диффузионная длина	Среднее расстояние, которое проходят за время жизни носители, называют диффузионной длиной носителей заряда. .
Двойной электрический слой	Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным элект-рическим слоем. .
Запрещенная зона	Зоны дозволенных энергий отделены друг от друга интервалом, называемым запрещенной зоной или энергетической щелью [§ 2.1].
Зона проводимости	Если же в самой верхней занятой, но не полной зоне, имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны, то они образуют так называемую зону проводимости [§ 2.1].
Ионные кристаллы	Ионные кристаллы (NaСl, KC1 и др.) характерны тем, что силы притяжения, действующие между ионами - электростатические. [§1.1].
Индексы Миллеры	В ристаллографии принято пользоваться для обозначения плоскостей особыми индексами Миллера. [ § 1.6].
Инжекционный лазер	См.[§10.6].
Инверсия населенностей	Инверсия населенностей – соотношение между населенностями разных энергетических уровней атомов или молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем. [§10.5].
Кристалл	Кристалл, представляет собой совокупность атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия. Структурными единицами ТТ служат атомы, молекулы или ионы. Термодинамически устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией, с повышением температуры, по достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, они скачкомпереходят в жидкое состояние. Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. [§1.1].
Ковалентный кристалл	В ковалентных кристаллах (алмаз, Ge, Si и др.) валентные электроны соседних атомов обобществлены, поэтому ковалентный кристалл можно рассматривать как одну огромную молекулу [§1.1].
Класс симметрии	В кристаллографии показано, что существуют всего 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций называется классом симметрии. В природе существуют только кристаллы, относящиеся к одному из 32 классов симметрии [§ 1.3].
Коэффициент Холла	См.[§ 6.1.1].
Контактная разность потенциалов	См. [§ 7.1.1].
Когерентность	Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени, или же два идеальных монохроматических колебания имеют одну и ту же частоту, то такие колебания называются когерентными. [§10.5].
Лазеры	Вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным, а излучатели таких волн получили название лазеров (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет индуцированного излучения). [§10.4].
Металлическая связь	В металлических кристаллах связь (металлическая связь) обуслов-лена коллективным взаимодействием подвижных электронов с остовом кристаллической решетки. Для переходных металлов характерна также ковалентная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутренних оболочек [§1.1].
Молекулярные кристаллы	В молекулярных кристаллах молекулы связаны между собой относительно слабыми электростатическими силами (ван-дер-ваальсовы силы) обусловленными динамической поляризацией молекул [§1.1].
Неравновесная концентрация	Если с помощью какого либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. [§3.8].
Невырожденный газ	В случае невырожденного газа плотность заполнения зоны проводи-мости электронами на столько небольшая, что они практически никогда не встречаются так близко, что бы их поведение могло ограничиваться принци-пом Паули.[§ 5.2.1, § 5.2.2].
Несамостоятельный газовый разряд	Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.
Ось симметрии	Если кристалл обладает осью симметрии (поворотной осью), то он может быть совмещен сам с собой, т.е. приведен в положение неотличимое от исходного, путем поворота на некоторый угол вокруг этой оси. В зависимости от симметрии кристалла величина угла поворота, необходимого для совмещения кристалла с самим собой, может составлять 360, 180, 120, 90, 60 градусов. (2п / п, где n = 1, 2, 3, 4 или 6) [§ 1.3].
Основные носители	Электроны, составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках п -типа, называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.. И на оборот, дырки составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках p -типа, называют основными носителями заряда, а электроны– неосновными. [§ 3.6.2, § 3.6.3].
Омический переход	Контакт, электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном рабочем диапазоне токов. [§9.3.3].
Период трансляции	Трансляция а представлена вектором, имеющим определенное направление и численное значение, равное а, называемое периодом трансляции [§1.3].
Плоскость симметрии	Если одна половина кристалла совмещается с другой при отражении в некоторой плоскости, как в зеркале, то такая плоскость называется плоскостью симметрии [§ 1.3].
Поворотно-зеркальная ось	К этому элементу симметрии приводит одновременное применение двух операций: поворота вокруг оси и зеркального отражения в плоскости, перпендикулярной оси [§ 1.3].
Полупроводники	Полупроводники, широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, по её удельному значению sзанимающих про-межуточное положение между металлами (s ~ 10 4 -10 6 Ом -1 см -1) и хорошими диэлектриками (s ~ 10 -12 -10 -11 Ом -1 см -1) (интервалы значений sуказаны при комнатной температуре) [§ 3.1].
Примесный полупроводник	Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а его электропроводность обусловленную наличием в кристалле примесей-примесной [§ 3.6.1].
Полупроводник n-типа	См. Донорные уровни. [§ 3.6.1].
Полупроводник p-типа	См. Акцепторные уровни [§ 3.6.1].[ § 3.6.3].
Примесная проводимость	Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной [§ 3.6.2].
Переход Шоттки	Выпрямляющий контакт металл – полупро-водник п -типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда . [§9.1].
Поверхностные явления в полупроводниках	Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла вызванные нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за возможных поверхностных дефектов структуры кристалла. [§9.2].
Поверхностный потенциал	Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля из-за наличия зарядов между объемом и поверхностью. Разность потен-циалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом [§9.2].
Пробой	Туннельный -основан на изученном нами туннельном эффекте – когда электроны проходят через потенциальный барьер р-п- перехода, не изменяя своей энергии.
Лавинный -Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в р-п- переходе. Двигаясь с большой скоростью в области р-п- перехода они сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их.
Тепловой -Электрический и тепловой пробой во многих случаях происходят одновременно. Во время электрического пробоя полупроводник разогревается и затем происходит тепловой пробой. Тепловая генерация пар электрон –дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока, а увеличение тока, приводит в свою очередь к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно. При чрезмерном разогреве кристалла, р-п- переход необратимовыходит из строя.
Работа выхода	Работой выхода называется работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов φ 0 .[§ 4.2.1].
Рекомбинация носителей заряда	Процесс превращения свободного электрона в связанный электрон и исчезновение пары носителей заряда (электрон-дырка) носит название рекомбинации.
Силы взаимодействия	Природа сил взаимодействия между атомами в кристаллах хорошо известна. Это – электрические силы отталкивания и притяжения по-ложительно и отрицательно заряженных частиц, имеющихся в каждом атоме. [§1.1].
Сингония	В кристаллографии принято объединять 32 класса симметрии в 7 систем симметрии или 7 сингоний, которые носят следующие названия в порядке возрастания симметрии триклинная система, включающая два класса симметрии, тригональная система, объединяющая семь классов, моноклинная система, куда входят три класса, гексагональная система - пять классов, ромбическая, также с тремя классами, тетрагональная система с семью классами, кубическая система [§ 1.3]. [§ 1.3].
Собственный полупроводник	Полупроводник будет являться собственным, если влияние примесей на его свойства пренебрежимо мало. В нем свободные носители заряда возникают только за счет разрыва валентных связей [§ 3.2].
Стимулированное излучение	Может воз-никнуть процесс, при котором все возбужденные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что генерируемые фотоны абсолютно неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным [§10.4.].
Термопара	См.[§11.2.1].
Термоэлемент	См. [§ 11.2.2].
Термоэлектрические явления	См. [§10.1.1].
Трансляция	Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. С геомет-рической точки зрения такую структуру можно создать с помощью операции параллельного смещения, которая называется трансляцией [§1.3].
Твердое тело	Твердым телом (ТТ) называют такое агрегатное состояние вещества, которое характеризуется постоянством формы рассматриваемой макро-системы и особым характером теплового движения атомов, составляющих макросистему. Различают кристаллические и аморфные ТТ. Термодинами-чески устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией[§1.1].
Трансляционная группа	Положение любой точки в пространственной решетке определяться комбинацией перемещений ma+nb+pc. Комбинация трех векторов а,b,с называется трансляционной группой [§1.3].
Тепловой пробой p-n перехода	Тепловой пробойp-nперехода происходит вследствие вырывания ва-лентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристалли-ческой решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увели-чению концентрации не-основных носителей заряда и к росту обратного тока. [§8.4].
Туннельный эффект	Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. [§8.6].
Фотопроводимость полупроводников	Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. [§ 10.1].
Фоторезистивный эффект	Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. [§10.2].
Центр симметрии	Если в кристалле существует точка, обладающая тем свойством, что при замене радиуса-вектора r , любой из частиц, составляющих кристалл на обратный ему вектор -r , кристалл переходит в состояние, неотличимое от исходного, то эта точка называется центром симметрии или центром инверсии [§ 1.3].
Экстракция носителей заряда	Для неосновных носителей (дырок в n - области и электронов в р - области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует, и они будут втягиваться полем в области p-n перехода. Это явление называется экстракцией. [§ 8.2].
Элементарная ячейка	Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях а, в, с, называется элементарным параллелепипедом или элементарной ячейкой.[ §1.3].
Элементы симметрии	плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии[ §1.3].
Электрохимический потенциал	Энергия электрохимического потенциала – работа, которую необходимо затратить для изменения числа частиц в системе на единицу при условии постоянства объема и температуры [§ 3.3].
Электрический пробой p-n перехода	Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). [§ 8.4].
Электронная эмиссия	См. [§ 4.2.2].
Электронно –дырочный переход (p-n переход).	Переход между материалами с электропроводностью n- и p- типа носит название p-n перехода. [§ 7.2].
Электростатический домен	См. Эффект Ганна [§ 5.6].
Энергия Ферми	При температуре равной абсолютному нулю Т = 0 К энергия всей атомной системы, в том числе и электронного газа минимальна. Однако при этом наблюдается характерная ситуация, когда электроны, находящиеся на верхних энергетических уровнях, обладают еще достаточно большой энергией, которую они не могут сбросить и перейти на нижние уровни из-за запрета Паули. Энергия электронов, занимающих самый верхний из занятых уровней, обозначается ε макс и называется энергией Ферми [§ 2.1, § 3.3].
Эффективная масса	Влияние на движение электрона в поле периодического кристаллического потенциала ионов и остальных электронов приводит к тому, что свойства носителей тока в кристалле (электронов проводимости и дырок) во многом отличается от свойств электронов в свободном пространстве. А их масса (эффективная масса) может сильно отличаться от массы свободного электрона и зависеть от направления движения [§ 3.5].
Эффект Ганна	См.[§ 5.6].
Эффект Зиннера	См.[§ 5.6].
Эффект Зеебека	См. [§ 10.1.1].
Эффект Пельтье	См. [§ 10.1.2].
Эффект Томсона	См. [§ 10.1.3].
Эффект Холла	Явление возникновения в полупроводнике с текущим по нему током поперечного электрического поля под действием магнитного поля называют эффектом Холла. [§ 6.1.1].
Эффект Штарка	См.[§ 5.6].

>>Физика: Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал.
Свойства электронных пучков и их применение. Электронный пучок, попадая на тела, вызывает их нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.
При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение . Это явление используют в рентгеновских трубках.
Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.
Электронные пучки отклоняются электрическим полем . Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис.16.20 ).
Электронный пучок отклоняет ся также в магнитном поле . Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо (рис.16.21 ). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярное сияние) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка - основной элемент одного из типов телевизоров и осциллографа - прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис.16.22 ).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 16.23. Эта трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис.16.24 ). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С , окруженного теплозащитным экраном Н . Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод (А 1 и А 2 ) состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость . Форма, расположение и потенциалы анодов выбирают так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точечных размеров.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 16.23). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно, т. е. за очень короткое время, реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.
В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис.16.25 ).

Цветной кинескоп содержит три разнесенные электронные пушки и экран мозаичной структуры, составленный из люминофоров трех типов (красного, синего и зеленого свечения). Каждый электронный пучок возбуждает люминофоры одного типа, свечение которых в совокупности создает на экране цветное изображение.
Широкое применение электронно-лучевые трубки находят в дисплеях - устройствах, присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступает информация, записанная и переработанная ЭВМ . Можно непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекты, подчиняющиеся законам, записанным в программе вычислительной машины.
В электронно-лучевых трубках формируются узкие электронные пучки, управляемые электрическими и магнитными полями. Эти пучки используются в осциллографах, кинескопах телевизоров, дисплеях ЭВМ.

???
1. Как осуществляется управление электронными пучками?
2. Как устроена электронно-лучевая трубка?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Cтраница 1

Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.  

Пучки электронов получают с помощью электронной пушки - вакуумного устройства, обычно диода, в к-ром электроны вылетают из катода благодаря гл. Фокусировку пучков осуществляют электронными линзами, создающими необходимые электрич.  

Бета-лучи представляют собой пучки электронов. Нулевой индекс отражает то обстоятельство, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклона. Индекс - 1 указывает на то, что рассматриваемая частица имеет отрицательный знак, равный по величине, но противоположный по знаку заряду протона.  

УФ облучения или пучка электронов (инициирующий агент) инициируется быстрая молекулярно-радикальная р-ция, высвобождающая запасенную в смеси энергию в виде короткого импульса когерентного излучения.  

Поэтому для воздействия на пучки электронов применяются электрические поля с непрерывным изменением потенциала.  

Следует отметить, что пучки электронов сильно взаимодействуют с веществом. Максимально допустимая толщина образцов составляет всего лишь несколько микрон. Это обстоятельство в значительной степени ограничивает возможности метода для изучения жидких дисперсных систем. Обычно изучаются мелкокристаллические образцы, наносимые на специально обработанные подложки.  

Поэтому оказывается возможным сообщить пучку электронов, летящему вдоль о: п снг. Пучок электронов, взаимодействуя с этим полем, может отдавать линии часть своей энергии и тем самым усиливать волны, бегущие в линии, или возбуждать такие волны.  

В обычном, неполяризованном пучке электронов или позитронов спины частиц направлены хаотически. Таким образом, по прошествии некоторого времени (времени релаксации) обычный пучок электронов или позитронов становится поляризованным - спины частиц принимают упорядоченную ориентацию.  

Такие волны могут возбуждаться продольными пучками электронов или ионов. Что касается волн, распространяющихся в сторону дрейфа электронов (а 0), то для их нарастания во времени оказывается достаточным лишь наличие градиента плотности.  

Полимерные цепи сшиваются непосредственно пучками электронов высокой энергии. Эти электроны генерируют макрорадикалы ПЭ, извлекая радикалы водорода. Обычно этот метод используют для изготовления кабелей 1 1 кВ с изоляцией из СПЭ.  

Электростатическая катодная электронная линза. / - катод. 2 - фокусирующий электрод. 3-анод. Тонкие линии-эквипотенциали. О-одна из точек катода. Заштрихованное пространство-сечение области, занятой потоком электронов, испущенных точкой О.| Электростатические цилиндрические электронные линзы. а-диафрагма со щелью. б-иммерсионная линза, состоящая из двух пластин. В области прохождения заряженных частиц поле линз не меняется в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.| Сечение электродов электростатических цилиндрических линз плоскостью, проходящей через ось z перпендикулярно средней плоскости. а-цилиндрическая (щелевая диафрагма. б-иммерсионная цилиндрическая линза. - одиночная цилиндрическая линза. г-катодная цилиндрическая линза. К, и К2 - потенциалы соответствующих электродов.| Сечения кьадрупольных электростатической (а и магнитной (6 электронных линз, перпендикулярные направлению движе-ния пучка электронов. / - электроды. 2-силовые линии полей. 3-магнитный полюс. 4-обмотка возбуждения.| Дублет из двух квадрупольных электростатических линз.

Основным средством вакуумной электроники СВЧ, служащим для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ колебаний, являются электронные пучки – протяженные электронные потоки, ограниченные в поперечном сечении.

Электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических устройств – так называемых электронных пушек, выбрасывающих ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны оси пушки.

Рассмотрим такие основные характеристики электронных пучков, как мощность, первеанс и интенсивность электронного потока, а также взаимозависимость между конфигурацией электронного потока и ЗС прибора.

Мощность пучка (произведение переносимого им тока I на напряжениеU , которым были ускорены электроны) определяет мощность прибора СВЧ:P =U  I .

Важной характеристикой электронного потока является первеанс, определяемый как  . Первеанс является мерой интенсивности потока. В приборах СВЧ, как правило, применяются интенсивные электронные потоки, в которых сила взаимного расталкивания электронов существенно влияет на движение электронов, так что их действием пренебрегать нельзя. Интенсивными, как показывают расчеты, следует считать потоки, у которых первеанс принимает значения, большие 10 -8 –10 -7 A/В 3/2 . Ввиду малости численного значения первеанса часто пользуются более удобной величиной – микропервеансом m , определяемым равенством

 =  m  10 -6 . (1.34)

Мощность электронного потока через первеанс можно выразить формулой

P =U  I =U 5/2 .

Как видно из формулы, при неизменном первеансе мощность очень быстро растет по мере роста U (так, при увеличении напряжения на порядок мощность возрастает более чем в 300 раз).

Однако во всех приборах мощность выгоднее увеличивать не столько за счет роста напряжения, сколько за счет роста тока пучка, так как чем больше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изоляторов в приборе и тем сложнее источники питания и, как следствие, громоздкость и сложность высоковольтного оборудования. Снижение рабочего напряжения при заданной мощности пучка не только уменьшает сложность аппаратуры, но и приводит к уменьшению габаритов прибора за счет сокращения длины активных участков электродинамической системы (ЭДС). В ЛБВ с возрастанием первеанса может увеличиваться коэффициент усиления и КПД.

Для того чтобы сформированный пучок можно было успешно использовать в электронных приборах СВЧ, необходимо, сохраняя хорошую форму, провести его через все пространство взаимодействия с высокочастотными полями. Поскольку в сильноточных электронных пучках действуют значительные кулоновские силы взаимного отталкивания зарядов, приводящие к «разбуханию» пучков, эта задача оказывается зачастую не менее сложной, чем формирование самого пучка.

Для борьбы с «разбуханием» пучков чаще всего применяют постоянное магнитное поле, параллельное оси пучка. Из-за относительно большой длины приборов достаточно сильное магнитное поле требуется создать на большом участке. Поэтому масса магнитной фокусирующей системы (МФС) получается весьма большой. Меньшие затраты на мощность и массу магнитных систем реализуются при использовании периодической магнитной фокусировки, при которой электронный пучок пропускается вдоль знакопеременного магнитного поля. Подобную систему собирают из отдельных коротких магнитных колец, разделенных втулками из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Аналогичного результата добиваются и с помощью периодической электростатической фокусировки, которая осуществляется рядом периодически расположенных электростатических линз. Такая система обладает еще меньшей массой и потребляемой мощностью.

Помимо магнитного удержания существует еще один способ борьбы с «разбуханием» пучков, заключающийся в том, что в объем электронного пучка вводится некоторое количество положительно заряженных ионов, которые своим пространственным зарядом компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов. В простейшем случае ионы можно создать, оставив в объеме прибора некоторое количество «неоткачанного» газа. Электроны пучка на своем пути будут ионизировать молекулы этого газа. Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны выбрасываются за пределы пучка кулоновскими силами, тогда как положительные ионы будут удерживаться этими силами в его объеме. В результате даже при очень малых давлениях остаточного газа может образоваться такое количество положительных ионов, что их концентрация сравнивается с концентрацией электронов в пучке. На этом накопление ионов прекратится и установится стационарное состояние, при котором в объеме пучка образуется квазинейтральная среда, напоминающая плазму. Пространственный заряд электронов оказывается скомпенсированным, и пучок не «разбухает». Описанное явление, называемое ионной фокусировкой, наблюдается при давлениях остаточных газов, превышающих 10 -6 мм рт. ст.

В зависимости от формы поперечного сечения электронные пучки разделяются на три основных типа: ленточный, аксиально-симметричный и трубчатый.

Системой формирования электронного потока называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации. Она содержит четыре области:

1) область электронной пушки, в которой имеется источник электронов – катод и анод, между которыми приложено ускоряющее напряжение U 0 ;

2) переходную область – область между пушкой и областью регулярной части МФС, в которой сила электростатического поля, созданного электродами, резко уменьшается, продолжается действие сил пространственного заряда, которые в конце области становятся главной расфокусирующей силой, стремящейся расширить поток, начинают действовать фокусирующие силы магнитного поля, направленные к оси пучка; в переходной области заканчивается формирование электронного потока и происходит «согласование» параметров потока, созданного пушкой, с параметрами регулярной части системы формирования;

3) область регулярной части системы формирования, в которой расположена ЭДС прибора и происходит взаимодействие потока с СВЧ полем;

4) область коллектора, в которой электроны «отработанного» потока воспринимаемые специальной металлической поверхностью, заканчивают свое движение в системе; чем больше КПД прибора, тем меньше мощность, рассеивающаяся на коллекторе; форма поверхности коллектора выбирается таким образом, чтобы тепловые нагрузки на эту поверхность не превышали допустимой удельной величины.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК - поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку Э. п. является совокупностью одноимённых заряж. частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собств. электрич. поле. С др. стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собств. магн. поле. Электрич. поле пространств. создаёт силу, стремящуюся расширить пучок ("кулоновское расталкивание"), магн. поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что действие пространств. заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в неск. кэВ) при токах в неск. десятых мА, тогда как "стягивающее" действие собств. магн. поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света-энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении Э. п., используемых в разл. электронных приборах, техн. установках, в первую очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств. заряда, а действие собств. магн. поля учитывать только для релятивистских пучков.

Интенсивность Э. п . Осн. критерием условного разделения Э. п. на неинтенсивные и интенсивные является необходимость учёта действия поля собств. пространств. заряда электронов пучка. Очевидно, чем больше ток пучка, тем больше пространств. заряда, сильнее расталкивание. С др. стороны, чем больше скорость электронов, тем меньше скажется на характере движения электронов собств. электрич. поле пучка - чем выше энергия электронов, тем "жёстче" пучок. Количественно действие поля пространств. заряда характеризуется коэф. пространственного заряда - п е р в е а н с о м, определяемым как

где I -ток пучка; U -ускоряющее напряжение, определяющее энергию электронов пучка .

Заметное влияние пространств. заряда на движение электронов в пучке начинает проявляться при P>=P* = = 10 -8 А/В 3/2 = 10 -2 мкА/В 3/2 . Поэтому к интенсивным пучкам принято относить Э. п. с Р>P* .

Неинтенсивные пучки (с Р<Р* )малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые по законам геом. электронной оптики без учёта действия поля собств. пространств. заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном в разл. электронно-лучевых приборах .

В интенсивных пучках действие собств. пространств. заряда существенно влияет на характеристики Э. п. Во-первых, интенсивный Э. п. в пространстве, свободном от внеш. электрич. и магн. полей, за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за счёт отрицат. электрич. заряда электронов пучка происходит падение потенциала в пучке. Если с помощью внеш. электрич. или магн. полей ограничить расширение интенсивного пучка, то при достаточно большом токе потенциал внутри пучка может понизиться до нуля, пучок "оборвётся". Поэтому для интенсивных пучков существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении расширения пучка внеш. полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные пучки с P 5 . 10 мкА/В 3/2 .

Полное матем. описание интенсивных Э. п. затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит из множества движущихся электронов, учесть взаимодействие между к-рыми практически невозможно. При введении нек-рых упрощающих предположений, в частности, заменяя сумму сил, действующих на выбранный электрон со стороны соседних электронов, силой действия на этот электрон нек-рой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью пространств. заряда и разбивая весь пучок на совокупность "трубок тока", удаётся с помощью ЭВМ рассчитать с достаточной для практич. целей точностью осн. параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), распределение плотности тока и потенциала по сечению пучка.

Геометрия Э. п . Практически применяются пучки трёх конфигураций: ленточные (плоские), имеющие в поперечном сечении вид прямоугольника с "толщиной", значительно меньшей "ширины", осесимметричные, имеющие в поперечном сечении форму круга, и трубчатые, имеющие в поперечном сечении форму кольца. Для формирования Э. п. таких типов разработаны соответствующие электронные пушки и системы ограничения.

Влияние пространств. заряда неодинаково в пучках разл. конфигурации. Наиб. влияние на характер движения электронов на границе Э. п. имеет составляющая напряжённости электрич. поля, создаваемого пространств. зарядом, направленная перпендикулярно оси осесимметричных пучков и широкой стороне ленточных.

Радиальная составляющая напряжённости электрич. поля на границе осесимметричного пучка прямо пропорциональна току пучка и обратно пропорциональна радиусу его сечения и скорости электронов пучка. Это создаёт силу, направленную от оси, стремящуюся расширить пучок. Расталкивающая сила тем больше, чем больше ток, меньше скорость и радиус пучка. Теоретически в осесимметричных пучках траектории электронов не могут пересечь ось, а сечение пучка нельзя свести в точку, т. к. при уменьшении сечения расталкивающая сила неограниченно возрастает.

Огибающие осесимметричных электронных пучков: g 0 -угол входа пучка в свободное от полей прост ранство; r 0 - начальный радиус; 1 - расходящийся пучок (g 0 >0); 2-цилиндрический пучок (g 0 =0); 3 , 4, 5-сходящиеся пучки (g 0 <0). Пучок 4 - опти мальный, так как кроссовер (наименьшее сечение ) пучка находится на самом удалённом расстоянии (z/l =0,5) от исходной плоскости .

Огибающая интенсивного осесимметричного пучка в пространстве, свободном от электрич. и магн. полей, описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. На рис. показаны огибающие осесимметричных пучков, имеющих до входа в свободное пространство цилиндрическую (кривая 2, g 0 = 0), расходящуюся (кривая 1, g 0 >0) и сходящуюся (кривые 3-4, g 0 <0) формы (g 0 - угол наклона касательной к огибающей пучка, угол входа). Как видно на рис., пучки, первоначально сформированные как цилиндрические (g 0 = 0) и расходящиеся (g 0 >0), в свободном от полей пространстве неограниченно расширяются; пучки, сформированные как сходящиеся, вначале сжимаются (r /r 0 <1), проходят плоскость наименьшего сечения (плоскость кроссовера), затем также начинают расширяться. Радиус мин. сечения пучка - радиус кроссовера-определяется выражением

где r 0 - радиус Э. п. до входа в свободное пространство.

Радиус кроссовера тем меньше, чем меньше первеанс и больше | g 0 |. С ростом (по абс. величине) угла входа пучка в свободное от полей пространство (g 0) плоскость кроссовера сначала удаляется от исходной плоскости, за-

тем начинает приближаться к ней (последовательно кривые 3, 4, 5). Для каждого значения первеанса существует оптимальный "угол влёта" g 0 , при к-ром кроссовер наиб. удалён от исходной плоскости, то есть Э. п. с данным первеансом может быть проведён на наибольшее расстояние с радиусом, не превышающим исходный.

Ленточные интенсивные пучки в свободном от электрич. и магн. полей пространстве также неограниченно расширяются (становятся "толще"), контур огибающей пучка описывается параболич. законом. В отличие от осесимметричного пучка, ленточный пучок при оптимальном входном угле теоретически может быть сведён в линию, т. е. может быть получен линейный фокус. Пучки др. конфигураций в свободном пространстве также неограниченно расширяются; трубчатый Э. п. расширяется несколько меньше, чем сплошной осесимметричный.

Эксперим. проверка полученных расчётных соотношений затруднена, поскольку само понятие границы (огибающей) интенсивного пучка условно, т. к. в реальных пучках плотность тока при удалении от оси осесимметричного или от ср. плоскости ленточного пучков спадает постепенно, и границей пучка условно считается окружность или прямая, вдоль к-рой плотность тока составляет нек-рую малую долю (~0,1) её макс. величины на оси.

Потенциал Э. п . Падение потенциала внутри интенсивного пучка ограничивает возможность формирования протяжённого интенсивного пучка с высоким первеансом. Тео-ретич. исследования показывают, что в интенсивном неограниченном потоке, заполняющем пространство между двумя плоскими параллельными проводящими поверхностями с одинаковым потенциалом, определяющим энергию электронов потока, с увеличением тока в ср. плоскости образуется минимум потенциала. При достижении P= 18,64 мкА/В 3/2 потенциал спадает до нуля, образуется виртуальный катод ,часть электронов проходит через плоскость минимума, часть отражается к исходной плоскости, нормальное токопрохождение нарушается. Эксперим. проверка подтверждает это, именно при приближении P к 18,64 мкА/В 3/2 в потоке возникают неустрйчивости, электронных слоев, прохождение тока нарушается.

В реальных Э. п., ограниченных внеш. электрич. и магн. полями, также происходит падение потенциала, но т. к. в большинстве приборов, где используются интенсивные Э. п., протяжённый пучок пропускается через трубу с положит. потенциалом, на поверхности пучка удаётся поддерживать потенциал, близкий к потенциалу трубы. Но и при наличии проводящей трубы потенциал на оси осесимметричного или в ср. плоскости ленточного пучков заметно понижается, и по достижении достаточно большого первеанса (большего, чем в случае неограниченного потока) возникает неустойчивость, пучок обрывается.

Формирование Э. п . Поскольку Э. п. в свободном пространстве неограниченно расширяется, при практич. использовании интенсивных пучков кроме системы, формирующей пучок,- электронной пушки-необходима система, ограничивающая расхождение пучка. Расширение Э. п. ограничивается с помощью внеш. электрич. и магн. полей. Классич. пример протяжённого интенсивного Э. п.- т. н. п о т о к Б р и л л ю э н а - цилиндрич. пучок, ограниченный продольным однородным магн. полем. При определ. соотношении четырёх величин - нач. радиуса r 0 , тока пучка I , U 0 , определяющего энергию электронов до входа в магн. поле, и магн. индукции продольного однородного магн. поля B 0 - теоретически возможно получить устойчивый цилиндрич. Э. п. При оптимальном соотношении r 0 , I , U 0 и B 0 макс. первеанс бриллюэновского потока достигает 25,4 мкА/В 3/2 . При макс. первеансе потенциал на оси пучка составляет всего 1/3 значения на границе. При ограничении магн. полем трубчатых пучков можно получить ещё большие значения первеанса.

Практически сформировать протяжённые Э. п. с первеансом, близким к теоретически максимально возможному, не удаётся из-за ряда причин: разброса нач. скоростей электронов, эмитированных катодом, трудности создания ограничивающих полей строго заданной конфигурации, практич. невозможностью строго выполнить нач. условия ввода пучка в систему ограничения и др. Реальные Э. п. имеют волнистую и пульсирующую границы, форма пучка не остаётся неизменной. Поэтому для предупреждения оседания электронов пучка на поверхности пролётного канала радиус проводящей трубки, сквозь к-рую пропускается интенсивный пучок, выбирается на 20-30% больше радиуса пучка.

Лит.: Алямовский И. В., Электронные пучки и электронные пушки, M., 1966; Молоковский С. И., Сушков А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, 2 изд., M., 1991.

А. А. Жигарев .