История возникновения вакуумной и плазменной электроники

История возникновения вакуумной и плазменной электроники (ВПЭ). Основные направления развития и применения ВПЭ. Термины и определения

вакуум плазменный термоядерный газоразрядный Вакуумная и плазменная электроника изучает основные закономерности движения заряженных частиц в условиях высокого (Р<10−4-10−5 Па) и низкого вакуума, а также в газовой среде и применение этих закономерностей для проектирования вакуумных и плазменных (в том числе газоразрядных) приборов.

История развития ВПЭ связана с открытием явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов и ионов с электромагниным полем и веществом[1].

Первый в мире электровакуумный прибор сконструировал в 1873 г. русский инженер А. Н. Лодыгин.

Американец Т. А. Эдиссон, обнаруживший термоэлектронную эмиссию (1884 г.), англичанин Джон Флеминг, создавший в 1904 г. вакуумный диод, американский инженер Ли-де-Форест, поместивший в диод дополнительный электрод — сетку (1907 г.), положили начало широким исследованиям в области радиосвязи. Это было одно из первых приложений вакуумной электроники.

Значительный вклад в теорию вакуумной электроники внесли работы О. Ричардсона, Ф. Чайльда, И. Ленгмюра, посвященные термоэлектронной эмиссии проводников.

Раньше других электронных приборов появились рентгеновские трубки (1895 г.). В течение двух десятилетий были известны только ионные трубки с холодным катодом. Изобретение электронно-лучевой трубки (трубка Брауна, начало ХХ века) породило целый класс осциллографических приборов (1911 г., Д.А.Рожанский) и техники телевидения (1925 г. — видикон А. А. Чернышова, 1929;1931гг. — иконоскоп С. И. Катаева, В.К.Зворыкина)[2].

В 30-х годах ХХ века радиотехника столкнулась с серьезным препятствием — невозможностью освоения коротковолновых диапазонов радиоволн (л <3 м) с помощью имеющихся в то время радиоламп. Необходимость продвижения в коротковолновую область была вызвана бурным развитием радионавигации, радиолокации и прочих приложений радиотехники. Начинает создаваться новый класс приборов — приборы сверхвысоких частот (СВЧ). Известная к этому времени электронно-лучевая трубка, использовала электронный луч малой интенсивности. Новый класс приборов требовал новых конструктивных решений. Это касалось, прежде всего, систем формирования интенсивных электронных пучков.

В 1940 г. Дж. Пирс предложил методику расчета электронных пушек, формирующих электронные пучки высокой интенсивности (так называемые «высокопервеансные», первеанс — величина, характеризующая степень интенсивности пучка) с прямолинейными траекториями электронов, наследниками которой являются многие современные теории и математические модели. Мощные вычислительные средства значительно облегчили прикладные расчеты электронных приборов СВЧ[3,4].

Изучению газового разряда положили начало опыты Крукса в 1879 г. Работы в этом направлении привели к созданию первого мощного газоразрядного выпрямительного диода — газоторона (американец А. Хелл, 1905 г.). Первый управляемый газоразрядный прибор — тиратрон — был сконструирован в 1936 г.

Термин «плазма» был введен И. Ленгмюром в 1923 г. при разработке основ теории ионизированного газа. В течение следующих 15 лет целый ряд блестящих ученых внесли свой вклад в изучение этой области физики, среди них Р. Зеелигер, Ф. Пеннинг, Д. Таунсенд, В. Роговский и др[5].

В 1929 г. было сделано предположение об источнике энергии звезд (Ф.Хаутерманс, Р. Аткинсон) — выдвинута идея термоядерного синтеза. В конце 40-х годов ХХ века механизм термоядерного синтеза был реализован в водородной бомбе (США). В СССР во главе «термоядерной» программы стоял талантливый физик и организатор И. В. Курчатов. В 1958 г. работы в этой области были рассекречены и позволили привлечь ученых других стран. Значительный шаг в программе управляемого термоядерного синтеза (УТС) был сделан в СССР после создания серии установок «Токамак» под руководством Л.А.Арцимовича[6]. Соперничая с американским «Стелларатором», «Токамак» стал базовой системой в международной программе по УТС. Наряду с этими направлениями предложены пути решения проблемы УТС, использующие мощные лазерные и релятивистские электронные пучки.

Современное состояние ВПЭ характеризуется широким спектром использования электронных и ионных потоков, а также плазменных формирований в науке, технике и технологии, в быту. Основные направления применения ВПЭ представлены.

Сфера применения практических разработок в области ВПЭ чрезвычайно разнообразна. Уступив позиции твердотельной электронике в отраслях бытовой и промышленной электронной аппаратуры, ВПЭ широко применяется там, где существенными являются её преимущества: радиационная и температурная стойкость, низкий уровень шумов, использование высоких напряжений и токов, нечувствительность к значительным уровням электромагнитных помех и т. д.

Теоретический раздел ВПЭ базируется на основных законах физики, фундаментальных положениях математики (теория поля), квантовой механики и электродинамики.

Особое значение имеют следующие основные принципы:

— взаимосвязь кинетической (mv2/2) и потенциальной (q U) энергии заряженной частицы.

mv22/2 — mv12/2 =q ДU, (В.1).

где m — масса частицы;

v1, v2- скорость частицы в начальной и конечной точках траектории;

q — заряд частицы;

Д U — разность потенциалов между начальной и конечной точками траектории.

В физике часто используют внесистемную единицу энергии «электрон-вольт», равную энергии, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов в 1 В. В системе СИ эта величина равна 1,6 *10−19 Дж, то есть.

1 эВ = 1,6 *10−19 Дж.

Значение энергии в электрон-вольтах численно равно пройденной разности потенциалов, что удобно в практических применениях. При этом, согласно (В.1), для достижения той же скорости энергия иона должна быть во столько раз больше энергии электрона, во сколько раз больше его масса.

— траектория заряженной частицы описывается уравнениями движения.

d2/dt2 = /m, (В.2).

где — вектор перемещения;

= q * [ + [ ]] - сила Лоренца;

— напряженность электрического поля;

— индукция магнитного поля;

— скорость частицы.

В общем случае, являются функциями не только координат и времени (система уравнений Максвелла), но и положения самой заряженной частицы (так как она также создает электрическое и магнитное поле, которое изменяется при её перемещении).

— для ансамбля частиц важна взаимосвязь напряженности поля и плотности пространственного заряда с, которая выражается формулой Остроградского — Гаусса.

ds = с dv, (В.3).

где S — поверхность, охватывающая ансамбль частиц;

V — объем, охватываемый поверхностью S.

— для явлений, происходящих в плазме, одним из основополагающих является понятие квазинейтральности плазмы, основанное на равенстве количеств положительных и отрицательных частиц в рассматриваемом объеме.