Федеральное агентство по образованию

Кафедра электронные приборы РАСЧЕТ КАТОДНОГО УЗЛА Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Вакуумная и плазменная электроника»

Студент гр.

Проверил

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

(ТУСУР)

Кафедра электронные приборы

Утверждаю

Зав. Кафедрой ЭП

С.М. Шандаров

ЗАДАНИЕ

по курсовому проектированию по дисциплине

«Вакуумная и плазменная электроника»

катод электронный эмиссия

студенту Астапенко Александре Андреевне

группа 357−1

факультет ЭТ

1. Тема проекта: Рассчитать катодный узел .

2. Срок сдачи студентом законченного проекта:1 декабря 2009 года

3. Исходные данные к проекту: _Ток эмиссии 150 мА.

4.Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): _ а) Рассмотреть свойства термокатода; б) Рассчитать катодный узел; в) выбрать и обосновать режим работы; г) сконструировать катодный узел; д) показать и рассчитать способы увеличения тока эмиссии;

е) предполагаемая область применения катода.

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):рисунок катодного узла .

6. Дата выдачи задания: __3 сентября 2009 г

РУКОВОДИТЕЛЬ (подпись)

доцент, ТУСУР, кафедра «Электронные приборы»,

Аксёнов Александр Иванович

Задание принял к исполнению (дата)

1. Катоды электронных устройств

2. Расчет катодного узла

2.1 Расчет идеального катода

2.2 Расчет параметров катода с учетом его охлаждения держателями

2.3 Расчет параметров реального катода

3. Режим работы и конструкция катода

4. Расчет способов увеличения тока эмиссии Заключение Список литературы

Электроннолучевая пушка является одним из основных узлов всех электронных установок, которые широко применяются в промышленности, лабораторной технике, медицине и т. д. В зависимости от типа и конструкции пушки поток электронов может быть сформирован в виде луча круглого сечения, ленты, клина, кольца, иметь различную энергию в выбранном диапазоне, быть стационарным или импульсным. Основным элементом конструкций электроннолучевой пушки является источник электронов — накаленный катод прямого накала или подогревный, т. е. снабженный специальным, изолированным от катода подогревателем. В данной работе производится расчет прямонакального катода из вольфрама. Основные требования к веществам, используемых в качестве источников электронов в накаливаемых катодах:

1. вещество должно обладать достаточно высокой температурой плавления, допускающей его работу при значениях температуры, обеспечивающее необходимую для нормальной работы электроннолучевой пушки плотность тока термоэлектронной эмиссии;

2. вещество должно обладать достаточно высокой температурой кипения и по возможности более низким давлением паров в пределах рабочих значений температуры катода (этим фактом определяются в большинстве случаев длительность и стабильность работы в электроннолучевых пушках многих видов катодов).

3. в пределах температуры катода его вещества должно обладать высокой механической прочностью и достаточно высокой электропроводностью, допускающей отбор тока эмиссии большой плотности и без заметных потерь, вызывающих дополнительный нагрев катода этим током.

1. Катоды электронных устройств Современные термокатоды условно делят на следующие типы: металлические (вольфрамовые, танталовые, ниобиевые и т. д.); металлоподобные (на основе соединений редкоземельных металлов с бором); пленочные (торированный вольфрам, карбидированный торированный вольфрам); полупроводниковые (главным образом, различные варианты оксидного катода), сложные (импрегнированные и спеченные катоды на основе вольфаматов и алюминатов щелочноземельных металлов).

Из чисто металлических катодов наибольшее распространение получил вольфрамовый катод, свойства которого в настоящее время хорошо изучены. Что касается плёночных катодов, то в этой группе широкое применение имеет торированный катод. На основной части такого катода, называемой керном, создаётся одноатомная плёнка тория. В широко используемой на практике разновидности такого катода плёнка тория образуется на вольфрамовом керне, который для увеличения долговечности предварительно науглероживают, т. е. карбидируют. Такой катод называют торированным карбидированным или просто карбидированным. Для группы толстослойных катодов наибольшее практическое значение имеют оксидные катоды, использующие оксиды щелочноземельных металлов бария, стронция и кальция.

Вольфрам обладает высокой температурой плавления и в то же время обеспечивает большую удельную эмиссию при температуре на ниже точки плавления. При этом вольфрам обладает достаточной механической прочностью и относительно малой скоростью испарения. Эти свойства дали возможность использовать вольфрамовый катод еще в начале развития электронной техники. Большая устойчивость эмиссии вольфрамового катода, его способность хорошо работать при не очень больших разрежениях, когда давление остаточных газов достигает мм рт. ст., и высоких ускоряющих напряжениях обуславливает его применение до настоящего времени в мощных электроннолучевых пушках, несмотря на разработку более эффективных катодов.

Катод прямого накала — это металлическая нить или лента, накаливаемая электрическим током. В зависимости от общей конструкции лампы катод может иметь различную форму. При цилиндрической форме анода и сетки катод делается в виде прямолинейной нити, натянутой при помощи держателей. В лампах с плоской конструкцией анодов и сеток катоды изготавливаются Vили W-образной формы (рис. 1.8). В мощных лампах диаметр нити катода может достигать 1−2 мм. В некоторых случаях катод изготавливается не из проволоки круглого сечения, а из плоской ленты. Это увеличивает рабочую поверхность катода и позволяет получить большой ток эмиссии.

Рис. 1.1 Конструкции катодов Катоды прямого накала питаются, как правило, постоянным током. При питании катода переменным током вследствие небольшой массы нити температура его будет изменяться в соответствии с изменениями мгновенных значений тока. При этом количество электронов, излучаемых катодом, не будет оставаться постоянным, и ток в лампе будет пульсировать. Частота пульсаций тока будет в два раза выше частоты тока, нагревающего катод. Например, при токе накала частотой 50 Гц частота пульсаций тока в лампе составит 100 Гц.

Когда лампа работает в схеме выпрямителя переменного тока или имеет катод, выполненный из толстой нити, имеющей большую массу, катоды прямого накала можно питать переменным током.

2. Расчёт катодного узла

2.1 Расчёт идеального катода

Выбираем рабочую температуру для катода. Зная, что рабочая температура катода из вольфрама лежит в пределах от 2500 до 2900 К, то принимаем её равной T=2500 K. Исходя из этого по таблице П3−2 берём все необходимые данные для этой температуры:

с=73.91*10^-6 Ом*см — удельное сопротивление вольфрама;

I₁=1526 A*см^-3/2— ток накала единичного цилиндра;

U₁=0.1436 В*см^-½— напряжение накала единичного цилиндра;

j_e=0.4 В*см^-3— плотность тока эмиссии;

H_e=9*10^-3 А/Втудельная эмиссия с поверхности идеального катода на единицу расходуемой на его нагрев мощности.

Так же задаёмся напряжением накала, при котором катод будет работать. Пусть U_н= 6 В Ток эмиссии I_e=150 мА, учитывая запас, получаем I_e=0.225 А (Все формулы, используемые ниже, взяты из источника [1]).

Зная ток эмиссии и меру накала, определяем требуемую мощность накала из соотношения:

P_н =; P_н =.

Зная величину напряжения накала, определяем величину тока накала из соотношения:

=; =.

Сопротивление катода соответственно равно:

=; =.

Зная величину плотности тока эмиссии, найдем площадь катода :

= см²; = см²

Зная ток накала и ток накала единичного цилиндра найдем диаметр катода:

Найдем длину катода:

= =

Тогда ширину катода вычисляем из соотношения:

;

= .

Толщину катода можно найти из соотношения:

[2]; - площадь сечения катода;

2.2 Расчет параметров термокатода с учетом его охлаждения держателями

Полученные нами результаты расчёта идеального катода требуют введения поправок на охлаждение концов нити вследствие отвода тепла держателями. — разность температур между местом соединения катода с держателем и концами держателей. — диаметр держателей, см. — длина держателей, см.

Величину мы задаем сами: .

Длина держателя рассчитывается по формуле:

где

— параметр, зависящий от диаметра катода -, а — функция от T_к, при Т_к = 2500 К ;

— теплопроводность материала ввода [], для молибдена

Разность температур вычисляется из соотношения:

— значение для см, см, А, зависящие от температуры. При =2500 — ?T₀=68.5.

Температура держателей при комнатной температуре :

;

Рассчитаем потери мощности на охлажденных концах:

где — постоянная Больцмана,

.

2.3 Расчет параметров реального катода

Приближенные значения поправок (для тока эмиссии) определяется из соотношения:

Мощность излучения катода определяется из соотношения:

где — постоянная Больцмана;

— коэффициент излучения для вольфрама, о = 0.2 [5];

Мощность, забираемая электронами, определяется из соотношения:

где — постоянная Больцмана;

Кл — заряд электрона;

Баланс мощностей:

25 Вт? 25.2 Вт

3. Режим работы и конструкция катода

Определяя режим работы катода нужно исходить из того, какой ток эмиссии мы при этом получаем. В данной работе катод должен обеспечивать ток эмиссии равный I_e=0.225 A. Это не существенный ток и по этому рабочий режим для этого катода мы выбираем непрерывный. В случае же если бы он должен был обеспечивать ток эмиссии порядка десятков ампер, то в таком случае режим работы был бы импульсным, так как в непрерывном режиме такие токи получить невозможно.

4. Расчёт способов увеличения тока эмиссии Существует несколько способов увеличения термоэлектронной эмиссии.

1. Влияние внешнего ускоряющего электрического поля.

У поверхности металла существует потенциальный барьер. Наложением внешнего электрического ускоряющего поля можно уменьшить работу выхода металла. Этот эффект носит название эффект Шоттки.

— уравнение Шоттки.

При уменьшении работы выхода значительно увеличивается количество электронов, способных покинуть пределы кристалла.

2. Увеличение температуры катода.

— формула Ричардсона — Дешмана где А, b — константы термоэлектронной эмиссии;

Т_к — температура катода;

Увеличение температуры катода повысит энергию электронов, что способствует более интенсивной эмиссии. Увеличивать температуру можно усилением тока накала или повышением напряжения накала.

Есть еще способы увеличения тока эмиссии. К примеру, изменение геометрических размеров в сторону увеличения площади катода; карбидирование, что влечет за собой возможность увеличения интервалов рабочих температур.

Заключение

В настоящее время источники потока электронов — катоды применяются в различных электроннолучевых установках. Выпускаются установки с мощностью пучка от 1200 кВт для плавки металлов до 1 кВт для размерной прецизионной обработки изделий микроэлектроники с поперечными размерами луча менее 1 мкм.

Рассмотренный в данном курсовом проекте вольфрамовый катод находит широкое применение в установках термической обработки материалов в вакууме, таких как устройства для зонного переплава (очистки), выращивания монокристаллов, легирования полупроводников, сварки, нагрева с целью модифицирования структуры, испарения и для размерной обработки высокоинтенсивным пучком электронов.

Плавильные установки с различными узлами для создания мощного электронного пучка кольцевыми катодами, радиальными электронными излучателями и аксиальными пушками используются для зонного переплава. В них подлежащий плавке металл вводится в вакуумную камеру с давлением порядка 10^-2 — 10^-3 Па, расплавляется электронным потоком и каплями стекает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где кристаллизуемый слиток постепенно вытягивается из камеры. При этом легированные сплавы рафинируются, очищаются от растворенных газов. Обычно изменяется и начальное соотношение примесных элементов: концентрация марганца и хрома снижается, а относительное содержание молибдена, никеля, а иногда и углерода — увеличивается.

Термическое модифицирование поверхностных слоев применяется с целью имплантации примеси в полупроводник, улучшения антикоррозийных свойств, перекристаллизации пленок, увеличения твердости и т. д. Используя заранее нанесенную на поверхность пленку, содержащую атомы легирующей примеси, можно локально легировать полупроводниковые материалы.

Образование локализованного расплава на стыке двух материалов или деталей с последующим его затвердеванием и образованием неразъемного соединения является основой электронно-лучевой сварки. Этот вид сварки в вакууме отличается рядом преимуществ: чистотой процесса, безынерционностью управления сварочным лучом, точным дозированием энергии при использовании в импульсном режиме, возможностью программируемого движения луча и размерной обработки. Это единственный вид сварки, позволяющий осуществить практически все виды сварных швов, при этом в изделиях меньше проявляются термические напряжения и коробление.

Конструкции установок для нанесения пленочных покрытий методом испарения материалов многообразны, их можно различать по способу испарения: с использованием водоохлаждаемого тигля, автотигельные, бестигельные с испарением металла с поверхности свободно висящей капли (капельный анод). Простота управления электронным пучком во времени и пространстве позволяет точно дозировать количество энергии, подводимой к расплаву. Следовательно, прямой нагрев поверхности испаряемого материала таким пучком открывает широкие возможности регулирования скорости испарения и распределения плотности парового потока пространстве перед мишенью.

Для целей микроэлектроники выпускаются электронно-лучевые установки, позволяющие с высокой скоростью испарять участки пленок или поверхностных слоев материалов при формировании топологических рисунков, а также осуществлять сверление отверстий, микросварку деталей и т. п. Общие мощности таких установок невелики, но удельные мощности в сфокусированном пятне превышают 10⁶ — 10⁷ Вт/см². Диаметр пятна в зоне обработки колеблется от долей миллиметра до единиц микрометров.

1. Царёв Б. М., Расчёт и конструирование электронных ламп. — М.: Энергия, 1967. — 671с.;

2. Кацман Ю. А., Электронные лампы. — М.: Высшая школа, 1979. — 301с.;

3. Гапонов В. И., Электроника, том 1. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960. — 516с.;

4. Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника. — М.: Наука,

1966. — 564с.;

5. Пошехонов П. В., Соколовский Э. И., Тепловой расчёт электронных приборов. — М.: Высшая школа, 1977. — 156с.;

6. Башенко В. В., Электроннолучевые установки. — Ленинград: Машиностроение, 1972. — 168с.;

7. Попов В. Ф., Горин Ю. Н., Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высшая школа, 1988 — 255с.