Вакуумная и плазменная электроника

Учебное пособие

Рассматриваются физические основы вакуумной и плазменной электроники, включая эмиссию электронов из твердого тела, вопросы электрической изоляции и пробоя в вакууме, основы физики газового разряда и низкотемпературной плазмы, элементарные и кинетические процессы в плазме газового разряда, стационарные и импульсные разряды, а также эмиссионные свойства плазмы. Для аспирантов, обучающихся по направлению 11.06.01, профиль «Вакуумная и плазменная электроника», а также студентов и аспирантов высших учебных заведений электронных, радиотехнических и радиофизических специальностей.

Кафедра физики

Библиографическая запись:

Вакуумная и плазменная электроника: Учебное пособие [Электронный ресурс] / А. С. Климов [и др.]. — Томск: ТУСУР: 2020. — 203 с. — Режим доступа: https://edu.tusur.ru/publications/9520
Год издания: 2020
Количество страниц: 203
Скачиваний: 7
ISBN:   978-5-86889-881-5
УДК:   621.385 (075.8)

Оглавление (содержание)

1 ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ТВЕРДОГО ТЕЛА .................................. 3

1.1 Основные виды эмиссии электронов

из конденсированного вещества ........................................................ 3

1.1.1 Статистические характеристики

свободного электронного газа в металлах .......................................... 5

1.1.2 Эффект Шоттки ........................................................................... 8

1.2 Термоэлектронная эмиссия. Формула

Ричардсона – Дэшмана. Влияние электрического поля

на термоэлектронную эмиссию .......................................................... 9

1.3 Фотоэлектронная эмиссия ........................................................... 15

1.4 Вторичная эмиссия ...................................................................... 18

1.5 Автоэлектронная эмиссия. Формула Фаулера – Нордгейма ......... 25

2 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ И ПРОБОЙ В ВАКУУМЕ .................... 28

2.1 Пробой в вакууме ........................................................................ 28

2.2 Вакуумный разряд ....................................................................... 30

2.3 Практическое применение вакуумного пробоя ........................... 35

3 ФИЗИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ......................................................... 36

3.1 Элементарные и кинетические процессы в плазме

газового разряда ............................................................................... 36

3.1.1 Закон сохранения энергии для элементарных

процессов .......................................................................................... 38

3.1.2 Эффективное сечение столкновений

при элементарных процессах ............................................................ 39

3.1.3 Частота столкновений ................................................................ 42

3.1.4 Средняя длина свободного пробега .......................................... 44

3.1.5 Скорости протекания элементарных процессов

в плазме ............................................................................................ 46

3.1.6 Принцип детального равновесия .............................................. 47

3.1.7 Функция распределения электронов по скоростям

в газоразрядной плазме ................................................................... 49

3.2 Дифференциальное сечение упругих взаимодействий.

Полное сечение. Транспортное сечение. Упругое

взаимодействие электронов с атомами и ионами.

Эффект Рамзауэра ............................................................................ 53

3.3 Кулоновские столкновения. Формула Резерфорда ..................... 58

3.4 Направленное движение электронов и ионов в газе

под действием электрического поля ................................................ 64

3.4.1 Хаотическое движение ионов и электронов ............................ 64

3.4.2 Направленное движение заряженных частиц

под действием электрического поля (дрейф) ................................... 64

3.4.3 Диффузионное движение электронов.

Амбиполярная диффузия ................................................................. 68

3.5 Элементарные процессы, вызывающие ионизацию

и возбуждение. Ионизация при соударении нейтральных

частиц с электронами. Прямая и ступенчатая ионизация

в плазме. Неупругие столкновения тяжелых частиц ....................... 72

3.5.1 Возбуждение атомов электронным ударом ........................... 74

3.5.2 Ионизация атомов электронным ударом ............................... 76

3.5.3 Соударение ионов с атомами ................................................ 80

3.5.4 Ступенчатая ионизация ......................................................... 81

3.5.5 Фотовозбуждение и фотоионизация ..................................... 82

3.5.6 Перезарядка ......................................................................... 83

3.6 Виды процессов рекомбинации электрона и иона.

Образование отрицательных ионов

в низкотемпературной плазме ..................................................... 85

3.6.1 Рекомбинация заряженных частиц ...................................... 87

3.6.2 Радиационная рекомбинация .............................................. 88

3.6.3 Рекомбинация в присутствии третьей частицы .................... 89

3.6.4 Диссоциативная рекомбинация ........................................... 92

3.6.5 Диэлектронная рекомбинация ............................................ 95

4 СТАЦИОНАРНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД ......................................... 97

4.1 Тлеющий разряд ................................................................... 106

4.2 Разряд с полым катодом ...................................................... 113

4.3 Дуговые разряды .................................................................. 116

4.3.1 Типы дуговых разрядов ..................................................... 118

4.3.2 Дуги с подогревным катодом ............................................ 119

4.3.3 Дуги с горячими катодами ................................................. 120

4.4 Искровой разряд .................................................................. 120

5 ОБЩИЕ СВОЙСТВА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ПЛАЗМЫ .................................................................................... 124

5.1 Параметры плазмы .............................................................. 124

5.1.1 Дебаевский радиус ........................................................... 125

5.1.2 Плазменный параметр ...................................................... 129

5.1.3 Плазменная частота .......................................................... 130

5.1.4 Критерии существования плазмы...................................... 133

5.1.5 Классификация видов плазмы .......................................... 134

5.1.6 Упругие столкновения в плазме (дальнодействие,

«транспортное» сечение)........................................................... 137

5.1.7 Время установления равновесных состояний ................... 141

5.1.8 Ионизационное равновесие ............................................. 147

5.1.9 Излучение плазмы ............................................................ 151

5.2 Плазма в магнитном поле ................................................... 156

5.2.1 Движение заряженной частицы в постоянном

и однородном магнитном поле ................................................ 157

5.2.2 Движение заряженной частицы в сильном

медленно меняющемся поле. Дрейфовое приближение .......... 159

5.2.3 Движение заряженной частиц вдоль плоскости

скачка магнитного поля ........................................................... 161

5.3 Характеристики плазмы в магнитном поле ........................ 165

6 ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ .................................. 170

6.1 Общие свойства эмиссии электронов из плазмы ............... 170

6.1.1 Отбор ионов из плазмы .................................................. 170

6.1.2 Процессы, связанные с отбором электронов

из плазмы ................................................................................ 175

6.2 Управление током эмиссии электронов из плазмы ............ 185

6.2.1 Стационарное управление током эмиссии

электронов .............................................................................. 186

6.2.2 Особенности импульсного управления

эмиссией электронов .............................................................. 191

Литература ............................................................................. 198