Вакуумна та плазмова електроніка

Ціль викладання дисципліни «Вакуумна і плазмова електроніка» полягає в наданні майбутньому фахівцеві електроніки знань в області будови, принципів дії і основ експлуатації технічних засобів вакуумної та плазмової електроніки, а також сформувати подання про місце електровакуумних і іонних процесів у сучасному виробництві.

Основні завдання дисципліни: вивчення основних закономірностей проходження електричного струму у вакуумі і в іонізованому газі; вивчення способів створення потоку електронів (іонів) і його керування; вивчення улаштування, принципу дії, основних параметрів і характеристик електровакуумних і газорозрядних (іонних) приладів, а також їх застосування.

Із другої половини ХХ століття починається розвиток електронно-променевих і іонно-променевих технологій. Керовані потоки електронів й іонів використовують для одержання інформації про сполуки і властивості речовин (прискорювачі заряджених частинок, просвічування променями Рентгена, електронна та тунельна мікроскопія, масспектрометрія). За допомогою приладів НВЧ реалізовані телекомунікаційні технології, промислові технологічні процеси. Широке застосування набули електровакуумні прилади в медицині (дослідження біологічних об‘єктів, рентгеноскопія, терапія, комп‘ютерна томографія, гамма ножі та прискорювачі заряджених часток, фотометричні та радіометричні прилади і інші). Отримала розвиток космічна геологічна та біологічна розвідка, плазмові двигуни для космічних апаратів, термоемісійні та газодинамічні перетворювачі енергії. Електровакуумні прилади зберігають своє значення у складі радіопередавачів і високочастотних генераторів великої потужності. Газорозрядні та вакуумні прилади є ефективними джерелами світла. Багато видів оптичних квантових генераторів є приладами вакуумної та плазмової електроніки, або використовують їх в своєму складі. Сучасні засоби відображення інформації такі як проекційні кінескопи та проектори, плазмові панелі, квант оскопи, кінескопи з використанням польової емісії також є приладами вакуумної та плазмової електроніки. Важливу роль відіграють і фотоелектронні прилади перетворення та посилення зображень в побуті, промисловості, медицині, науці та військовій техніці.

Якщо застосувати системний підхід, то будь-який прилад вакуумної та плазмової електроніки можна представити як прилад, що складається з окремих загальних систем або елементів.

1. Носій інформаційного сигналу – ансамбль електронів або іонів в залежності від типу приладу.

2. Генератор вільних носіїв зарядів (іонів або електронів). В якості емітерів використовуються як найпростіші катоди, так і складні гармати зі своєю власною електронно- (іонно)оптичною системою, що створюють потоки заряджених часток з необхідними параметрами.

3. Континуальне середовище в якому будуть розповсюджуватися носії інформаційного сигналу (вакуум, розряджений газ, плазма).

4. Пристрої керування потоком носіїв інформаційних сигналів – електронно-оптичні системи, що створюють керуючі поля необхідних конфігурацій.

5. Детектори інформаційних сигналів або пристрої відбору енергії від електронного (іонного) потоку.

Електронними називають прилади, принцип дії яких оснований на фізичних процесах, пов‘язаних з рухом заряджених часток у вакуумі, газі або у твердому тілі.

Вакуумна електроніка – це розділ електроніки, який включає в себе дослідження взаємодії потоку вільних електронів з електромагнітними полями у вакуумі, а також методи створення електронних приладів та пристроїв, в яких ця взаємодія використовується.

Вакуумом називають континуум (середовище) в якому тиск газів менший за атмосферний. Під тиском газу розуміють середній імпульс, що передається молекулам газу одиниці площі балона за одиницю часу. Існує загальна характеристика ступеня вакууму за допомогою тиску, що представлена в табл. 1.

Таблиця 1

Також ступінь вакууму можна якісно визначити за допомогою середньої довжини вільного пробігу атомів газу між зіткненнями та частотою зіткнень. Низьким, середнім та високим ступенем вакууму називають сан газу якщо середня довжина вільного пробігу є меншою, приблизно рівною та більшою, відповідно, за ефективний діаметр балону, в якому знаходиться газ, або частота зіткнень між атомами газу буде більшою, рівною або меншою, відповідно, за частоту їх зіткнень зі стінками балону.

В електровакуумних приладах робоча речовина ізольована від оточуючого середовища газонепроникною оболонкою – балоном. Електричні процеси у цих приладах відбуваються в середовищі розрядженого газу з тиском порядку 10^-3 ¸ 10^{-6 мм. рт. ст. Їх розділяють на такі загальні групи: електронні лампи, електронно-променеві прилади, НВЧ прилади, фотоелектронні прилади та рентгенівські прилади.}

В свою чергу, плазмова електроніка – це розділ електроніки, в якому вивчають процеси колективної взаємодії потоків заряджених часток з плазмою та іонізованим газом, що приводять до збудження в системі хвиль і коливань, а також використання ефектів такої взаємодії для створення приладів та пристроїв електроніки.

Плазмою, за Люнгмюром, називають частково або повністю іонізований газ в якому густини позитивних (іонів) і негативних зарядів (електронів) практично однакові. Під іонізованим газом розуміють газ, в якому значна частина атомів втратили або отримали по одному чи декілька електронів та перетворилися в іони.

У іонних приладах електричні процеси відбуваються в атмосфері інертних газів, водню, ртутних парів і т. д. Ці прилади, як правило, класифікують у відповідності з видом газового розряду, конструкцією та призначенням.