МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Учебно-методический комплекс по дисциплине
Вакуумная и плазменная электроника
Направление подготовки 210100 Электроника и микроэлектроника
Специальность 210104 Микроэлектроника и твердотельная электроника
Квалификация (степень) Бакалавр, инженер
Форма обучения очная
Составитель: д. х..н., профессор .
Иваново, 2011
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
По дисциплине «ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА».
Дисциплина «ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» входит цикл общепрофессиональных дисциплин направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
Выписка из Государственного образовательного стандарта направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
ОПД. Ф. 07 | Вакуумная и плазменная электроника: электронная эмиссия: основы электронной теории твердого тела, термоэлектронная, автоэлектронная, взрывная, вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссия; электронный поток, его формирование и транспортировка: интенсивные и неинтенсивные, релятивистские и нерелятивистские электронные потоки; способы формирования электронных потоков различной интенсивности (электронные пушки и прожекторы), транспортировка электронного потока и способы ограничения его поперечных размеров; примеры использования в приборах вакуумной электроники; управление электронными потоками: электрические и магнитные способы управления плотностью и скоростью электронов; квазистатические и динамические способы управления; примеры использования в приборах вакуумной электроники; преобразование энергии электронного потока в другие виды энергии: способы, основанные на взаимодействии с внешними электромагнитными полями, энергетический эффект взаимодействия; способы, основанные на взаимодействии с твердыми телами и структурами, эффекты взаимодействия (катодолюминисценция, катодоусиление, рентгеновское излучение, нагрев); примеры использования в приборах вакуумной электроники; ионизованный газ и плазма; элементарные процессы в плазме и на пограничных поверхностях; основные методы генерации плазмы; модели для описания свойств плазмы; типы газовых разрядов; общие свойства плазмы: явления переноса, плазма в магнитном поле, колебания, неустойчивости и эмиссионные свойства плазмы, излучение плазмы, методы ускорения плазменных потоков; диагностика параметров плазмы; применение плазмы в электронике. | 120 |
Р А Б О Ч А Я У Ч Е Б Н А Я П Р О Г Р А М М А
По дисциплине «ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА».
Курс 3 Семестр 6; Экзамен 6 сем, Зачет - 6 сем.
Всего часов по дисциплине: 120
Аудиторные занятия: 60 часов.
Лекции - 30 час.
Лабораторно-практические занятия 30 час.
Самостоятельная работа - 60 час
1. ВВЕДЕНИЕ.
1.1.ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
Изучение физики электронных процессов в вакууме, газах, твердых телах, на границах раздела сред и принципов построения и работы электронных приборов различного назначения.
1.2.ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.
Изучение физических основ работы вакуумных и газоразрядных приборов, методов анализа электронных процессов в приборах и расчета их параметров и характеристик. Выявление связей между принципами работы, параметрами приборов и свойствами материалов, технологическими процессами.
1.3.ТРЕБОВАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Выпускник должен: иметь представление:
- о многообразии различных классов электронных приборов;
- о номенклатуре серийно выпускаемых приборов;
- об областях применения вакуумных и газоразрядных приборов;
знать и уметь использовать:
- физическую сущность процессов, протекающих в твердых телах, газах и вакууме;
- физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия вакуумных и газоразрядных приборов;
- физические принципы работы, возможности, технические характеристики и параметры вакуумных и газоразрядных приборов;
иметь навыки (опыт):
- использования стандартной терминологии, определений, обозначений и единиц физических величин в электронике;
- измерения характеристик и параметров, работы с вакуумными и газоразрядными приборами;
1.4. Распределение часов по темам и видам учебной работы
№ п/п | Модуль дисциплины | Лекции | Практические занятия | Лабораторные занятия | Самост. работа |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
1 | Электроны в металлах и полупроводниках. Эмиссионная электроника. | 6 | 3 | 6 | 20 |
2 | Движение электронов в электрических и магнитных полях. Электровакуумные приборы. | 12 | 3 | 9 | 20 |
3 | Элементы газоразрядной электроники. Газоразрядные приборы. | 12 | 3 | 6 | 20 |
ИТОГО: | 30 | 9 | 21 | 60 |
2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (Учебные модули)
2.1.Модуль 1.
Электроны в металлах и полупроводниках. Эмиссионная электроника.
2.1.1.Лекционный материал: 6 часов.
Электрон и его свойства. Электроны в металлах.
Термоэлектронная эмиссия металлов. Вывод и анализ уравнения Ричардсона-Дэшмана. Простые металлические термокатоды. Влияние адсорбции атомов и молекул на работу выхода электронов из металла. Пленочные термокатоды. Эффект Шоттки. Эмиссия с поверхности полупроводников. Оксидный катод.
Фотоэлектронная эмиссия. Основные закономерности, сложные фотокатоды. Фотоэлектронные приборы. Вторичная электронная эмиссия и её применение в приборах. Фотоэлектронные и вторичные электронные умножители. Автоэлектронная эмиссия.
2.1.2. Лабораторные занятия: 6 часов.
-определение эмиссионных постоянных вольфрамового термокатода;
-исследование характеристик и определение спектральной чувствительности вакуумного фотоэлемента, ФЭУ;
-исследование закономерностей вторичной электронной эмиссии в ФЭУ.
2.1.3.Практические занятия: 3 часа.
- выбор материалов, расчеты эмиссионных характеристик, анализ и сравнение эффективности различных типов термокатодов;
- анализ параметров и эффективности, выбор типов фотокатодов.
- анализ параметров и эффективности, выбор типов и материала вторичных электронных эмиттеров. Расчет ФЭУ;
2.1.4. Самостоятельная работа: 20 часов. Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.
2.2. МОДУЛЬ 2. Движение электронов в электрических и магнитных полях.
Электровакуумные приборы.
2.2.1. Лекционный материал. 12 часов.
Электронная оптика - основные понятия, сходство и различия световой и электронной оптик. Электронные линзы. Движение электронов в магнитных полях. Магнитные линзы.
Электронно-оптические системы и принципы их построения. Особенности формирования интенсивных пучков. Ионно-оптические системы. Отклонение электронов в электрических и магнитных полях. Отклоняющие системы. Принципы построения и работы электронно-лучевых приборов.
Движение электронов в режиме объемного заряда. Вывод уравнения "трех вторых". Вольт-амперная характеристика вакуумного диода. Физические основы работы вакуумных триодов, тетродов, пентодов. Особенности движения электронов в СВЧ-полях. Наведённые токи. Физические основы работы клистронов, ламп бегущей волны, магнетронов.
2.2.2. Лабораторные занятия: 9 часов.
-исследование осциллографической электроннолучевой трубки и кинескопа ;
-изучение параметров и характеристик приемно-усилительных ламп (диоды, триоды, тетроды, пентоды);
-исследование характеристик клистрона и СВЧ-тракта.
2.2.3. Практические занятия: 3 часа.
- анализ работы и расчеты электрических и магнитных линз;
- анализ работы и расчеты электронно-оптических систем;
- анализ работы и расчет отклоняющих систем;
- анализ движения электронов в режиме объемного заряда. Расчеты ВАХ вакуумных приборов;
- анализ особенностей движения электронов в СВЧ полях и СВЧ приборов.
2.2.4. Самостоятельная работа: 20 часов. Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.
2.3. МОДУЛЬ 3. Элементы газоразрядной электроники. Газоразрядные приборы.
2.3.1. Лекционный материал: 12 часов.
Движение электронов в газах. Столкновения. Элементарные процессы при столкновениях электронов с атомами и молекулами. Несамостоятельный разряд и его применение в приборах. Пробой разрядного промежутка. Закон Пашина.
Тлеющий разряд. Феноменологическое описание. Теория катодных областей разряда. Приборы тлеющего разряда. Физические основы дугового и искрового разряда. ВЧ и СВЧ разряды. Коронный разряд. Применение разрядов.
Плазма - основные понятия. Параметры плазмы и их определение. Диффузионная теория плазмы. Особенности теории плазмы низкого и высокого давлений. Излучение плазмы и его применение в приборах. Газоразрядные индикаторные панели.
2.3.2. Лабораторные занятия : 6 часов.
-характеристики и параметры стабилитронов и тиратронов;
-измерение параметров плазмы;
-пробой разрядного промежутка;
-исследование излучения плазмы;
2.3.3. Практические занятия: 3 часа.
- анализ процессов при столкновениях электронов с атомами и молекулами газа. Расчет кинетических коэффициентов;
- анализ и расчеты приборов несамостоятельного разряда и условий пробоя разрядного промежутка;
- анализ и расчеты физических процессов в тлеющем и дуговом разрядах и приборов на их основе;
- расчеты параметров неравновесной низкотемпературной плазмы;
2.3.4. Самостоятельная работа: 20 часов Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.
3. ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ:
3.1. Коллоквиумы по блокам лабораторных модулей, всего 2 коллоквиума.
3.2. Контрольные работы - письменные экзамены или тестирование по блокам модулей, всего 2.
3.3. Одна расчетно-аналитическая работа по материалу одного или нескольких модулей в рамках самостоятельной работы, объем выполнения - 12 часов.
4. Темы практических занятий.
Тематика практических занятий соответствует названиям модулей дисциплины, основные вопросы, выносимые на практические занятия, приведены в рабочей программе дисциплины.
5. Комплект заданий и задач для практических занятий
При проведении практических занятий используются задания и задачи из пособий [2,6]
6. Лабораторный практикум
Перечень лабораторных работ по каждому модулю курса приведен в рабочей программе и в лабораторном практикуме [4].
7.Учебно-методическое обеспечение
7.1. ЛИТЕРАТУРА
Основная литература:
1. Светцов, В. И., Холодков,, электроника и электронные приборы .— Иваново, 2008 .— 494 с. |
2. Терехов, по электронным приборам .— СПб.: Лань, 2003 .— 278с. |
3. Светцов и плазменная электроника .— Иваново, 2003 .— 171с. |
4. Сушков электроника: Физико-технические основыСПб.: Лань, 2с |
5. Светцов, В. И., Рыбкин, В. В., Титов, В. А. и др. Физическая электроника и электронные приборы. Лабораторный практикум. Иваново, 2001.— 234 с. |
Дополнительная литература:
1. Протасова, Ю. С., Чувашев, плазменной электроники .— М.: Изд-во МГТУ им. , 2006 .— 632 с. |
2. Антипов, электронной техники:Задачи и вопросы .— СПб.: Лань, 2001 .— 208 с. |
3. Гусев, В. Г., Гусев, .— М.: Высш. шк., 1982 .— 496 с. |
7.2. Материально-техническое и информационное обеспечение дисциплины
Перечень лабораторного оборудования и оргтехники, используемых при проведении лабораторного практикума
При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium), а так же стенды и установки для исследования
- характеристик вакуумного диода и определения эмиссионных постоянных термокатода |
- характеристик и определения параметров приемно-усилительных ламп |
- электронно-лучевой трубки и электронного осциллографа |
- характеристик СВЧ-трактов |
- характеристик и определения спектральной чувствительности вакуумных фотоэлектронных приборов |
- вторичной электронной эмиссии динодов ФЭУ |
- электрических свойств и цветовых характеристик кинескопов |
- газоразрядного стабилизатора напряжения |
- напряжения пробоя разрядного промежутка и напряжения горения тлеющего разряда |
- плазмы зондовым методом |
- излучения газоразрядной плазмы |
Перечень оборудования на каждой установке приводится в описаниях к лабораторным работам [4].
Информационное обеспечение дисциплины
Информационное обеспечение дисциплины включает в себя типовые программные средства, доступ студентов к сети Интернет из дисплейного класса.
Специализированное программное обеспечение состоит из расчетных программ, перечень которых приведен ниже, обучающее - контролирующих материалов (тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю; текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки) и базы данных по вакуумным и газоразрядным приборам.
Перечень расчетных программ:
-распределение электронов в металлах;
-эмиссионные характеристики термокатодов;
-расчет отклоняющих и электронно-оптических систем;
-характеристики вакуумного диода;
-кинетика элементарных процессов в газовых разрядах.
- обработка экспериментальных данных, полученных при выполнении лабораторных работ;
Обеспеченность учебной литературой
Основная литература
№ | Описание | Число экземпляров | Число студентов | ККО |
1 | Светцов, В. И., Холодков,, электроника и электронные приборы .— Иваново, 2008 .— 494 с. (150) | 150 | — | — |
2 | Терехов, по электронным приборам .— СПб.: Лань, 2003 .— 278с. (40) | 40 | — | — |
3 | Светцов Вакуумная и плазменная электроника .— Иваново, 2003 .— 171с. (50) | 50 | — | — |
4 | Сушков Вакуумная электроника : Физико-технические основы .— СПб. [и др.]: Лань, 2004 .— 462 с (15) | 15 | — | — |
5 | Светцов, В. И., Рыбкин, В. В., Титов, В. А. и др. Физическая электроника и электронные приборы. Лабораторный практикум. Иваново, 2001.— 234 с. (56) | 56 |
Дополнительная литература
№ | Описание | Число экземпляров | Число студентов | ККО |
1 | Протасова, Ю. С., Чувашев, плазменной электроники .— М.: Изд-во МГТУ им. , 2006 .— 632 с. (1) | 1 | — | — |
2 | Антипов, электронной техники:Задачи и вопросы .— СПб.: Лань, 2001 .— 208 с. (39) | 39 | — | — |
3 | Гусев, В. Г., Гусев, .— М.: Высш. шк., 1982 .— 496 с. (27) | 27 | — | — |
7.3.Методические указания студентам
Эффективное освоение дисциплины требует базовых знаний по циклам естественно-научных и общепрофессиональных дисциплин. При изучении дисциплины студентам рекомендуется использовать не только литературу, приведенную в списке основной, но и материалы, представленные на сайтах в Интернете, периодическую литературу, материалы Российских и международных конференций по данной тематике.
7.4. методические указания преподавателям
Практические занятия по дисциплине и программа их проведения
Цель практических занятий – закрепление теоретического материала и выработка у студентов умения решать задачи по практическим аспектам учебной дисциплины.
В соответствии с рабочей программой на практические занятия отводится 9 часов – по 3 часа на каждый модуль дисциплины. На первом занятии преподаватель доводит до студентов порядок и график проведения занятий, максимальное количество баллов, которое может набрать студент по каждому модулю в соответствии с принятой в университете рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок
Практические занятия по дисциплине строятся следующим образом:
1. Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
2. Беглый опрос.
3. Решение 1-2 типовых задач у доски. (1 час на п. п. 1 – 3).
4. Самостоятельное решение задач. (1 час).
5. Разбор типовых ошибок при решении, объявление оценок по модулю (1 час).
Задания и задачи для самостоятельного решения на практическом занятии могут быть дифференцированы по степени сложности. При этом можно использовать два пути:
1. Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
2. Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной задачи.
По результатам самостоятельного решения задач следует выставлять по каждому занятию оценку. Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию может быть сделана путем экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в течение 5, максимум - 10 минут. Таким образом, на каждом занятии каждому студенту выставляются по крайней мере две оценки.
Лабораторные занятия по дисциплине и порядок их проведения
Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным планом, составляемым на каждый учебный год. По дисциплине "Вакуумная и плазменная электроника" объем лабораторного практикума составляет 21 час и студенты выполняют 4 - 6 лабораторных работ в зависимости от их сложностиработы по каждому модулю). Описания всех возможных лабораторных работ приведены в лабораторном практикуме [4]. Каждая лабораторная работа выполняется, как правило, индивидуально. Допускается выполнение отдельных лабораторных работ бригадами в составе не более двух студентов.
На первом, вводном занятии до студентов доводится содержание и календарный план проведения практикума, Указывается число баллов, которое может набрать студент при выполнении лабораторного практикума в соответствии с действующей в вузе рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок, проводится инструктаж по технике безопасности при выполнении работ с оформлением в соответствующем журнале. На этом же занятии преподаватель выдает задания по лабораторным работам первого модуля.
Лабораторные работы выполняются в соответствии с модулями, указанными в рабочей программе. По завершении каждого модуля проводится итоговое занятие, на котором обсуждаются результаты его выполнения и выдаются задания по работам следующего модуля. Итоговое занятие по последнему модулю завершает лабораторный практикум в целом.
Перед каждой лабораторной работой студент сдаёт краткий коллоквиум, отражающий уровень предварительной подготовки к выполнению работы. Коллоквиум проводится в виде устного собеседования с преподавателем или путем тестирования на ПЭВМ.
В процессе выполнения работы студент
а) изучает по литературным данным параметры и характеристики исследуемого прибора или макета, обращая особое внимание на предельно эксплуатационные параметры;
б) составляет план проведения эксперимента, оценивает интервал изменения измеряемых величин, выбирает количество характеристик, подлежащих измерению и число точек на кривых, обращая особое внимание на возможные немонотонности в их ходе, согласует план работы с преподавателем;
в) изучает экспериментальную установку, собирает (если нужно) измерительную схему, знакомится с правилами эксплуатации всех её элементов и электрорадиоизмерительных приборов;
г) готовит установку к работе и проверяет правильность подготовки у преподавателя или дежурного инженера;
д) включает нужные приборы и выполняет запланированный объем измерений, обращая внимание на воспроизводимость результатов. Все экспериментальные данные и показания приборов заносятся в рабочий журнал без каких-либо пересчетов или преобразований в уме;
е) проводит предварительную обработку результатов эксперимента и сравнивает их с ожидаемыми. Предъявляет полученные данные преподавателю или дежурному инженеру;
ж) выключает установку и сдает ее дежурному инженеру.
Все данные, полученные в ходе работы, записываются в рабочий лабораторный журнал. Рабочий журнал по лабораторному практикуму ведется в отдельной тетради. По каждой лабораторной работе в журнал заносятся:
- название работы;
- задание на выполнение работы;
- план работы;
- схема установки;
- первичные экспериментальные данные в виде таблиц без каких-либо пересчетов или преобразований;
- результаты предварительной обработки данных в объеме, необходимом для определения их полноты и надежности.
По окончании работы лабораторный журнал подписывается преподавателем.
По итогам каждой лабораторной работы оформляется отчет, который сдается преподавателю на следующем после выполнения данной работы занятии.
Отчет должен включать:
- краткое теоретическое введение, отражающее устройство, принцип действия и назначение исследуемого прибора;
- задание на выполнение работы;
- план проведения эксперимента;
- схему установки и ее краткое описание;
- результаты и их обсуждение, в том числе анализ погрешности эксперимента, методику обработки результатов,
-теоретические расчеты, анализ полученных данных и сравнение их с литературными;
-выводы;
- список использованной литературы.
По итогам каждой лабораторной работы преподаватель выставляет оценку, учитывающую предварительную подготовку, объем и качество экспериментальной части работы, глубину обсуждения результатов и качество отчета.
"Удовлетворительно" выставляется при выполнении работы по стандартной схеме и удовлетворительном знании основных закономерностей изучаемого явления.
"Хорошо" выставляется при наличии творческого, тщательно продуманного плана работы, качественного выполнения экспериментальной части, детального анализа полученных результатов и хороших знаний изучаемого вопроса.
"Отлично" требует нестандартного подхода к выполнению работы, включения в нее элементов исследования, машинной обработки результатов.
4. Материалы, устанавливающие содержание и порядок проведения промежуточных и итоговых аттестаций
4.1. График текущего и промежуточного контроля
ГРАФИК ПРОХОЖДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ |
| ||||||||
Вакуумная и плазменная электроника |
| ||||||||
Модуль 1 | Модуль 2 |
| |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ | Практическое занятие | Лабораторно-практическое занятие | Лабораторно-практическое занятие | Контрольная работа №1 | Лабораторно-практическое занятие | Практическое занятие | Контрольная работа №2, ЗАЧЕТ |
|
Порядок оценки работы студентов по дисциплинам
Семестровая работа оценивается накопительно (с последующим приведением к 50 баллам).
Лабораторная работа (общий балл – 15): Отчёт 10
Защита 5
Контрольная работа (общий балл – 25): Тестирование 10
Решение 2-х задач 10
Теоретический вопрос 5
Самостоятельная расчетная работа – 5
Итого: | Вакуумная и плазменная | |
количество | балл | |
Лабораторные | 3 | 45 |
Контрольная работа | 2 | 50 |
Индивидуальное задание | 1 | 5 |
Итого | 100 |
Студент также может получить дополнительные баллы
§ за самостоятельную работу (решение домашних задач),
§ за работу на практических занятиях,
§ досрочное предоставление отчёта, самостоятельность, проявленную при его оформлении.
4.2. Комплект заданий для самостоятельной работы, тематика рефератов по дисциплине
Самостоятельная работа по дисциплине организуется следующим образом:
· выполнение домашних расчетных или расчетно-аналитических заданий, приведенных в учебных пособиях или выдаваемых преподавателем индивидуально. Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в перечисленных ниже учебных пособиях:
1. . Вакуумная и газоразрядная электроника. Иваново, изд. ИГХТУ, 2003 г.
2. . Оптическая и квантовая электроника. Минск, 2000 г., 112 с., изд. ИГХТУ. 2002 г., 112 с.
3. , , . Твердотельная электроника. Иваново, Изд. ИГХТУ, 2004 г., 196 с.
4. и др. Сборник вопросов по курсу "Электронные приборы":Учеб. пособие для вузов/ ,, И.Ф. Некрасова;.-М.:Энергия,1972.-296 с.
5. Германюк задач по электровакуумным полупроводниковым приборам: Учеб. пособие. - 2-е изд., доп. -М.: Высш. шк., 19с.
6. . Задачник по электронным приборам. Учебное пособие. СПб, Лань, 2003, 278 с.
- Поиск данных в Интернет для пополнения имеющейся на кафедре базы. Преподаватель указывает тип прибора и перечень необходимых сведений о приборе. Написание реферата. Примерная тематика рефератов приведена ниже. При подготовке реферата рекомендуется использовать современную периодическую литературу и специализированные сайты Интернет.
Примерная тематика рефератов:
- вакуумная микроэлектроника;
- история и современное состояние СВЧ вакуумной электроники;
- плоские экраны на основе автоэлектронной эмиссии;
- приемно-усилительные лампы – история и современное состояние;
- современные кинескопы в сравнении с другими средствами отображения информации;
- газоразрядные источники света – современное состояние и перспективы развития;
- ВЧ разряды и их применение в технике;
- СВЧ разряды и их применение в технике;
- применение дуговых разрядов;
- области применения тлеющих разрядов в приборах и в технологии.
4.3. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 300 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью специальной программы. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Пример контрольного теста приведен ниже.
Вариант теста для программированного контроля знаний студентов
Модули 1,2. Вакуумная электроника
При движении электрона в магнитном поле:
1. траектория движения не изменяется
2. траектория движения изменяется
3. энергия электрона изменяется
Волновые свойства электрона проявляются, если его движение ограничено областью пространства, линейные размеры которого по отношению к длине волны Де-Бройля электрона
1. много меньше
2. соизмеримы
3. много больше
Для нахождения энергии уровня Ферми в металле необходимо знать:
1. концентрацию электронов в металле
2. работу выхода электронов из металла
3. среднюю энергию электронов в металле
С увеличением работы выхода электронов из металла плотность термоэлектронного тока:
1. линейно возрастает
2. увеличивается экспоненциально
3. уменьшается
Фотоэлектронная эмиссия - это испускание электронов под действием
1. нагревания
2. электрического поля
3. электромагнитного излучения
Типичная спектральная характеристика фотокатода имеет вид
1. монотонно растущей кривой
2. монотонно убывающей кривой
3. кривой с максимумом
Глубина проникновения первичных электронов в металл пропорциональна их энергии
1. в степени 1/2
2. в степени 3/2
3. в степени 2
Автоэлектронная эмиссия – это испускание электронов твердым телом под действием
1. электромагнитного излучения
2. нагревания
3. внешнего электрического поля
Основным условием существования объемного заряда в вакуумном диоде является
1. превышение тока эмиссии над анодным током
2. равенcтво тока эмиссии и анодного тока
3. превышение анодного тока над эмиссионным
Рабочим режимом вакуумного диода является
1. режим насыщения
2. режим объемного заряда
3. любой участок ВАХ диода
Сетка в триоде служит для
1. снижения анодного напряжения
2. управления анодным током
3. управления плотностью объемного заряда
Коэффициент усиления триода – это частная производная
1. анодного тока по анодному напряжению
2. анодного напряжения по анодному току
3. анодного напряжения по сеточному напряжению
Динатронный эффект проявляется
1. только в диодах
2. только в триодах
3. только в тетродах
В однородном магнитном поле траекторией электрона является
1. спираль
2. парабола
3. гипербола
Чувствительность электростатической отклоняющей системы
1. растет с ростом длины отклоняющих пластин
2. растет с уменьшением длины отклоняющих пластин
3. не зависит от длины отклоняющих пластин
В кинескопе используется
1. электростатическая фокусировка
2. электростатическое отклонение луча
3. магнитная фокусировка
Осциллографические трубки относятся к ЭЛТ типа
1. передающих
2. приемных
3. запоминающих
Напряженность однородного электрического поля между двумя параллельными пластинами
1. уменьшается от катода к аноду
2. увеличивается от катода к аноду
3. неизменна
На участке насыщения ВАХ вакуумного диода анодный ток
1. постоянен
2. растет из-за проявления эффекта Шоттки
3. растет из-за проявления туннельного эффекта
Вторичная электронная эмиссия – это испускание электронов под действием
1. нагревания
2. электронной бомбардировки
3. внешнего электрического поля
Модуль 3. Плазменная электроника
При упругих столкновениях с атомами или молекулами газа электроны
1. теряют часть энергии пропорционально отношению масс
2. не обмениваются энергией
3. приобретают часть энергии пропорционально отношению масс
Состояние вещества в виде низкотемпературной плазмы реализуется в
1. положительном столбе тлеющего разряда
2. катодных областях тлеющего и дугового разряда
3. искровом разряде
При неупругих столкновениях второго рода с атомами и молекулами газа электроны
1. теряют большую часть энергии
2. теряют малую часть энергии
3. приобретают энергию
Электронное возбуждение атомов и молекул газа при электронном ударе –это процесс столкновения
1. упругий
2. неупругий первого рода
3. неупругий второго рода
Зависимость сечения возбуждения атомов и молекул при электронном ударе от энергии электронов имеет вид
1. экспоненциально возрастающей кривой
2. кривой с максимумом
3. кривой с минимумом
В условиях неравномерного распределения электрического поля в разрядном промежутке, когда радиус кривизны одного электрода существенно отличается от другого, наиболее вероятно возникновение разряда
1. тлеющего
2. высокочастотного
3. коронного
Прерывистый характер присущ разряду
1. дуговому
2. искровому
3. тлеющему
Поддержание самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока обеспечивается
1. термоэлектронной эмиссией
2. вторичной электрон-ионной эмиссией
3. фотоэлектронной эмиссией
Для неравновесной газоразрядной плазмы низкого давления характерное соотношение энергии частиц газа (Ег), ионов (Еи) и электронов (Ее) имеет вид
1. Ее = Еи = Ег
2. Ее >> Еи > Ег
3. Еи > Ее > Ег
Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы преимущественно применяются для исследования характеристик
1. дугового и высокочастотного разрядов высокого давления
2. искровых разрядов
3. тлеющего разряда низкого давления
Образование заряженных частиц в объеме самостоятельного тлеющего разряда происходит в основном за счет:
1. термической ионизации
2. ионизации при прямом электронном ударе
3. фотоионизации
Зависимость потенциала зажигания разряда от давления (кривая Пашена) имеет вид:
1. монотонно растущей кривой
2. монотонно убывающей кривой
3. кривой с минимумом
В газовых стабилитронах используется участок вольт-амперной характеристики, соответствующий
1. аномальному тлеющему разряду
2. нормальному тлеющему разряду
3. дуговому разряду
Закономерности развития какого разряда позволяет описать понятие стриммера
1. дугового
2. тлеющего
3. искрового
Зондовые методы исследования плазмы позволяют определить
1. среднюю энергию электронов
2. концентрацию атомов в возбужденном состоянии
3. температуру нейтральной компоненты плазмы
Скорость дрейфа электронов – это скорость:
1. теплового хаотического движения
2. скорость движения электронов на внешней орбите атома или молекулы
3. скорость направленного движения вдоль силовых линий поля
Принцип Франка-Кондона заключается в:
1. постоянстве межъядерного расстояния при переходе молекулы из основного в электронно-возбужденное состояние
2. постоянстве плотности тока в области нормального тлеющего разряда
3. уменьшении коэффициента диффузии положительных ионов в тлеющем разряде низкого давления
Ртуть в люминесцентных лампах используется:
1. для облегчения зажигания разряда
2. для создания инверсной заселенности в атомах неона
3. как источник УФ излучения
4.4. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ по дисциплине
ВАКУУМНАЯ И ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.
1. Как определить, нужно ли учитывать волновые свойства электронов в конкретной ситуации. Покажите ход решения такой задачи.
2. Как выбрать металл, с которого можно получить максимальный ток термоэлектронной эмиссии. Покажите ход решения такой задачи.
3. Почему и при каких условиях адсорбция электроположительных атомов на поверхности металла приводит к уменьшению работы выхода.
4. Укажите достоинства и недостатки вольфрамового термокатода.
5. В чем особенности термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников.
6. Сформулируйте пути обеспечения необходимой долговечности пленочных термокатодов. Ответ проиллюстрируйте примерами.
7. Нарисуйте зонную структуру оксидного катода и опишите физику его работы.
8. Почему металлы не используются на практике в качестве фотоэлектронных эмиттеров.
9. Нарисуйте зонную структуру сурьмяно-цезиевого фотокатода и опишите физику его работы.
10. Сформулируйте основные закономерности вторичной электронной эмиссии.
11. Нарисуйте схему и опишите физику работы фотоэлектронных умножителей.
12. В чем суть эффекта, лежащего в основе автоэлектронной эмиссии. Ответ проиллюстрируйте рисунком.
13. На каких объектах и при каких условиях можно получить эффективно работающий матричный автоэлектронный эмиттер.
14. Как образуется объемный заряд и каковы особенности движения электронов в режиме объемного заряда. Ответ проиллюстрируйте графиками распределения потенциала в междуэлектродном пространстве.
15. Нарисуйте ВАХ вакуумного диода и опишите ее.
16. Рассмотрите принцип усиления электромагнитных колебаний в вакуумном триоде. Ответ проиллюстрируйте графиком анодно-сеточной характеристики вакуумного триода.
17. Какую роль играет экранирующая сетка в вакуумном тетроде и как она влияет на параметры прибора.
18. В чем суть динатронного эффекта и как его можно устранить. Ответ проиллюстрируйте графиком распределения потенциала в лучевом тетроде.
19. Какова роль защитной сетки в пентоде и как ее наличие влияет на параметры прибора. Ответ проиллюстрируйте графиком распределения потенциала в пентоде.
20. В чем заключается сходство и каковы различия электронной и геометрической оптик.
21. Рассмотрите особенности фокусирующего действия диафрагмы.
22. Нарисуйте схему и опишите работу иммерсионной линзы.
23. Нарисуйте схему и опишите работу одиночной линзы.
24. Нарисуйте схему и опишите работу катодной линзы.
25. Какие функции выполняет модулятор в катодной линзе. Ответ проиллюстрируйте графиком модуляционной характеристики.
26. Нарисуйте схему и опишите работу длинной магнитной линзы.
27. Каковы особенности фокусировки электронов в длинной магнитной линзе и где она применяется.
28. Каковы особенности фокусировки электронов в короткой магнитной линзе и где она применяется.
29. Какие требования предъявляются к электронному пучку в электроннолучевых приборах.
30. Почему с помощью одной линзы нельзя обеспечить требуемое для приборов качество электронного пучка.
31. Нарисуйте схему и рассмотрите принцип работы тетродной электронно-оптической системы.
32. Сравните свойства и параметры электростатических и магнитных линз.
33. Нарисуйте схему и опишите работу электростатической системы отклонения электронных пучков.
34. Сформулируйте основные особенности электростатического отклонения электронных пучков и укажите области их применения.
35. Нарисуйте схему и опишите работу системы магнитного отклонения электронных пучков.
36. Сформулируйте основные особенности магнитного отклонения электронных пучков и укажите области их применения.
37. Сравните свойства и параметры электростатических и магнитных отклоняющих систем.
38. Каковы принципы работы осциллографических электронно-лучевых трубок.
39. Кратко опишите принципы работы черно-белых кинескопов.
40. Кратко опишите принципы работы цветных кинескопов.
41. Укажите типы цветоделительных масок и особенности их работы.
42. Укажите основные элементы передающей электронно-лучевой трубки и их назначение.
43. Укажите основные элементы электронно-оптического преобразователя и их назначение.
44. Рассмотрите области применения электронно-оптических преобразователей.
45. Почему обычные электровакуумные приборы не могут работать в диапазоне сверхвысоких частот.
46. Нарисуйте схему и опишите работу двухрезонаторного клистрона.
47. Нарисуйте схему и опишите работу однорезонаторного клистрона.
48. Как работает замедляющая система в СВЧ приборах.
49. Нарисуйте схему и опишите работу ламп бегущей и обратной волны.
50. Рассмотрите физические основы работы магнетронов в статическом режиме.
51. Проанализируйте траектории движения электронов в ускоряющем и замедляющем СВЧ полях.
52. Какие параметры имеет многорезонаторный магнетрон и где он используется.
53. Назовите типы столкновений электронов с атомами и молекулами газа, укажите их количественные характеристики.
54. Что такое сечение столкновений и как оно связано с коэффициентом скорости двухчастичного процесса.
55. Что такое таунсендовский коэффициент и как он связан с коэффициентом скорости двухчастичного процесса
56. Нарисуйте функцию возбуждения атомов или молекул при электронном ударе и объясните ее ход.
57. Каковы особенности спонтанного и резонансного излучения.
58. Что такое метастабильное состояние, чем определяется время его жизни.
59. Нарисуйте функцию ионизации атомов или молекул при электронном ударе и объясните ее ход.
60. Приведите примеры ступенчатой ионизации и укажите условия ее возникновения.
61. Рассмотрите процесс диссоциации молекул при возбуждении электронных состояний при электронном ударе.
62. Приведите примеры процессов образования отрицательных ионов при электронном ударе и укажите условия их протекания.
61. Рассмотрите на конкретных примерах процесс диссоциативного прилипания электронов к молекулам.
62. Рассмотрите процесс электрон-ионной рекомбинации, запишите его кинетическое уравнение.
63. Рассмотрите процесс ион-ионной рекомбинации, запишите его кинетическое уравнение.
64. Каковы основные механизмы рекомбинации нейтральных частиц в условиях разряда.
65. Приведите примеры ионно-молекулярных реакций и сформулируйте условия их протекания.
66. Сформулируйте особенности диффузии заряженных частиц в условиях разряда.
67. Что такое несамостоятельный разряд и как он возникает.
68. Укажите, от каких факторов зависит ток в несамостоятельном разряде.
69. Сформулируйте условие перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный.
70. Нарисуйте кривую Пашена и объясните ее ход.
71. Перечислите типы самостоятельных разрядов и укажите условия возникновения каждого из них.
72. Сформулируйте условия возникновения искрового разряда и дайте его феноменологическое описание.
73. Почему искровой разряд имеет прерывистый характер и сопровождается характерными звуковыми эффектами.
74. Укажите области применения искрового разряда в технике и технологии.
75. Сформулируйте условия возникновения дугового разряда и дайте его феноменологическое описание.
76. Укажите области применения дугового разряда в технике и технологии.
77. Сформулируйте условия возникновения тлеющего разряда и дайте его краткое феноменологическое описание.
78. Укажите особенности катодных областей тлеющего разряда.
79. Чем характеризуется нормальный тлеющий разряд и при каких условиях он существует.
80. Укажите применения катодных областей тлеющего разряда в технике и технологии.
81. Сформулируйте условия возникновения коронного разряда и дайте его феноменологическое описание.
82. Укажите области применения коронного разряда в технике и технологии.
83. Высокочастотные разряды и их применение.
84. Сверхвысокочастотные разряды и их применение.
85. Сформулируйте понятия плазмы и ее разновидностей (высокотемпературная, низкотемпературная, изотермическая, неизотермическая).
86. Назовите основные параметры плазмы и укажите, что они характеризуют).
87. Рассмотрите методы экспериментального определения концентраций частиц плазмы.
88. Нарисуйте схему и рассмотрите возможности и ограничения зондового метода исследования плазмы.
89. Рассмотрите возможности и ограничения спектральных методов исследования плазмы.
90. Рассмотрите возможности и ограничения СВЧ метода исследования плазмы.
91. Нарисуйте типичную функцию распределения электронов по энергиям и обсудите ее.
92. Напишите уравнения, описывающие дрейфовое движение заряженных частиц в плазме и обсудите их.
93. Рассмотрите связь параметров дрейфового и хаотического движения электронов в плазме.
94. Укажите основные исходные предпосылки и ограничения диффузионной теории плазмы.
95. Укажите основные исходные предпосылки и ограничения теории плазмы высокого давления.
96. Укажите основные исходные предпосылки и ограничения теории плазмы низкого давления.
97. Назовите основные виды газоразрядных источников света и укажите их достоинства и недостатки.
98. Почему в ряде газоразрядных источников света используется ртуть. Ответ обоснуйте.
99. Сформулируйте основные принципы использования газового разряда в системах отображения информации.
100. Каковы принципы работы газоразрядных индикаторных панелей.
При проведении итогового контроля экзамен может так же проводиться в устной или письменной форме.
5. Программа использования инновационных технологий в преподавании дисциплины
1. По дисциплине имеется электронный гипертекстовый учебник, предназначенный для самостоятельной работы студентов. Учебник позволяет после изучения каждого раздела проводить самоконтроль по тестовым заданиям. В случае неверного ответа студент отсылается к той части теоретического курса, который ему необходимо дополнительно проработать.
2. Имеется презентация лекционного курса.
3. В обучении используется база данных по электровакуумным и газоразрядным приборам, созданная на кафедре. Студенты активно привлекаются к пополнению этой базы с использованием сети Интернет.
4. Сформирован банк тестовых заданий по дисциплине, который используется для самоподготовки студентов, а так же при текущем, промежуточном и итоговом контроле по дисциплине.
5. При выполнении заданий на самостоятельную работу студенты могут использовать имеющиеся в дисплейном классе кафедры расчетные и моделирующие программы.
6. При подготовке отчетов по лабораторным работам студенты проводят обработку результатов эксперимента необходимые расчеты на ПЭВМ.
7. Отдельные лабораторные работы могут выполняться непосредственно на ПЭВМ, практикуется сочетание натурного и виртуального экспериментов. Последний подход позволяет освоить практические измерения и получить большое количество данных в процессе моделирования.
