Национальный исследовательский университет
Высшая школа экономики
Московский институт электроники и математики
“Утверждаю”
Декан ФЭТ
__________________
“_____”______________2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине “ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”
Направление подготовки – | 210107.65 «Электронное машиностроение» |
Факультет - | Электроники и телекоммуникаций |
Кафедра - | Радиоэлектроники и телекоммуникаций |
Москва – 2012 г.
1. Цели и задачи дисциплины.
Изучение физических основ вакуумной и плазменной электроники. Формулировка и решение уравнений, описывающих процессы распространения электронных и ионных пучков разной интенсивности в вакууме, при наличии постоянных и переменных электрических и магнитных полей различной конфигурации. Изучение эмиссионных процессов; возможностей формирования, транспортировки и управления пучками заряженных частиц с помощью электромагнитных полей, создаваемых различными типами электронных линз. Примеры использования рассматриваемых физических процессов в элементах и узлах электровакуумных приборов.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины (требования к знаниям, умениям и навыкам, приобретенным в результате изучения дисциплины).
Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение предыдущих курсов:
1. Общая физика (электричество, магнетизм, оптика).
2. Физическая оптика (световая оптика и линзы).
3. Физика твердого тела.
4. Математический анализ (дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения).
В результате изучения дисциплины студенты должны знать физические основы эмиссионных процессов; разбираться в особенностях формирования, транспортировки, управления и преобразования электронных и ионных потоков различной интенсивности (применительно к приборам вакуумной электроники); получить практические знания и навыки по расчетам, конструированию и компьютерному моделированию элементов и узлов электронно-оптических систем вакуумных приборов.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
Общая трудоемкость дисциплины | 116 | 7 |
Аудиторные занятия | 68 | 7 |
Лекции (Л) | 51 | 7 |
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 7 |
Самостоятельная работа | 48 | 7 |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | экзамен |
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п | Раздел дисциплины | лекции | ПЗ (или С) |
1. | Введение. Физические основы процессов вакуумной и плазменной электроники. | 2 | |
2. | Основы физики эмиссионных процессов. | 8 | 3 |
3. | Формирование и транспортировка электронных потоков различной интенсивности. Электронные пушки и прожекторы. | 11 | 6 |
4. | Управление электронными потоками. Электронные линзы. | 10 | 2 |
5. | Преобразование энергии электронных потоков в другие виды. Эффекты взаимодействия. | 2 | 2 |
6. | Физические процессы в ионизованном газе и плазме. Типы газовых разрядов. | 8 | 2 |
7. | Формирование, методы ускорения и диагностики плазменных потоков. | 8 | 2 |
8. | Заключение. Применение изученных физических процессов в элементах и узлах вакуумных и плазменных приборов. | 2 |
4.2. Содержание разделов дисциплины.
1. Введение. Физические основы процессов вакуумной и плазменной электроники. Цели и задачи курса. Понятие о потоках заряженных частиц и их формировании. Аналогия между электронной и световой оптикой.
– 2 ч. лекций
2. Основы физики эмиссионных процессов. Электронная теория твердого тела. Базовые соотношения и модели, описывающие процессы термоэлектронной, автоэлектронной, взрывной, вторично-электронной, фотоэлектронной эмиссий. Основные типы катодных структур для указанных видов эмиссионных процессов, их конструктивные, технологические особенности и области применения.
- 8 ч. лекций
- 3 ч. практических занятий
3. Формирование и транспортировка электронных потоков различной интенсивности. Электронные пушки и прожекторы. Движение заряженных частиц в однородном постоянном и аксиально-симметричном электростатических полях. Отклоняющие и фокусирующие свойства электростатического поля. Понятие параксиального электронного потока. Движение заряженных частиц в однородном постоянном магнитном поле. Отклоняющие и фокусирующие свойства постоянного магнитного поля. Движение заряженных частиц в постоянных электрическом и магнитном полях произвольной ориентации. Фазовая фокусировка. Понятие слабых, интенсивных, релятивистских и нерелятивистских электронных потоков. Понятие первеанса потока. Влияние пространственного заряда на движение электронного потока. Электронные пушки и прожекторы. Плоская пушка Пирса. Пушки Пирса цилиндрического и сферического типов. Влияние анодного отверстия на формирование электронного потока. Влияние тепловых скоростей на размеры электронного потока. Таблицы значений Лэнгмюра. Пушки электронных приборов магнетронного типа.
- 11 ч. лекций
- 6 ч. практических занятий
4. Управление электронными потоками. Электронные линзы. Электростатические и магнитные линзы и их типы. Иммерсионные линзы. Одиночные (симметричные) линзы. Диафрагмы. Иммерсионные объективы. Тонкие и толстые линзы. Основные параметры линз. Понятие апертурного угла. Формула Лагранжа-Гельмгольца. Аберрации и другие виды искажений в электронных линзах. Коррекция аберраций. Фокусировка интенсивных электронных пучков. Магнитная фокусировка и ее виды: фокусировка Бриллюэна, фокусировка сопровождения, периодическая фокусировка. Электростатическая фокусировка и ее виды: центробежная фокусировка, периодическая фокуксировка, фокусировка отдельными линзами. Фокусирующие системы с отклоняющими полями.
-10 ч. лекций
- 2 ч. практических занятий
5. Преобразование энергии электронных потоков в другие виды. Эффекты взаимодействия. Способы преобразования, основанные на взаимодействии с внешними электромагнитными полями, энергетический эффект взаимодействия. Способы преобразования, основанные на взаимодействии с твердыми телами и структурами. Катодолюминесценция, катодоусиление, рентгеновское излучение, нагрев.
- 2 ч. лекций
- 2 ч. практических занятий
6. Физические процессы в ионизованном газе и плазме. Типы газовых разрядов. Ионизованный газ и плазма, элементарные процессы в плазме и на пограничных поверхностях, основные методы генерации плазмы, модели для описания свойств плазмы. Основы физики газового разряда. Явления переноса, колебания, неустойчивости, эмиссионные свойства и излучение плазмы. Плазма в магнитном поле. Применение плазмы в электронике.
- 8 ч. лекций
- 2 ч. практических занятий
7. Формирование, методы ускорения и диагностики плазменных потоков. Ионно-оптические системы. Методы ускорения и диагностики параметров плазмы. Источники ионов с поверхностной ионизацией. Плазменные эмиттеры. Спсобы отбора ионов с поверхностей различной формы. Ионная фокусировка.
- 8 ч. лекций
- 2 ч. практических занятий
8. Заключение. Применение изученных физических процессов в элементах и узлах вакуумных и плазменных приборов.
- 2 ч. лекций
4.3. Понедельный план проведения занятий - лекционных и практических.
Лекционные занятия
1 нед. Введение. Физические основы процессов вакуумной и плазменной электроники. Цели и задачи курса. Понятие о потоках заряженных частиц и их формировании. Аналогия между электронной и световой оптикой. Основы физики эмиссионных процессов. Электронная теория твердого тела.
2 нед. Базовые соотношения и модели, описывающие процессы термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.
3 нед. Базовые соотношения и модели, описывающие процессы взрывной, вторично-электронной и фотоэлектронной эмиссий. Основные типы катодных структур для изучаемых видов эмиссионных процессов, их конструктивные, технологические особенности и области применения.
4 нед. Движение заряженных частиц в однородном постоянном и аксиально-симметричном электростатических полях. Отклоняющие и фокусирующие свойства электростатического поля. Понятие параксиального электронного потока.
5 нед. Движение заряженных частиц в однородном постоянном магнитном поле. Отклоняющие и фокусирующие свойства постоянного магнитного поля. Движение заряженных частиц в постоянных электрическом и магнитном полях произвольной ориентации. Фазовая фокусировка.
6 нед. Понятие слабых, интенсивных, релятивистских и нерелятивистских электронных потоков. Понятие первеанса потока. Влияние пространственного заряда на движение электронного потока.
7 нед. Электронные пушки и прожекторы. Плоская пушка Пирса. Пушки Пирса цилиндрического и сферического типов. Таблицы значений Лэнгмюра. Влияние анодного отверстия на формирование электронного потока. Влияние тепловых скоростей на размеры электронного потока.
8 нед. Пушки электронных приборов магнетронного типа.
9 нед Электростатические и магнитные линзы и их типы. Иммерсионные линзы. Одиночные (симметричные) линзы. Диафрагмы. Иммерсионные объективы. Тонкие и толстые линзы. Основные параметры линз. Понятие апертурного угла. Формула Лагранжа-Гельмгольца.
10 нед. Аберрации и другие виды искажений в электронных линзах. Коррекция аберраций.
11 нед. Фокусировка интенсивных электронных пучков. Магнитная фокусировка и ее виды: фокусировка Бриллюэна, фокусировка сопровождения, периодическая фокусировка. Электростатическая фокусировка и ее виды: центробежная фокусировка, периодическая фокуксировка, фокусировка отдельными линзами. Фокусирующие системы с отклоняющими полями.
12 нед. Преобразование энергии электронных потоков в другие виды. Эффекты взаимодействия. Катодолюминесценция, катодоусиление, рентгеновское излучение, нагрев.
13 нед. Физические процессы в ионизованном газе и плазме. Типы газовых разрядов. Ионизованный газ и плазма, элементарные процессы в плазме и на пограничных поверхностях, основные методы генерации плазмы, модели для описания свойств плазмы.
14 нед. Основы физики газового разряда. Явления переноса, колебания, неустойчивости, эмиссионные свойства и излучение плазмы.
15 нед. Плазма в магнитном поле. Применение плазмы в электронике.
16 нед. Формирование, методы ускорения и диагностики плазменных потоков. Ионно-оптические системы. Источники ионов с поверхностной ионизацией. Плазменные эмиттеры.
17 нед. Спсобы отбора ионов с поверхностей различной формы. Ионная фокусировка.
18 нед. Заключение. Применение изученных физических процессов в элементах и узлах вакуумных и плазменных приборов.
Практические занятия.
2 нед. Уравнение траектории электрона в постоянном электрическом и магнитном полях.
4 нед. Уравнение траектории электрона в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.
6 нед. Уравнение траектории параксиального электрона в аксиально-симметричном электростатическом поле.
8 нед. Расширение потоков кругового и прямоугольного поперечного сечения. под действием сил пространственного заряда.
10 нед. Расчет кардинальных элементов электростатических линз.
12 нед. Расчет кардинальных элементов магнитных линз.
14 нед. Расчет пушек Пирса по данным электронного пучка.
16 нед. Расчет пушек Пирса с оптимальными параметрами.
18 нед. Расчет электронных пушек магнетронного типа.
5. Лабораторный практикум.
Не предусмотрен
6. Самостоятельная работа
1. Катодные линзы и автоэмиссионная микроскопия. Расчет и моделирование полей в электронных источниках с острийными катодами [1 - 5]. 10 ч.
2. Квадрупольные электронные линзы. Прямоугольная и колоколообразная модели. Дублеты, триплеты, квадруплеты и их применение [4, 5]. 10 ч.
3. Электронные зеркала. Зеркальный электронный микроскоп. Зеркала для энергетического анализа [1, 2, 4, 5]. 9 ч.
4. Каустики и их использование. Каустики осесимметричной и астигматичной линз. Исследование распределения плотности тока. Системы с кольцевой апертурой [4, 5]. 9 ч.
5. Аберрации и другие виды искажений в электронных линзах. Коррекция аберраций. Ассимптотические аберрационные коэффициенты. Численный расчет аберраций [1,2,4,5]. 10 ч.
7. Учебно – методическое обеспечение дисциплины.
7.1. Рекомендуемая литература.
а) Основная литература:
1. , Шамаева -лучевые и фотоэлектронные приборы. М.:Высшая школа, 1982.
2. Шерстнев оптика и электронно-лучевые приборы. М.: Энергия, 1971.
б) Дополнительная литература:
3. Алямовский пучки и электронные пушки. М.: Сов. радио, 1966.
4. Электронная и ионная оптика. М.: Мир, 1990.
5. Основы электронной оптики в 2-х т. М.: Мир, 1993.
7.2. Средства обеспечения дисциплины (указывается перечень обучающих, контролирующих и расчетных компьютерных программ, диафильмов, кино - и видеофильмов и т. п.).
1. Учебно-исследовательский комплекс "Моделирование процессов фотоэлектронной и вторичной электронной эмиссий из металлов и полупроводников (EMISSIA)" / Свидетельство РФ # 2001610636 об официальной регистрации программы для ЭВМ // Авторы: , , Потапова от 10.04.2001.
2. Моделирование элементов эмиссионных электронно-оптических систем электронно-лучевых и СВЧ приборов (ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА) / Свидетельство РФ # 9900359 об официальной регистрации программы для ЭВМ // Автор: Елизаров от 05.04.1999.
8. Материально – техническое обеспечение дисциплины (указываются специализированные лаборатории и классы, основные приборы, установки, стенды, испытательные машины и технологическое оборудование и т. п.).
Дисплейный класс со специализированным программным обеспечением.
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
Не предусмотрены.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению
210107.65 «Электронное машиностроение»
Программу составил , профессор, д. т.н.
Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании (методическом семинаре) кафедры “_20_”_сентября_2012 г. протокол № 2 и рекомендована к применению в учебном процессе.
Зав. кафедрой РЭТ
“20” сентября 2012 г.
