m12

металлах и вырожденных полупроводниках n-типа), либо с валентными электронами, т. е. на ионизационные потери (в узко зонных полупроводниках). В результате их энергия у поверхности оказывается недостаточной для преодоления поверхностного потенциального барьера.

Одним из путей увеличения эффективности вторичных эмиттеров является уменьшение ионизационных потерь возбуждённых электронов путём применения материалов с широкой запрещённой зоной. Необходимая величина проводимости обеспечивается легированием донорной примесью. Этот путь положен в основу действия сплавных вторичных эмиттеров (AgMg, CuMgAl, AgBeSi и др.). После специальной термической обработки в окислительной среде (активирования) на поверхности эмиттера образуется тонкий слой окиси щелочного металла (MgO или BeO) с избыточным числом атомов металла. Оптимальная толщина слоя

окиси составляет примерно 100 нм. У сплавных эмиттеров m =8–15.

Коэффициент вторичной эмиссии стабилен: слабо зависит от температуры и плотности тока. Сплавные эмиттеры применяются в лампах с вторичной эмиссией и в оконечных каскадах системы ФЭУ.

Другим путём увеличение эффективности является, возможно, более полное использование достигших поверхности возбуждённых электронов посредством снижения поверхностного потенциального барьера. Этому требованию отвечают соединения, используемые для фотокатодов, например, Cs3Sb. Перспективны эмиттеры с отрицательным электронным сродством – сильно легированные дырочные полупроводники с пониженной работой выхода с помощью дипольного слоя на поверхности (например, GaAs – Cs2O).

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1.Описание лабораторной установки и методики эксперимента

Приборы, с помощью которых более или менее полно решается задача исследования вторичной электронной эмиссии, являются весьма сложными и дорогими научно-исследовательскими установками. В настоящей работе исследуются некоторые зависимости ВЭЭ на серийном электровакуумном приборе – фотоэлектронном умножителе (ФЭУ).

Основным назначением ФЭУ является регистрация слабых световых потоков. В нём ФЭЭ используется для усиления тока весьма малой величины, образованного эмитированными с фотокатода электронами. Для этого ФЭУ содержит множительную систему, обычно состоящую из 8–12 последовательно расположенных вторичных эмиттеров, назы-

31

ваемых динодами. Коллектором электронов является анод ФЭУ, в цепь которого включается сопротивление нагрузки.

Коэффициент усиления (умножения) ФЭУ находится как произведение коэффициентов вторичной электронной эмиссии отдельных ди-

нодов M 1 2 3 ... N .

Если КВЭ всех динодов одинаковы, то M N , где N – число динодов. Полный коэффициент усиления M ФЭУ может достигать 108.

Лабораторная установка состоит из общего для всех работ стенда, который содержит основные измерительные приборы и регулируемые стабилизированные источники питания. В дополнительном блоке установлен ФЭУ-13 со съёмным осветителем, регулируемый источник отрицательного ускоряющего напряжения до 1000В, которое подаётся на фотокатод ФЭУ, вольтметр, измеряющий это напряжение, микроамперметр, регистрирующий фототок (первичный ток).

Регулировка фототока осуществляется изменением накала лампочки осветителя с помощью переменного резистора. Принципиальная схема включения ФЭУ приведена на лицевой панели блока. На этой же панели установлены гнёзда, которые позволяют соединить дополнительный блок с основным стендом штекерными проводниками.

При проведении работы экспериментально изучаются следующие закономерности вторичной эмиссии: зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов и распределение вторичных электронов по энергиям.

При определении коэффициента вторичной эмиссии второй динод соединяется с остальными динодами и анодом штекерным проводником (рис. 3.1). Электроны, эмитированные фотокатодом при его освещении, образуют первичный ток I1.

Они ускоряются отрицательным напряжением, поданным на фотокатод, и бомбардируют 1-ый динод. Для полного сбора вторичных электронов на параллельно соединённые остальные диноды и анод подаётся накопительный потенциал. Ток этих электродов образует полный вторичный ток I2.

Коэффициент вторичной эмиссии (в данном случае первого дино-

да) равен I2 / I1 .

Меняя ускоряющее напряжение Uуск на фотокатоде, и измеряя ка-

ждый раз I1 и I2, можно определить зависимость (E1 ) , где E1 Uуск – энергия первичных электронов в электрон вольтах.

32

Для определения спектра вторичных электронов второй динод отсоединяется от остальных и на него подаётся отрицательный задержи-

вающий потенциал Uз .

Рис. 3.1

Таким образом, второй динод играет роль задерживающей сетки, пропуская только те вторичные электроны, энергия которых EB позволяет преодолеть тормозящее поле второго динода или другими словами,

энергия которых в электрон вольтах превышает (U Зe) .

Снимая зависимость I2 f (UЗ ) , получаем интегральное распреде-

ление вторичных электронов по энергиям. Чтобы найти спектр, необходимо продифференцировать эту зависимость. Заменяя бесконечно ма-

лые приращения I2 и UЗ конечными, и располагая экспериментальные

точки в порядке возрастания абсолютных значений U З , получим фор-

мулы для приближённого дифференцирования функций, заданной таблично

33

ответственно вторичного тока и задерживающего напряжения; а Е берётся для середины интервала, т. е.

Необходимо отметить ряд особенностей экспериментального определения спектра вторичных электронов. Как видно из рис. 2.1, спектр имеет неравномерный характер, что требует правильного выбора точек отсчёта по шкале задерживающих напряжений. При дифференцировании резко проявляются случайные погрешности измерений, приводящие к разбросу экспериментальных точек.

Обычный приём избежать этого, заключается в первоначальном построении интегральной кривой, её сглаживании и дальнейшем графическом дифференцировании. Этот путь достаточно трудоёмкий, а при определении спектра вторичных электронов из-за резкого поведения функций интегральное распределение приходится строить по участкам с

разным масштабом по оси напряжений UЗ .

Влабораторной работе изучается качественный характер спектра и

вцелях экономии времени допускается непосредственное дифференцирование функции, заданной таблично. При этом необходимо внимательно и тщательно снимать экспериментальные точки.

3.2. Порядок выполнения работы и методические указания

3.2.1.Перед началом работы преподаватель проверяет готовность студентов к занятиям. С теорией и методикой исследований студенты знакомятся заранее по рекомендуемой литературе и настоящему руководству.

3.2.2.Сборка схемы эксперимента и все коммутации производятся

вобязательном порядке при выключенном питании основного стенда и дополнительного блока.

3.2.3.Пользуясь полной принципиальной схемой (рис. 3.1) собрать макет для исследования коэффициента вторичной эмиссии. Для этого, не подавая задерживающего напряжения на второй динод, соединить его с остальными динодами и анодом. Шунт 20 мкА к амперметру не

34

подключать. Установить все ручки регулировки напряжений в крайнее левое положение.

После проверки схемы преподавателем включить стенды, измерительные приборы и источники питания.

Дать прогреться приборам в течение 1–2 мин, после чего установить нули амперметров, вольтметров.

Далее проверить калибровку вольтметров и выставить калибровочное число.

Переключить вольтметры в режим измерения постоянного напря-

жения и на амперметре I2 установить предел 200 мкА.

Задать, регулируя напряжение источника Е1, на аноде ФЭУ напряжение U a порядка 200 В.

Установить на фотокатоде ускоряющее напряжение 300 вольт. Регулируя накал лампочки, получить первичный ток, равный

10 мкА.

Уменьшить ускоряющее напряжение до 0 и далее, повышая его до

1000 В через 100 В, снять показания токов I2 и I1 . Данные занести в табл. 3.1 и рассчитать значение .

Таблица 3.1

Результаты измерений и вычислений

3.2.4. Выключить дополнительный бок и источники питания основного стенда. Измерительные приборы стенда выключать не рекомендуется.

Отсоединить второй динод и подключить его к источнику задерживающего напряжения Е2 стенда.

Подключить шунт к амперметру I2 и установить предел измерения

на значение 0.2 мкА. Конечное значение шкалы амперметра в этом случае будет соответствовать 20 мкА. Установить регулировку накала в крайнее левое положение.

35

После проверки собранной схемы преподавателем включить стенды. Установить UУСК равным 180 В, а напряжение на аноде Е1 оставить

прежним порядка 200 В.

Вывести в крайнее левое положение ручки «грубо» и «плавно» регулировки Е2, т. е. установить задерживающий потенциал примерно равным 0.

Регулируя накал лампочки осветителя, добиться отклонения стрел-

ки амперметра I2 в 20 мкА (т. е. до конца шкалы).

Приступить к снятию интегрального распределения вторичных электронов. Данные заносить в табл. 3.2, предназначенной сразу и для дифференцирования кривой. Вывести ручку регулировки накала в крайнее левое положение и, не выключая стендов, произвести необходимые расчёты. После проверки данных преподавателем с его разрешения отключить всю аппаратуру.

ПРИМЕЧАНИЕ. При снятии экспериментальных точек нет необходимости длительно устанавливать точное значение UЗ в соответствии с таблицей. Допустимо, чтобы напряжения отличались от таблич-

36

ных значений во второй значащей цифре. Например, вместо 0.500 может быть установлено 0.512. При этом в верхней строчке табл. 3.2 необ-

ходимо вписать истинное значение UЗ .

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1.Введение, цель работы.

4.2.Технические данные и параметры ФЭУ-13.

4.3 Принципиальная схема установки, её краткое описание.

4.4.Таблица исходных данных и расчёт коэффициента вторичной эмиссии . График зависимости (E1 ) и его объяснение.

4.5.Таблица исходных данных и расчёт спектра вторичных элек-

тронов. График зависимости dndE2 E и его объяснение. ПРИМЕЧАНИЕ. Можно рекомендовать следующий приём нагляд-

ного представления dndE2 E . Шкалу по оси абсцисс взять длиной и не

менее 20 см. Первую половину шкалы до 10В взять с масштабом 1 Всм, вторую половину до 200 В с масштабом 20 В/см.

4.6. Используя полученные данные, решить следующие задачи:

1. Какое напряжение надо было подать на ФЭУ-13, и какой коэффициент усиления он имел бы, если бы на всех динодах междинодное

напряжение обеспечивало бы получение максимальное значения m ?

2. Считая коэффициенты вторичной эмиссии всех динодов одинаковыми, по паспортным данным определить междинодное напряжение и каждого динода при максимально допустимом напряжении питания

ФЭУ-13. Сравнить полученное значение с экспериментально измеренным коэффициентом и указать возможные причины расхождения.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.В чем заключается физическая сущность явления вторичной электронной эмиссии?

5.2.Что представляет собой энергетический спектр вторичных электронов? (Дать пояснения для различных областей этого спектра).

5.3.В чем заключаются отличия истинно вторичных электронов от всех остальных вторичных?

37

5.4.Что понимают под коэффициентом вторичной эмиссии и от чего зависит его величина?

5.5.Какова зависимость коэффициента ВЭЭ от угла падения и энергии первичных электронов?

5.6.Что представляет собой закон подобия ВЭЭ.

5.7.В чем заключается суть понятий критических энергий и критических потенциалов.

5.8.Каковы особенности ВЭЭ диэлектриков и изолированных проводящих эмиттеров.

5.9.Какова эффективность ВЭЭ обычных (чистых) металлов, полупроводников и диэлектриков? В чем заключаются причины, по которым они не могут быть использованы в технике?

5.10.Какие пути увеличения эффективности ВЭЭ вы знаете?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В ИОННЫХ ПРИБОРАХ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение физических процессов и явлений, связанных с возникновением и развитием самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газе, экспериментальное определение вольтамперных характеристик и основных параметров исследуемых разрядов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Ионные приборы, основанные на использовании разряда в газах или парах ртути, потеряли свое значение в электронике в связи с бурным развитием полупроводниковой элементной базы. Однако в отдельных случаях использование некоторых из них является более предпочтительным, а иногда они просто незаменимы.

Наиболее широко используются в настоящее время приборы тлеющего разряда с холодным катодом. Они технологичны в производстве, просты по конструкции и долговечны. Функции, которые они выполняют, довольно многогранны. Это индикация буквенно-цифровой и знаковой информации, стабилизация напряжения, счет импульсов ядерных частиц, дозиметрия фотонного излучения, генерация лазерного излучения, электронно-ионная технология, освещение и др. Кроме того,

38

появились новые типы ионных приборов таких, например как плазменные дисплеи.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют электрическим разрядом. Электрические разряды в газе подразделяются на несамостоятельные и самостоятельные.

Несамостоятельным называют электрический разряд, для поддержания которого требуется эмиссия электронов из катода или образование заряженных частиц в разрядном промежутке под действием внешних факторов (нагрев катода, облучение катода или газа в разрядном промежутке светом, рентгеновским или радиоактивным излучением и др.).

Самостоятельным называют электрический разряд, для поддержания которого не требуется образование заряженных частиц под влиянием внешних факторов. При самостоятельном разряде образование и движение зарядов в разрядном промежутке осуществляется только за счет энергии электрического поля, действующего между катодом и анодом.

В отличие от электровакуумных, перенос зарядов в газоразрядных приборах осуществляется не только электронами, но и ионами. Полный ток через прибор равен сумме электронного и ионного токов, поскольку разноименные заряды перемещаются во встречных направлениях. При этом ионный ток значительно меньше электронного, так как скорость движения «тяжелых» ионов существенно меньше движения электронов.

Электроны, двигаясь к аноду, ионы к катоду могут соударяться с молекулами газа. Если их энергия, зависящая от внешнего напряжения, велика, то возможно возбуждение или ионизация атомов газа. Напряжения, при которых происходят эти процессы, называются соответственно

потенциал возбуждения Uв и потенциалом ионизации Ui . Для иониза-

ции уже возбужденных атомов требуется меньшая энергия (ступенчатая ионизация). Потенциалы возбуждения инертных газов лежат в пределах (10–20) В, а потенциалы ионизации от 15 до 35 В.

Если последовательно с разрядной трубкой (прибор с двумя плоскими электродами, наполненный инертным газом при давлении 10 3 10 1 мм. рт. ст.) включить переменное балластное сопротивление позволяющее регулировать ток (рис. 2.1), то при достаточной мощности источника питания можно получить полную вольтамперную характеристику (ВАХ) разряда, изображенную на рис. 2.2.

В зависимости от величины тока получаются различные виды разрядов, отличающиеся друг от друга падением напряжения, характером

39

свечения, различными физическими процессами, происходящими на электродах и в объеме газа.

Участок (a–в) на ВАХ соответствует несамостоятельному темному разряду (отсутствует свечение), имеющему место при очень малых разрядных токах (10 9 10 8 А). Разрядный ток мал вследствие незначительного количества носителей заряда в разрядном промежутке. Наличие зарядов связано с тем, что в газовой среде, представляющей совокупность нейтральных атомов и молекул, всегда имеются в небольшом количестве ионизированные атомы и электроны, образующиеся под воздействием света, радиоактивного фона и космических лучей.

На участке (в–с) разряд переходит в самостоятельный, оставаясь темным. Здесь электроны под действием ускоряющего напряжения набирают энергию, достаточную для ионизации газа. Ток в этой области достигает значений 10 6 10 5 А. Участок (c–d) соответствует неустойчивому переходному разряду от темного разряда к самостоятельному тлеющему разряду. Название тлеющий он получил потому, что при его возникновении наблюдается свечение газа, которое напоминает свечение тлеющего тела.

Вначале наблюдается нормальный тлеющий разряд. Это участок (d–e) на ВАХ. Ток разряда здесь порядка единиц и десятков миллиампер. На этом участке по мере роста тока интенсивность свечения увеличивается, а напряжение остается практически постоянным. При дальнейшем увеличении тока возникает аномальный тлеющий разряд (участок e–f). Для этого вида разряда характерно повышение напряжения на электродах разрядной трубки и увеличение яркости свечения газа по мере роста тока.

Участок (f–g) соответствует неустойчивому переходному разряду от аномального тлеющего к самостоятельному дуговому разряду. Дуговой разряд (участок g–h) характеризуется малым падением напряжения

40