FOE2016

ФКС

вольфрамовая нить, испускающая электроны при пропускании через нее тока накала. Поверхность нити может быть покрыта активным слоем. Такие катоды экономичны, имеют малую тепловую инерцию после включения, однако они не эквипотенциальны, и их надо нагревать только постоянным током.

Катоды косвенного накала (подогреваемые катоды) выполняются в виде полой металлической трубки, на которую нанесен активный слой. У ламп с подогреваемым катодом имеются два вывода нити накала и один вывод катода. В некоторых случаях катод и один из концов нити накала соединяются внутри лампы и имеют общий вывод. Ток накала катода протекает через подогреватель, выполненный в виде простой или бифилярной спирали, покрытой изолирующим материалом (например, алундом – Al2O3) и расположенный внутри трубки катода. Такие катоды - эквипотенциальны. Они обладает довольно большой теплоемкостью и, соответственно, большой тепловой инерцией после включения.

Поэтому при накале его переменным током температура практически не изменяется, а эмиссионный ток остается стабильным. Однако подогреваемый катод потребляет гораздо большую мощность в цепи накала, чем катод прямого накала. Например, для питания катода лампы косвенного накала в цепи подогрева потребляется мощность порядка 2 – 4 Вт и больше. Для многоламповых электронных устройств эта мощность оказывается значительной. Другим недостатком катода косвенного накала является его большая тепловая инерция. Время разогрева подогреваемого катода иногда составляет 1 – 2 мин. Катоды косвенного накала, как правило, - сложные катоды.

Анод предназначается для использования электронов, вылетающих из катода, и для управления ими. Материалом анода в электронных лампах служат никель, молибден или тантал, допускающие высокую температуру нагрева. Анод может иметь различную форму в зависимости от конструкции катода. Наиболее часто встречается цилиндрическая или плоская конструкция анода

5.Экспериментальная часть.

Измерение вольтамперных характеристик вакуумного диода проводят на макете измерительной установки, блок-схема которого представлена на рис.7.

Рис.7. Блок-схема макета измерительной установки.

1 – управляющий компьютер; коммутирующее устройство, 2 – блок питания для нагрева катода, 3

–блок питания для подачи анодного напряжения, 4 – миллиамперметр для измерения анодного тока, 5 – вольтметр для измерения анодного напряжения, 6 – коммутирующее устройство с

вакуумным диодом.

12

ФКС

Вакуумный диод - высоковольтный кенотрон 2Ц2С с цилиндрической конструкцией электродов и оксидным катодом косвенного накала ( =0.98, L=9 мм, RA=9.5 мм,

RA 10 .

RK

Макет установки содержит следующие блоки.

1.Управляющий компьютер.

2.Блок питания (E3645A), служащий для нагрева термоэмиссионного катода.

3.Блок питания (6645A), служащий для подачи анодного напряжения.

4.Мультиметр, для измерения тока через диод (Agilent 34405A или 34411А).

5.Мультиметр, для измерения анодного напряжения (мультитметр Agilent 34405A

или 34411А).

6.Коммутирующее устройство, предназначенное для подключения вакуумного

диода 2Ц2С к источникам питания постоянного тока и мультиметрам. Управление источниками питания осуществляется через интерфейс GPIB (IEEE

488, соединенный при помощи адаптера GPIB - USB. Управление мультиметрами производится непосредственно через интерфейс USB.

Подготовка к измерениям вольтамперных характеристик

Перед началом измерений осмотрите макет установки и убедитесь в правильности соединения ее блоков (рис.7). Включите управляющий компьютер. Включите источники питания и мультиметры и дайте им пройти самотестирование.

Затем запустите прикладную измерительную программу. Путь к ярлыку, запускающему прикладную программу измерения ВАХ вакуумного диода и расчета по ней массы электрона: Рабочий стол \ Папка: Лаб. работы \ Папка: ФТТ и ПП \ Lab-15 (или ТЭЭ). После запуска программы на рабочем столе отображается «Главное меню»

(рис.8).

Рис.8. Главное меню измерительной программы

Вглавном меню откройте подменю «Измерения» (рис.9) и в ней запустите опцию «Ввод». После чего откроется окно «Ввод условий измерения …» (рис.10).

Вэтом окне можно изменять условия измерения следующим образом: ток накала катода (начальный) – от 1.2 А до 1.4 А (не более); шаг изменения тока накала катода – от 0.05 А до 0.1 А; количество шагов изменения тока накала катода – от 1 до 5 (рекомендуется – 3).

13

ФКС

Рис.9. Подменю «Измерения»

Максимальный ток анода – 30 мА. Начальное напряжение на аноде не изменяется и составляет 0 В. Конечное напряжение на аноде – не более 120 В. Шаг напряжения на аноде можно варьировать от 1 В до 10 В (рекомендуется: 5 В).

Сразу после этого начинается подбор тока накала катода до его начального уровня, указанного в окне меню «Ввод условий измерения…». По достижении начального уровня катод прогревается течение 5 мин. После прогрева начинается измерение ВАХ происходящее следующим образом. На анод подается напряжение и выдерживается в течение 20 с, после чего измеряется ток анода. После этого напряжение на аноде увеличивается на величину шага, снова выдерживается 20 с и опять измеряется ток анода, и так вплоть до конечного напряжения на аноде.

Затем устанавливается следующее значение тока накала катода и опять прогревается катод течение 5 мин. После этого снова измеряется ВАХ вакуумного диода. И так далее в соответствии с количеством шагов тока накала.

Рис.11. Экран видеомонитора после окончания измерения ВАХ вакуумного диода

14

ФКС

Справа от семейства ВАХ приведены условия измерения и маркеры с обозначениями номера графика, напряжения и тока накала катода.

Обработка полученных ВАХ вакуумного диода

Затем щелкните левой кнопкой мыши по клавише «Выход» и в меню «Измерения» войдите в опцию «График». На экране видеомонитора появятся два

можно аппроксимировать отрезком прямой линии в заданном интервале значений аргумента Ua1.5 и щелкните по клавишу «Ввод». Введите номер кривой, заданный интервал и щелкните по клавише «График».

Рис.12. Экран видеомонитора после запуска опции «График»

После этого на экране видеомонитора опять появится семейство ВАХ вакуумного

Рис.13. Экран видеомонитора после обработки результатов измерения ВАХ

15

ФКС

Над семейством графиков приведена служебная информация и условия, при которых производили измерения. Над правым графиком приведено уравнение аппроксимирующей прямой и коэффициент корреляции. Справа от этого графика приведены следующие данные:

3

-№ аппроксимированной кривой Ia f (Ua 2 ) ,

-вычисленная по значению качества вакуумного диода g масса электрона m,

-истинное значение массы электрона m0,

-относительное отклонение вычисленной массы к истинной массе электрона

m m0 , m0

-погрешности определения методом наименьших квадратов параметров

аппроксимирующей прямой Sa и Sb.

Если полученные результаты не устраивают, то для возврата к предыдущим графикам служит клавиша «<». Для вывода на печать служит клавиша «Печать».

Завершение измерений

-Выключите оба источника питания.

-Выключите оба мультиметра.

-Выключите компьютер.

6.Отчет о лабораторной работе.

Отчет о лабораторной работе должен быть у каждого студента. В отчете должно содержаться следующее.

1)Краткий конспект описания с основными аналитическими зависимостями, используемыми при проведении лабораторной работы; блок-схему макета измерительной установки.

2)Отпечатанные на принтере результаты измерений, графики вольтамперных характеристик диода IА=f(UА) и IА=f(UА3/2) (один экземпляр на бригаду).

3)Полученное в результате измерений значение коэффициента g и рассчитанное значение массу электрона m, ее относительное отличие от истинного значения m0

m m0 . m0

4)Величину относительной погрешности определения массы электрона m/m0.

5)Перечисление возможных источников погрешности при определении массы электрона.

6)Основные выводы по проведенной работе.

При подготовке к сдаче лабораторной работы пользуйтесь настоящим описанием и приложением к нему.

7.Требования техники безопасности.

Меры безопасности

При выполнении работы по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию № 26-09 по охране труда при выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях лаборатории кафедры КФН», а также следует соблюдать следующие меры предосторожности.

1)Приступить к работе только после допуска.

2)Строго соблюдать требования, указанные в разделах «Подготовка к измерениям вольтамперных характеристик», «Проведение измерений» и «Завершение измерений».

16

ФКС

3)Не касаться открытыми частями тела вакуумного диода.

4)При включенных источниках тока накала катода и анодного напряжения не вынимать из гнезд однополюсные вилки.

При выполнении работы по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию № 26-09 по охране труда при выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях лаборатории кафедры КФН».

Контрольные вопросы

1.Перечислите виды электронной эмиссии.

2.В чем заключается явление автоэлектронной эмиссии?

3.Что такое взрывная электронная эмиссия?

4.Фотоэлектронная эмиссия. Что такое квантовый выход?

5.В чем заключаются явления вторичной электронной эмиссии и ионноэлектронной эмиссии?

6.В чем заключается явление термоэлектронной эмиссии? Что называется работой выхода электрона? Почему у разных металлов работа выхода имеет различные значения?

7.Какие свойства материала катода влияют на величину работы выхода? Типы термоэлектронных катодов.

8.Термоэлектронные катоды прямого и косвенного накала. Их преимущества и недостатки. Диод с каким катодом используется в лабораторной работе?

9.Устройство вакуумного диода, использованного в лабораторной работе? Его ВАХ. Закон Ленгмюра.

10.Объясните причину насыщения анодного тока. Уравнение РичардсонаДешмана. Чем определяется уровень тока насыщения?

11.Почему при UА=0 ток IА не равен 0? Почему ток насыщения слабо возрастает при увеличении анодного напряжения?

12.Что такое эффект Шоттки и как он влияет на ВАХ вакуумного диода? Наблюдался ли эффект Шоттки в настоящей лабораторной работе?

13.Почему анод диода чаще всего выполняют в виде цилиндра, а катод в виде нити, расположенной вдоль оси цилиндра - анода? В каких электронных приборах используется явление термоэлектронной эмиссии?

14.Методика определения массы электрона из ВАХ вакуумного диода.

15.Как можно определить заряд электрона по слабой зависимости тока насыщения от напряжения?

16.Метод определения постоянной Ричардсона и работы выхода материала катода.

17.Источники погрешности при определении массы электрона по этой методике.

Литература

Основная литература

1.Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2006 г.

2.С.Г.Калашников. Электричество. «Физматлит», М., 2005 г.

3.Арсентьев В.В., Кирпиченков В.Я., Князев С.Ю. и др. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 тт. (под ред. Лозовского В.Н.) Изд. 2-е, испр. Серия: Учебники для вузов: Специальная литература. «Лань», Санкт-Петербург, 2009.

Дополнительная литература

1.С.М.Зи. Физика полупроводниковых приборов. «Мир», М., 1984 г.

2.Г.Мирдель. Электрофизика. «Мир», М., 1972 г.

17