Физическая электроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра электроники
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины Б3.Б11 «Физическая электроника»
по направлению 011800 «Радиофизика»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Цель курса - сформировать у студентов современное представление об основных методах
формирования активной среды в виде электронного пучка для мощных источников
когерентного электромагнитного излучения, включая теорию эмиссии электронов из твердого
тела. Помимо этого в курсе рассматриваются также современные методы электронной оптики
слаботочных систем, включая различные виды электронных микроскопов.
2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра
Дисциплина «Физическая электроника» относится к дисциплинам базовой части
профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800
«Радиофизика», преподается в 7 семестре.
Дисциплина «Физическая электроника» базируется на знаниях студентов, приобретенных в
курсах общей физики, математического анализа, дифференциальных уравнений, теоретической
механики и квантовой механики.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физическая электроника» формируются следующие
компетенции:
 способность собирать, обобщать и интерпретировать с использованием современных
информационных технологий информацию, необходимую для формирования суждений по
соответствующим специальным и научным проблемам (ОК-11);
 способность к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии (ОК12);
 способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных
задач (ПК-1);
 способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);
 способность понимать принципы работы и методы эксплуатации современной
радиоэлектронной аппаратуры и оборудования (ПК-3);
 способность использовать основные методы радиофизических измерений (ПК-4);
 способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области и электроники (ПК6).
В процессе изучения курса студенты должны освоить и изучить:
 основы классической электронной оптики;
 различные виды электронной эмиссии и методы их теоретического описания;
 устройство и основные характеристики различных электровакуумных приборов.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего часов
72
32
32
–
–
–
–
40
–
–
–
–
зачет
2
Семестры
7
32
32
–
–
–
–
40
–
–
–
–
зачет
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Раздел дисциплины
Лекции
Введение
Движение электронов в электрическом и
магнитном статических полях
Электронно-оптические свойства полей с
аксиальной симметрией. Электронные линзы
Электронно-оптические системы
Интенсивные электронные пучки
Общие вопросы эмиссионной электроники
Термоэлектронная эмиссия
Полевая эмиссия
Вторичная электронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия
Технические применения фото- и вторичной
эмиссии
1
ПЗ (или С)
ЛР
5
3
3
3
3
3
3
3
3
2
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Введение
Предмет и задачи курса. Основные этапы развития электроники. Области применения
полупроводниковых и вакуумных электронных приборов. Типичная блок-схема мощного
вакуумного электронного прибора СВЧ. Разделы курса.
Раздел 2. Движение электронов в электрическом и магнитном статических полях
2.1. Уравнения движения в электромагнитном поле. Случаи однородных электрического и
магнитного полей. Интеграл энергии..
2.2. Движение в слабонеоднородных полях (дрейфовая теория). Поперечный адиабатический
инвариант. Дрейфовые уравнения. Уравнения Лагранжа. Теорема Буша.
2.3. Критический режим магнетрона. Инвариант
Пуанкаре. Адиабатическая теория
магнетронно-инжекторной пушки гиротрона.
2.4. Вариационные принципы динамики заряженных частиц. Электронно-оптический
коэффициент преломления.
Раздел 3. Электронно-оптические свойства полей с аксиальной симметрией. Электронные
линзы
3.1. Дифференциальные уравнения траекторий заряженных частиц в аксиально-симметричных
полях. Уравнения параксиальных траекторий. Изображающие свойства параксиальных пучков
(стигматичность и подобие изображений). Классификация электростатических линз.
Особенности электростатических линз с ограниченной областью поля. Иммерсионные линзы.
Построение изображения в тонкой и толстой линзах. Линзы-диафрагмы. Иммерсионный
объектив.
3.2. Классификация магнитных линз. Электронно-оптические свойства короткой (слабой) и
длинной магнитных линз. Сильные магнитные линзы. Аберрации электронных линз.
Электронные зеркала. Квадрупольные линзы. Отклоняющие системы.
Раздел 4. Электронно-оптические системы
4.1. Прожекторы электронно-лучевых трубок. Электронно-лучевые технологические установки.
Электронные
микроскопы (эмиссионный, просвечивающий, отражательный, растровый,
автоэлектронный и автоионный, проекционные микроскопы). Разрешающая сила электронных
микроскопов просвечивающего типа.
3
4.2. Системы фокусировки протяженных интенсивных электронных пучков (магнитная,
периодическая, электростатическая, центробежная). Системы рекуперации энергии электронов
в мощных электронных приборах.
Раздел 5. Интенсивные электронные пучки
5.1. Система самосогласованных уравнений пучка в статических полях. Режимы
температурного ограничения эмиссии и ограничения тока пространственным зарядом в
электронных диодах. Теория идеализированного плоского диода (закон “трех вторых”).
5.2. Предельный ток транспортировки электронного пучка в пространстве дрейфа.
Формирование ленточных электронных пучков. Пушки Пирса.
Раздел 6. Общие вопросы эмиссионной электроники
Классификация электронной эмиссии. Релаксационные эффекты при движении возбужденных
электронов к поверхности твердого тела. Работа выхода электронов из твердого тела. Профиль
потенциального барьера.
Раздел 7. Термоэлектронная эмиссия
Теория термоэлектронной эмиссии из твердого тела. Механизм действия пленочного катода. Lкатод. Оксидный катод. Эффект Шоттки.
Раздел 8. Полевая эмиссия
Прохождение электронов сквозь потенциальный барьер на поверхности твердого тела. Расчет
автоэлектронного тока. Свойства и применение автоэлектронных катодов. Взрывная эмиссия.
Сильноточные релятивистские ускорители электронов.
Раздел 9. Вторичная электронная эмиссия
Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения первичных
электронов. Распределение вторичных электронов по энергиям. Особенности вторичной
эмиссии из полупроводников и диэлектриков.
Раздел 10. Фотоэлектронная эмиссия
Основные законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова и Эйнштейна). Спектральные
фотоэлектрические характеристики металлов. Плотность тока фотоэмисии. Фотоэлектронная
эмиссия диэлектриков и полупроводников. Сурьмяноцезиевый фотокатод.
Раздел 11. Технические применения фото- и вторичной эмиссии
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фотоумножители. Шумы фотоэлементов и
фотоумножителей.
6. Лабораторный практикум
№ п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторной работы
Исследование влияния пространственного заряда на прохождение
тока в диоде
Исследование принципов статического управления электронным
2.
2, 6
потоком в триоде
3.
6, 7, 8
Тлеющий разряд
Предусмотрены в Радиофизическом практикуме.
1.
2, 5, 6
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. 664 с.
2. Жеребцов И.И. Электроника. Энергоатомиздат. М.: 1990.
4
3. Электронные приборы. / Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд. М : Энергоатомиздат, 1989. 496 с.
4. В.М.Березин, В.С.Буряк, Э.М.Гутцайт, В.П.Марин. Электронные приборы СВЧ. М. : Высшая
школа,1985. 296 с.
5. Гапонов В.И. Электроника, ч.1, 2.М.: 1960.
6. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. Наука. М.:1966.
7. Жигарев А.А. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. ВШ. М.: 1982.
б) дополнительная литература
1. Электронные приборы сверхвысоких частот. Уч.пособие под ред. В.М.Шевчика и
М.А.Григорьева. Изд. СГУ. Саратов: 1980.
2. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. Энергия. 1967.
3. Мюллер Р.Б. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. Мир., М.: 1984.
4. Соболева Н.А., Берковский А.Г. и др. Фотоэлектронные приборы. Наука. М.: 1963.
5. Бродский Л.Н., Гуревич Ю.Я. Теория электронной эмиссии из металлов. Наука., М.: 1963.
6. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. Связьиздат., М., 1960.
7. Электроника : Энцикл. словарь/ Гл. ред. В.Г.Колесников. М. : Сов. энцикл., 1991. 688с.
8. Вопросы для контроля
1. Интеграл энергии при релятивистских скоростях электронов. Виды электронных траекторий
при движении в статических однородных электрическом и магнитном полях.
2. Преставление радиус-вектора и скорости электрона при движении в слабо неоднородных
полях. Условия сохранения поперечного адиабатического инварианта. Теорема Буша.
Устройство и принцип работы магнетронно-инжекторной пушки гиротрона.
3. Вариационные принципы динамики заряженных частиц (принцип Гамильтона, укороченного
действия, Мопертюи). Электронно-оптический коэффициент преломления.
4. Классификация электростатических линз. Построение изображения в тонкой и толстой
линзах.
5. Классификация магнитных линз. Понятие о квадрупольных линзах и электронных зеркалах.
Виды аберраций электронных линз.
6. Виды электронных микроскопов (эмиссионный, просвечивающий, отражательный,
растровый, автоэлектронный, автоионный), принцип их действия.
7. Принцип работы системы рекуперации энергии электронов в мощных электронных
приборах.
8. Отличия режимов температурного ограничения эмиссии и ограничения тока
пространственным зарядом в электронных диодах. Закон “трех вторых” для плоского диода.
9. Пушки Пирса. Предельный ток транспортировки электронного пучка в пространстве дрейфа.
10. Силы, действующие на электрон при выходе из твердого тела. Профиль потенциального
барьера на границе твердого тела.
11. Теория термоэлектронной эмиссии из твердого тела. Механизмы действия пленочного и
оксидного катодов.
12. Изменение профиля потенциального барьера на границе твердого тела под действием
внешнего электрического поля. Эффект Шоттки. Автоэлектронная и взрывная эмиссия.
13. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения первичных
электронов. Распределение вторичных электронов по энергиям.
14. Основные законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова и Эйнштейна). Типы
фотокатодов и их сравнительные характеристики.
15. Принцип работы и быстродействие фотоэлементов с внешним фотоэффектом.
Фотоумножители.
9. Критерии оценок
Зачтено
Не зачтено
В целом хорошая подготовка с некоторыми ошибками.
Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения
испытания.
5
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Не предусмотрена.
6
Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по направлению 011800 «Радиофизика»
Автор программы_________________ Мануилов В.Н.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 06 апреля 2011 года протокол № 4
Заведующий кафедрой __________________ Гапонов С.В.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.
7