История вакуумной электроники реферат

Обновлено: 01.07.2024

Начало исследований электронных процессов связано с открытием эффекта термоэлектронной эмиссии американскому изобретателем Т. А. Эдисоном в 1883 году, который обнаружил эффект протекания тока в вакууме между угольной нитью и впаянным в вакуумированную стеклянную колбу металлическим электродом. Эдисон обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода.

Первый электронный прибор — вакуумный фотоэлемент — был создан русским физиком, профессором Московского Университета А. Г. Столетовым в 1888 году. Фотоэлемент Столетова полностью соответствовал сформулированному позже определению электронного прибора, как прибора, в котором происходит взаимодействие электронов с электромагнитными волнами. Электромагнитные волны светового спектра выбивали из фотокатода поток электронов. Между фотокатодом и анодом с положительным зарядом возникал фототок. Этот процесс, проходящий в вакууме, позже использовался в различных фотоэлектронных приборах.

Позже были сформированы три основные направления электроники, созданные в результате изобретений, имеющих значение научно-технических революций:

изобретения вакуумного триода в 1907 году;

изобретения транзистора в 1948 году;

изобретения лазера в 1960 году.

Каждое из этих изобретений стало базой создания соответствующих направлений в электронике: вакуумной, твердотельной и квантовой электроники.

Изделия вакуумной электроники представляют собой вакуумные (электровакуумные и газоразрядные) приборы, в которых взаимодействие эмитируемых катодом электронов происходит в вакууме в герметизируемом баллоне. Вакуумные приборы генерируют и принимают электромагнитные излучения в диапазоне от 10-2 до 1021 Гц.

В 1886 г. А. С. Попов и итальянец Маркони независимо друг от друга передали по радио на дальние расстояния телеграфные сигналы. К началу XX века стала очевидной необходимость создания для радио хорошего усилителя.

Если первым шагом в создании такого усилителя было открытие эффекта Эдисона, то вторым стало изобретение Флемингом в 1904 г. вакуумного диода. Как точечный кристаллический детектор он выпрямлял радиочастотные сигналы, но не был в состоянии их усилить.

Третий шаг в создании усилителя был осуществлен Ли де Форестом. В 1906 г. он подал заявку на выдачу патента на трехэлектродную вакуумную лампу. Эта лампа была аналогична лампе Флеминга, за исключением весьма важной особенности — она содержала управляющую сетку между нитью накала и анодом.

Первые приборы имели низкое усиление. Необходимы были дополнительные решения, чтобы превратить их в полезный усилитель. На это ушло шесть лет, и тогда действительно началась эпоха радио и современной электроники.

Вакуумные лампы с теоретической точки зрения были изучены вполне достаточно, чтобы служить трамплином для развития радио. Триод с высоким усилением был полностью разработан в 1927 г. главным образом благодаря вкладу Лангмюра, предсказавшего, что, заключив лампу в колбу с высоким вакуумом, можно добиться лучших технических характеристик.

Отечественная электровакуумная промышленность начала создаваться лишь с 1918 года. Работы, начатые в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории позволили производить генераторные лампы до 1 кВт, а в 1923 г. — лампы на 25 кВт с водяным охлаждением, в то время — самые мощные в мире. В 1933—1934 гг. А. Л Минцем и Н. Н. Огановым были созданы первые разборные мощные генераторные лампы. Идея подогревного катода для приемно-усилительных ламп была предложена А. А. Чернышевым. Большой вклад в создание катодов для этих ламп был сделан А. А. Шапошниковым и С. А. Векшинским. Из теоретических работ следует отметить работы С. А. Богуславского в 1924 г. по токопрохождению в диоде, а затем работы Г.А. Гринберга, B.C. Лукошкова и многих других ученых.

В сороковые-восьмидесятые годы XX века в Советском Союзе была создана мощная радиоэлектронная промышленность. Многие НИИ, КБ и заводы занимались разработкой и созданием приемно-усилительных ламп. Применение электронных ламп в самых разнообразных условиях работы — как климатического характера (начиная с Дальнего Севера и кончая тропиками), так и по назначению аппаратуры (начиная со стационарных установок и кончая бортовыми приборами для ракет и космических исследований) — заставляло предъявлять к электронным лампам чрезвычайно жесткие и разнообразные требования, прежде всего отражающиеся на их конструктивном оформлении. Основные из этих требований: механическая прочность, возможно меньшие габариты и вес при заданных параметрах, эксплуатационная надежность лампы, ее экономичность, устойчивость параметров в течение всего времени работы, возможно меньший разброс их по параметрам и, наконец, возможно большая долговечность.

Современные приборы вакуумной электроники подразделяются на следующие классы:

^ 1. Электронные приёмно-усилительные лампы (ПУЛ) – это диоды, триоды, тетроды, пентоды и др. приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется электростатически, с помощью электродов. ПУЛ предназначены главным образом для усиления и генерирования электромагнитных колебаний с частотой до 3*109 Гц и мощностью рассеивания на аноде до 25 Вт. Основные области применения ПУЛ – радиотехника, радиовещание, радиосвязь, телевидение.

^ 2. Газоразрядные (ионные) приборы – электронные приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через разреженный газ – газовый разряд. В газоразрядных приборах используются дуговой, тлеющий, искровой и коронный разряды. Приборы этого класса имеют малое внутреннее сопротивление и способны пропускать токи до 104 А. К газоразрядным приборам относятся газоразрядные СВЧ-приборы, газотроны, стабилитроны, ртутные и водородные тиратроны, счётчики ионизирующих частиц, газоразрядные источники света, газоразрядные лазеры, плазменные панели телевизионных экранов.

^ 3. Генераторные лампы – это электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источников тока в энергию высокочастотных (до 1010 Гц) колебаний. Диапазон мощностей генераторных ламп от 25 Вт до 250 кВт. Генераторные лампы применяются в качестве радиопередатчиков в радиовещании, телевидении, радиолокации, в измерительной технике, в медицинской электронной аппаратуре, в ускорителях заряженных частиц.

^ 4. Электровакуумные СВЧ приборы – приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ-поля происходит вследствие дискретного (в клистронах) или непрерывного (лампы бегущей волны, магнетроны) взаимодействия электронов с СВЧ электромагнитным полем. Приборы этого класса используются для генерирования, усиления и преобразования электромагнитных сигналов с частотой от 3*108 до 3*1013 Гц. Освоение электровакуумными приборами СВЧ диапазона частот от 300 МГц до 10000 ГГц обеспечило получение высокой направленности излучения, что стало базой развития радиолокации и увеличения числа каналов связи – основы радиорелейной и космической связи.

^ 5. Электронно-лучевые приборы (ЭЛП) – приборы, в которых сфокусированный в узкий луч поток электронов взаимодействует с мишенью (экраном). К основным типам ЭЛП относятся: ЭЛП отображения информации (приёмные ЭЛП, электронно-лучевые трубки) – телевизионные, дисплейные, осциллографические, индикаторные, проекционные, запоминающие; передающие ЭЛП, преобразующие оптические сигналы для телевизионных систем; преобразовательные ЭЛП, в которых мишень является промежуточным элементом.

^ 6. Фотоэлектронные приборы, преобразующие энергию электромагнитных излучений видимого или невидимого оптического диапазона в электрическую энергию, или изображения в невидимых (ИК, УФ, рентгеновских) излучениях в видимое изображение. К вакуумным фотоэлектронным приборам относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости изображения, передающие электронно-лучевые приборы.

В 1948 г. в Bell Telephan Lab (USA) выдающимися инженерами и учеными В. Шокли, Д. Бардиным и У. Братейном был создан полупроводниковый транзистор. На смену вакуумной электроники пришла эра полупроводниковой микроэлектроники. К настоящему времени созданы полупроводниковые приборы, функционально решающие практически все задачи, которые в свое время были решены приемно-усилительными лампами и в значительной мере лампами СВЧ диапазона. Интегральные схемы могут содержать в одном кристалле десятки, сотни, тысячи (большие интегральные схемы - БИС) и миллионы активных элементов (сверхбольшие интегральные схемы - СБИС). Развитие массового производства транзисторов, интегральных микросхем, плоскопанельных индикаторов и дисплеев привело к грандиозным изменениям в электронике. В то же время вакуумная электроника не исчезла, она перешла на другой фундаментальный научно-технический уровень развития. Появилась вакуумная микроэлектроника.

В 1988 г. в Вилнамсбурге (США) состоялась первая международная конференция по вакуумной микроэлектронике. Основной доклад на конференции сделал Айвор Броди — один из основоположников этого направления. По мнению Броди, вакуумная микроэлектроника приобрела огромное значение благодаря двум факторам общего характера: возросли требования, которым уже не могут удовлетворить твердотельные приборы, даже после огромных исследовательских затрат, и, кроме того специалисты пришли к выводу, что отнюдь не будет непрактичным делать вакуумные лампы микронных и субмикронных размеров.

Можно выделить два направления работ, обеспечивших появление вакуумной микроэлектроники и приведения к ее сегодняшнему состоянию.

Во-первых, это исследования вакуумного пробоя. В начале 20-х годов прошлого столетия пробой заявил о себе в периодических срывах трансатлантических радиопередач, осуществляемых с помощью высокомощных ламп Маркони. Госслинг, работавший у Маркони, исследовал этот эффект и в 1926 г. опубликовал работу, в которой высказал гипотезу, что пробой вызывается электронами, эмитируемыми с выпуклостей на вольфрамовом стержневом катоде. Эти выпуклые неоднородности взрывались, вызывая пробой. Анализ полученных результатов и дальнейшие исследования привели в конечном счете к уравнению Фаулера — Нордгейма. Открытие того, что электроны могут вылетать с холодных катодов под действием электрических полей с высокой напряженностью, вызвало развитие множества проектов автоэмиссионных приборов.

Второй путь к вакуумной микроэлектронике связан с удивительным совершенствованием технологии за последние 20 лет. Оказалось, что оборудование и технологии, разработанные для интегральных схем (нанесение тонких пленок, химическое и плазменное травление; оптическая, электронная, рентгеновская литография) пригодны для изготовления вакуумных микроэлектронных приборов.

Перспективы реабилитации хронических инфекционно-воспалительных заболеваний, вызываемых оппортунистической микрофлорой

При таком системном подходе необходимо исследовать ряд фундаментальных проблем, среди которых: Детектор информационных сигналов или устройство отбора энергии от электронного потока. Устройство управления ансамблем электронов в континуальной среде (физические поля). Свойства вакуумных континуальных сред, способы создания и измерения вакуума; На рис. 3.1 приведена схематическая модель прибора… Читать ещё >

электроника. часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Вакуумная электроника. Электроника. Часть 1 вакуумная и плазменная электроника ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Вакуумная электроника— это раздел электроники, включающий в себя исследования взаимодействия потока свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется.

Модель прибора вакуумной электроники

Приборы вакуумной электроники можно классифицировать в зависимости от физического принципа действия, назначения и технологии производства. В основу классификации может быть положена и предложенная модель приборов вакуумной электроники.

Изучение приборов и устройств электроники целесообразно проводить с системных позиций. С этой целью введем модель прибора вакуумной электроники, в которой будем различать пять основных элементов:

1. Носитель информационного сигнала — ансамбль свободных электронов.
2. Генератор или эмиттер свободных электронов.
3. Континуальная среда, которой служит вакуум для электровакуумных приборов, или плазма для ионных приборов.
4. Устройство управления ансамблем электронов в континуальной среде (физические поля).
5. Детектор информационных сигналов или устройство отбора энергии от электронного потока.

На рис. 3.1 приведена схематическая модель прибора вакуумной электроники.

При таком системном подходе необходимо исследовать ряд фундаментальных проблем, среди которых:

Этапы развития вакуумной техники

Герон из Александрии (Heronis Alexandrini, Hpojv о AZecgvopei’ig, 10-75) описывает приспособления (шприц и колба Герона), которые можно считать прототипами пневматических механизмов, использованных позднее для создания разрежения.

В 1654 г. губернатор Магдебурга Отто фон Герике (Otto von Goerike) (1602-1685) провел откачку воздуха из полости между металлическими полушариями при помощи разработанного им первого примитивного вакуумного водоуплотняемого поршневого насоса. Атмосферное давление сжало полушария так, что их не могли разорвать 8 пар лошадей (рис. 1.6). Правда, следует отметить, что все эти опыты проводились для определения величины атмосферного давления.

Одно из первых наблюдений падения давлений в результате улавливания атомов металлической пленкой (т.е. сорбционная откачка) проведено в 1858 г. немецким физиком Юлиусом Плакером (Julius Plucker) (1801-1868).

Первые опыты по связыванию молекул газа с помощью паров пятиокиси фосфора с образованием нелетучего соединения (хемосорбция, геттерная откачка) проведены итальянцем Артуро Малиньяни (Arturo Malignani) (1865-1939) в 1894 г. при производстве ламп накаливания.

В области вакуумметрии (т.е. замера глубины вакуума) разработка деформационного манометра проведена французским часовщиком Эженом Бурдоном (Eugene Bourdon) (18081884) в 1849 г ., компрессионного манометра — шотландцем Гербертом Мак-Леодом (Herbert G. McLeod) (1841-1923) в 1874 г.

Разработка теплового (термопарного) манометра выполнена немцем Марчелло Пирани (Marcello Stefano Pirani) (18801968) в 1906 г. и усовершенствована К.Ф. Хейлом в 1911 г., ионизационного — Оливером Бакли (Oliver Ellsworth Buckley) (1887-1959) в 1916 г. (Research Laboratory, American Telephone and Telegraph Company and Western Electric Company), ионизационного манометра с холодным катодом — голландским физиком Францем Мишелем Пеннингом (Frans Michel Penning) (1894-1953) в 1936 г., ионизационного с горячим катодом -в 1950 г. американцами Робертом Байярдом и Дэниэлом Альпертом (Robert T. Bayard and Daniel Alpert).

Параллельно разработкам по созданию вакуумной техники было открыто три элементарные частицы — протон, нейтрон и электрон.

Второй волной в развитии вакуума (1950-1960-е гг.) стала разработка ускорителей заряженных частиц, электронных микроскопов, установок управляемого термоядерного синтеза и имитаторов космического пространства.

Вообще в истории развития вакуумной техники можно выделить три основных этапа:

1) улучшение вакуума (достижение максимального разрежения);

2) увеличение размеров вакуумных устройств;

3) увеличение скоростей откачки и решение вопросов поддержания высокого и сверхвысокого вакуума.

Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения многочисленных исследований свойств разреженного газа. Изучается влияние вакуума на живые организмы.

Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения. Теплоизолирующие свойства вакуума помогли создать правильное представление о способах передачи теплоты и послужили толчком для развития криогенной техники.

Успешное изучение свойств разреженного газа обеспечило возможность его широкого технологического применения. Оно началось с изобретения в 1873" г. первого электровакуумного прибора— лампы накаливания с угольным электродом — русским ученым А. Н. Лодыгиным и открытием американским ученым и изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента вакуумная техника становится технологической основой электровакуумной промышленности.

Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения и измерения вакуума. За небольшой период времени в начале XX в. были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Д. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913).

Аналогичные успехи были достигнуты и в развитии способов измерения вакуума. К U-образному манометру Торричелли добавились компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).

Одновременно совершенствуются научные основы вакуумной техники. В России П. Н. Лебедев (1901) впервые использует в своих опытах идею удаления остаточных газов с помощью ртутного пара. В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса (М. Кнудсен, М. Смолуховский, И. Ленгмюр, С. Дешман).

В СССР становление вакуумной техники связано с именем академика С. А. Векшинского (1896—1974), организовавшего в 1928 г. вакуумную лабораторию в Ленинграде, а затем возглавившего научно-исследовательский вакуумный институт в Москве.

До 50-х годов существовало мнение, что давления ниже Ю-6 Па получить невозможно. Однако работы американских ученых Ноттингема (1948) по измерению фоновых токов ионизационного манометра и Альперта (1952) по созданию ионизационного манометра с осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений вакуумной техники еще на три-четыре порядка в область сверхвысокого вакуума.

Для получения сверхвысокого вакуума изобретают новые насосы: турбомолекулярный (Беккер, 1958), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 1959); совершенствуются паромасляныё и криосорбционные насосы.

При измерении низких давлений применяются анализаторы парциальных давлений, с помощью которых определяют состав и давление каждой компоненты остаточных газов. Сверхвысокова-куумные системы потребовали для обеспечения их надежной сборки и эксплуатации разработки чувствительных методов определения натеканий в вакуумных системах: масс-спектрометрического, галоидного и др. Для снижения газовыделения вакуумных конструкционных материалов начинает применяться высокотемпературный прогрев всей вакуумной установки.

Вакуумные системы изготавливают цельнометаллическими, разрабатывают конструкции сверхвысоковакуумных уплотнений, вводов движения и электрических вводов в вакуум. Совершенствуются технологические методы получения неразъемных соединений металла со стеклом, электронно-лучевая и газовая сварка. В 60-х годах успешное развитие вакуумной техники привело к разработке стохастических методов расчета вакуумных систем.

Достижения криогенной техники в получении низких температур нашли применение в технологии получения вакуума. Криогенные вакуумные насосы начали применять в научных исследованиях, а затем и в промышленности. Разработка откачных средств, не загрязняющих откачиваемый объект, открыла новые перспективы для применения вакуумной техники.

Читайте также: