ШУМОВАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОГО КАТОДА

January 3, 2013 by admin Комментировать »

Воробьев М. Д.*, Юдаев Д. Н.*, Глумова М. В.**, Анджело Я. Г. * Московский энергетический институт (Технический университет) г. Москва, 111250, Россия тел.:495-3627524, e-mail: VorobyevMD@mpei.ru **Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского г.  Симферополь, 95007, Украина тел.: 80652230360, e-mail: gmv@tnu.crimea.ua

Аннотация – Предложена динамическая модель эмитирующей поверхности термокатода, позволяющая воспроизвести основные физические процессы при его работе и учесть причины, приводящие к появлению фликкерной составляющей шума. Рассмотрены расчетные методы для определения дробовой компоненты шума в базовой диодной ячейке и приведены подтверждающие их результаты экспериментальных исследований.

I.                                       Введение

Многогранность использования шумов катодов при проектировании и эксплуатации электровакуумных приборов выдвигает задачу создания такой модели катода, которая могла бы позволить разработчику приборов знать уровень шума для базовой диодной ячейки (плоского диода) в различных режимах работы. Это, в свою очередь, требует разработать

–         модель эмиссии для различных типов катодов исходя из существующих представлений о механизме эмиссии и динамики процессов на эмитирующей поверхности;

–         модель дробовой и фликкерной компонент шумов;

–         модель, учитывающую влияние прикатодного пространственного заряда на уровень шумов.

Очевидно, что решение такой задачи требует привлечения как чисто расчетных методов, основанных на аналитических решениях, так и методов численного моделирования, способных воспроизвести, хотя бы приближенно, различные представления о процессах на эмитирующей поверхности и в прилегающих слоях.

II.                              Основная часть

в основу модели катода были положены представления о структуре эмитирующей поверхности и динамических процессах на ней для широко распространенного эффективного термокатода – оксидного

[2]     . Поверхность представляется как совокупность граней кристаллов ВаО, покрытых активирующими атомами Ва, поступающими из глубинных слоев эмитирующего слоя. Атомы Ва мигрируют по поверхности ПО законам поверхностной диффузии, испаряются или связываются атомами остаточных газов, а на смену убывшим из глубины слоя поступают новые. Эмиссионный рельеф поверхности имеет вид соседствующих друг с другом пятен (поверхностей кристаллов ВаО), работа выхода которых зависит от числа активирующих атомов, находящихся на них. Согласно этим представлениям, динамическая модель поверхности катода (рис.1) представляется разбитой на кластеры, первоначальное состояние которых ПО содержанию в них активирующих атомов определяется исходя из нормального распределения и ТИПИЧНОЙ для катода работы выхода. Механизм миграции моделируется прыжковым характером перехода атома из одной поверхностной ячейки (потенциальной ямы), в которой он находится в устойчивом состоянии, в другую с преодолением потенциального барьера, существующего между ячейками. Различные оттенки серого на рис.1 указывают на различия в работе выхода и в целом составляют эмиссионный профиль в определенный момент времени.

Рис. 1. Эмиссионный профиль поверхности катода.

Fig. 1. Emission section of cathode surface

Проверка работоспособности динамической модели катода проводилась путем сопоставления результатов расчета вольт – амперных характеристик (ВАХ) базовой диодной ячейки с использованием численной динамической модели диода и статической моделью катода [3]. Было показано, что как в режиме пространственного заряда, так и при переходе К режиму насыщения ВАХ для статической и динамической моделей катода были близкими.

С целью проверки возможности с помощью динамической модели воспроизвести фликкер-шум, было найдено спектральное преобразование изменений анодного тока в широком диапазоне частот (рис.2), которое содержит отчетливо заметное повышение спектральной ПЛОТНОСТИ флуктуаций тока на частотах ниже 50 ООО Гц, в то время как для статической модели катода такого подъема не наблюдалось.

Рис. 2. Спектральное преобразование анодного тока.

Fig. 2. Anode current spectral transformation

Предложенная динамическая модель термокато- да, несмотря на явную необходимость ее усовершенствования для практического использования, даже на основании первых полученных результатов может рассматриваться как эффективный инструмент моделирования влияния термокатода на работу электровакуумных приборов. В то же время наиболее серьезным недостатком численного моделирования является ограниченность быстродействия вычислительных средств при попытках моделирования низкочастотных флуктуаций. Поэтому в качестве экспресс – оценок целесообразно прибегнуть к использованию аналитических решений, позволяющих, например, дополнить шумовую модель катода возможностью достаточно быстро определить уровень дробового шума с учетом демпфирующего влияния пространственного заряда.

Несмотря на то, что задача нахождения дробового шума с учетом пространственного заряда давно решена и опубликованы результаты по экспериментальному подтверждению [1], в дальнейшем рядом авторов отмечалось значительное расхождение между расчетными и экспериментальными результатами [2]. Для преодоления указанных противоречий были проанализированы алгоритмы расчета коэффициента депрессии Г^, связывающего спектральную плотность флуктуаций тока S, с величиной отбираемого с катода тока /а в режиме пространственного заряда. Найдены способы минимизации погрешностей и устранения проблем численного интегрирования с подынтегральными функциями, стремящимися к бесконечности.

Fig. 3. Spectral characteristics for various heat voltage

Рис. 3. Спектральные характеристики при различных напряжениях накала.

Проблемы расчета наиболее сложных случаев, соответствующих переходу от режима пространственного заряда к режимам начальных токов и насыщения, решаются путем повышения точности расчетов. Для экспериментального подтверждения расчетов использовались образцы электровакуумных приборов с оксидным катодом в диодном включении. Измерения проводились с использованием системы, позволяющей получать цифровыми методами спектральные характеристики шума в диапазоне 10 – 200000 Гц, достаточном для нахождения условий, при которых измеряемый шум с большой уверенностью можно было считать дробовым. Спектральные характеристики при различных напряжениях накала (рис.З) свидетельствуют о существовании таких условий в диапазоне частот 50 – 200 кГц; на меньших частотах преобладает фликкерная составляющая шума.

Puc. 4. Зависимость уровня дробового шума от напряжения накала.

Fig. 4. Heat voltage dependence of level shot noise ia=1, 12mA; eφ =1.6эВ; Fk=0.19cM^; дак=0,012см

Ha рис.4 показана полученная согласно расчету зависимость уровня дробового шума от напряжения накала (температуры катода) при переходе от режима насыщения к режиму пространственного заряда.

Здесь же показана экспериментальная зависимость, в целом свидетельствующая об отсутствии значительных расхождений с расчетом.

III.                                     Заключение

Предложенная модель термокатода с динамической эмитирующей поверхностью обладает широкими возможностями, хотя и требует для реализации значительных вычислительных ресурсов. Показано, что в ряде случаев, например, при определении дробовой компоненты шума, модель целесообразно дополнить фрагментами, основанными на классических аналитических решениях.

IV.                          Список литературы

[1]   Thompson В. J., North D. О. and Harris И/. А. Fluctuations in space-charge – limited currents at moderately high frequencies. RCA Rev., April 1940, p. 441-472.

[2]   Brodie I. Noise reduction in space charge limited thermionic diodes. Int. J. Electronics, 1987, Vol. 62, No. 1, p. 1-7.

[3]   Гпумова IVI. S., Воробьев M. Д. Возможности эксплуатации численной динамической модели электроннолучевых приборов // Радиоэлектроника и информатика 2002.-№ 1.-С.16-18

NOISE MODEL OF THERMIONIC CATHODE

Vorobyev M. D., Yudaev D. N.,

Glumova M. V., Angelo Y. G.

Moscow Power Engineering institute(Technical University) Moscow, 111250, Russia

Ph.: 495-3627524, e-mail: VorobyevMD@mpei.ru Tavrida National Vernadsi<y University Simferopol, 95007, Ui<raine Ph.: 0652-230360, e-mail: gmv@tnu.crimea.ua

Abstract – Proposed in this paper is dynamic model of thermionic cathode emitting surface. This model fragment makes it possible to simulate the shot component of noise for the base diode cell of electrovacuum device in any mode. Experimental check was executed for the model designed using the samples of oxide cathodes.

I.                                        Introduction

The variety of cathode noises puts forward the problem for design of cathode model which would enable device developer to be aware of the noise level for the basic diode cell (flat diode) in various operation modes. It requires to develop:

–        an emission model for different types of cathodes based upon emission mechanism and dynamics of the processes on the emitting surface;

–        a shot and flicker model for components of noises;

–        a model taking into account the influence of a spatial charge near the cathode on the noise level.

The solution of this problem obviously requires using both calculations based on analytical solutions and numerical simulation methods, which make it possible to represent a variety of processes on the emitting surface and adjoining layers.

II.                                       Main Part

A numeric dynamic cathode model has been designed taking into account surface diffusive emitter centers and using the macroparticle method to investigate different noise modes of the device. On the first development stage the algorithms have been analyzed to estimate the depression factor of shot noise. Methods for minimizing errors and eliminating problems of numerical integration related to integrands tending to infinity have been found.

III.                                      Conclusion

The developed thermionic cathode noise model fragment related to the shot noise component makes it possible to simulate noise for any mode of the basic diode cell. On the basis of this diode cell noise model a complex electrovacuum device can be designed. The results of computational modeling and measurements do not have significant divergences.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты