Воробйов М Д *, Юдаев Д Н *, Глумова М В **, Анджело Я Г * Московський енергетичний інститут (Технічний університет) м Москва, 111250, Росія тел :495-3627524, e -mail: VorobyevMD@mpeiru ** Таврійський національний університет ім В І Вернадського м Сімферополь, 95007, Україна тел: 80652230360, e-mail: gmv@tnucrimeaua

Анотація – Запропонована динамічна модель емітує поверхні термокатодом, що дозволяє відтворити основні фізичні процеси при його роботі і врахувати причини, що призводять до появи фліккерной складової шуму Розглянуто розрахункові методи для визначення дробовий компоненти шуму в базовій диодной комірці і приведені підтверджують їх результати експериментальних досліджень

I                                       Введення

Багатогранність використання шумів катодів при проектуванні та експлуатації електровакуумних приладів висуває завдання створення такої моделі катода, яка могла б дозволити розробнику приладів знати рівень шуму для базової диодной комірки (плоского діода) в різних режимах роботи Це, в свою чергу, вимагає розробити

– модель емісії для різних типів катодів виходячи з існуючих уявлень про механізм емісії та динаміки процесів на емітує поверхні

– модель дробовий і фліккерной компонент шумів

– модель, що враховує вплив прікатодних просторового заряду на рівень шумів

Очевидно, що рішення такого завдання вимагає залучення як чисто розрахункових методів, заснованих на аналітичних рішеннях, так і методів чисельного моделювання, здатних відтворити, хоча б наближено, різні уявлення про процеси на емітує поверхні і в прилеглих шарах

II                              Основна частина

в основу моделі катода були покладені уявлення про структуру емітує поверхні і динамічних процесах на ній для широко розповсюдженого ефективного термокатодом – оксидного

[2] Поверхня представляється як сукупність граней кристалів ВаО, покритих активирующими атомами Ва, які надходять з глибинних шарів емітуючого шару Атоми Ва мігрують по поверхні ПО законам поверхневої дифузії, випаровуються або звязуються атомами залишкових газів, а на зміну убившім з глибини шару надходять нові Емісійний рельєф поверхні має вигляд сусідять один з одним плям (поверхонь кристалів ВаО), робота виходу яких залежить від числа активують атомів, що знаходяться на них Згідно з цими уявленнями, динамічна модель поверхні катода (рис1) представляється розбитою на кластери, первинний стан яких ПО вмісту в них активують атомів визначається виходячи з нормального розподілу і типово для катода роботи виходу Механізм міграції моделюється стрибковим характером переходу атома з однієї поверхневої комірки (потенційної ями), в якій він знаходиться в стійкому стані, в іншу з подоланням потенційного барєру, існуючого між осередками Різні відтінки сірого на рис1 вказують на відмінності в роботі виходу і в цілому складають емісійний профіль в певний момент часу

Рис 1 Емісійний профіль поверхні катода

Fig 1 Emission section of cathode surface

Перевірка працездатності динамічної моделі катода проводилася шляхом зіставлення результатів розрахунку вольт – амперних характеристик (ВАХ) базової диодной осередку з використанням чисельної динамічної моделі діода і статичної моделлю катода [3] Було показано, що як в режимі просторового заряду, так і при переході До режиму насичення ВАХ для статичної та динамічної моделей катода були близькими

З метою перевірки можливості за допомогою динамічної моделі відтворити флікер-шум, було знайдено спектральне перетворення змін анодного струму в широкому діапазоні частот (рис2), яке містить виразно помітне підвищення спектральної ГУСТИНИ флуктуацій струму на частотах нижче 50 ТОВ Гц, в той час як для статичної моделі катода такого підйому не спостерігалося

Рис 2 Спектральне перетворення анодного струму

Fig 2 Anode current spectral transformation

Запропонована динамічна модель термокато-так, незважаючи на явну необхідність її удосконалення для практичного використання, навіть на підставі перших отриманих результатів може розглядатися як ефективний інструмент моделювання впливу термокатодом на роботу електровакуумних приладів У той же час найбільш серйозним недоліком чисельного моделювання є обмеженість швидкодії обчислювальних засобів при спробах моделювання низькочастотних флуктуацій Тому в якості експрес – оцінок доцільно вдатися до використання аналітичних рішень, що дозволяють, наприклад, доповнити шумову модель катода можливістю досить швидко визначити рівень дробового шуму з урахуванням демпфуючого впливу просторового заряду

Незважаючи на те, що завдання знаходження дробового шуму з урахуванням просторового заряду давно вирішена і опубліковані результати з експериментального підтвердженню [1], надалі поруч авторів зазначалося значне розходження між розрахунковими і експериментальними результатами [2] Для подолання зазначених суперечностей були проаналізовані алгоритми розрахунку коефіцієнта депресії Г ^, що звязує спектральну щільність флуктуацій струму S, з величиною отбираемого з катода струму / а в режимі просторового заряду Знайдено способи мінімізації похибок і усунення проблем чисельного інтегрування з подинтегральних функціями, які прагнуть до нескінченності

Fig 3 Spectral characteristics for various heat voltage

Рис 3 Спектральні характеристики при різних напружених розжарення

Проблеми розрахунку найбільш складних випадків, відповідних переходу від режиму просторового заряду до режимам початкових струмів і насичення, вирішуються шляхом підвищення точності розрахунків Для експериментального підтвердження розрахунків використовувалися зразки електровакуумних приладів з оксидним катодом в діодному включенні Виміри проводилися з використанням системи, що дозволяє отримувати цифровими методами спектральні характеристики шуму в діапазоні 10 – 200 000 Гц, достатньому для знаходження умов, при яких вимірюваний шум з великою впевненістю можна було вважати дробовим Спектральні характеристики при різних напружених напруження (рісЗ) свідчать про існування таких умов в діапазоні частот 50 – 200 кГц на менших частотах переважає фліккерная складова шуму

Puc 4 Залежність рівня дробового шуму від напруги напруження

Fig 4 Heat voltage dependence of level shot noise ia = 1, 12mA eφ = 16еВ Fk = 019cM ^ дак = 0,012 см

Ha рис4 показана отримана згідно з розрахунком залежність рівня дробового шуму від напруги напруження (температури катода) при переході від режиму насичення до режиму просторового заряду

Тут же показана експериментальна залежність, в цілому свідчить про відсутність значних розбіжностей з розрахунком

III                                     Висновок

Запропонована модель термокатодом з динамічною емітує поверхнею володіє широкими можливостями, хоча і вимагає для реалізації значних обчислювальних ресурсів Показано, що в ряді випадків, наприклад, при визначенні дробовий компоненти шуму, модель доцільно доповнити фрагментами, заснованими на класичних аналітичних рішеннях

IV                          Список літератури

[1] Thompson В J, North D О and Harris І / 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, Воробйов M Д Можливості експлуатації чисельної динамічної моделі електроннопроменевих приладів / / Радіоелектроніка та інформатика 2002 – № 1-С16-18

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@mpeiru Tavrida National Vernadsi<y University Simferopol, 95007, Ui<raine Ph: 0652-230360, e-mail: gmv@tnucrimeaua

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р