電子電導(dǎo)

電子電導(dǎo)研究背景

分布作用速調(diào)管(EIK)作為一種新型微波源器件，因其在高頻段具有高功率與高效率的特點(diǎn)，正被深入地研究。EIK的核心技術(shù)是采用多間隙耦合腔作為高頻電路。多間隙腔提高了電路的特性阻抗，從而提高了間隙中注波互作用效率，并增加了帶寬。由于間隙間相互耦合使得諧振腔模式增加，這些模式的存在和互相干擾會(huì)影響速調(diào)管的正常工作，尤其當(dāng)非工作模式不穩(wěn)定時(shí)，更會(huì)嚴(yán)重影響速調(diào)管的工作特性。因此對(duì)多間隙腔的模式及其穩(wěn)定性的分析非常重要。

電子電導(dǎo)是反映間隙注波互作用過(guò)程中電子注與電路高頻場(chǎng)能量交換的重要參量。對(duì)電路穩(wěn)定性的分析足以通過(guò)間隙電子電導(dǎo)的正負(fù)來(lái)判斷電路是否陷于正反饋，并因此采取措施進(jìn)行抑制。對(duì)于多間隙腔，通常將耦合腔等效為一個(gè)間隙來(lái)計(jì)算電子電導(dǎo)。但多間隙腔中電子注在每個(gè)間隙都與高頻場(chǎng)進(jìn)行注波相互作用，在每個(gè)間隙上體現(xiàn)出不同的電子負(fù)載效應(yīng)，整體的電子電導(dǎo)無(wú)法反映單個(gè)間隙中的注波互作用機(jī)理，也不能對(duì)間隙中的模式穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析。為進(jìn)一步研究多間隙耦合腔中的注波互作用機(jī)理及更加深入細(xì)致地分析間隙模式的穩(wěn)定性，也為了發(fā)展EIK注波互作用計(jì)算模型，需要研究在單個(gè)間隙上的注波互作用與電子負(fù)載效應(yīng)。研究利用空間電荷波理論，以三間隙耦合腔為例，推導(dǎo)了耦合腔中每個(gè)間隙電子電導(dǎo)的計(jì)算公式。利用各個(gè)模式的電子電導(dǎo)，進(jìn)行了多間隙耦合腔的模式穩(wěn)定性分析。建立了仿真模型，分析了耦合腔中各個(gè)間隙模式的注波互作用特性及電子電導(dǎo)的變化趨勢(shì)。

電子電導(dǎo)理論分析

根據(jù)空間電荷波理論，快波和慢波與間隙中高頻場(chǎng)進(jìn)行互作用，產(chǎn)生能量交換，它們?cè)谧⒉ɑプ饔弥械挠绊懖煌??？觳ǖ南嗨俑哂陔娮幼⒌南嗨伲瑢?dǎo)致電子注吸收功率，使電子電導(dǎo)為正值。而慢波相速低于電子注相速，其互作用導(dǎo)致電子注放出功率，使電子電導(dǎo)為負(fù)值。由電子電導(dǎo)計(jì)算式得到，當(dāng)快波在與某一模式的間隙場(chǎng)互作用中占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，即其耦合系數(shù)M(β₁)與相位因子F(β₁)的乘積大于慢波時(shí)，電子電導(dǎo)為正，該模式處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之當(dāng)慢波占主導(dǎo)時(shí)，電子電導(dǎo)為負(fù)值，則電路陷于正反饋，容易產(chǎn)生自激導(dǎo)致不穩(wěn)定。電子注中的快慢波與各個(gè)模式場(chǎng)的同步及耦合作用共同決定了模式的穩(wěn)定性。由于各個(gè)模式參數(shù)不同，導(dǎo)致其與電荷波中的快波或慢波的互作用中強(qiáng)弱關(guān)系也不同，所以模式穩(wěn)定特性也不同。合理選擇電子注參數(shù)及間隙參數(shù)，可以使諧振腔各個(gè)模式的間隙電子電導(dǎo)都為正，從而使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)的正常工作。

電子電導(dǎo)研究結(jié)論

研究利用空間電荷波小信號(hào)理論，建立了多間隙耦合腔中單個(gè)間隙電子電導(dǎo)的計(jì)算模型，并用來(lái)進(jìn)行了間隙注波互作用及穩(wěn)定性分析。以三間隙耦合腔為例進(jìn)行了計(jì)算與分析，結(jié)果顯示：不同模式的各個(gè)間隙電子電導(dǎo)不同，Ge₃/G₀受注電壓及間隙距離影響最大，其對(duì)注波互作用及電路穩(wěn)定特性的影響也最大;對(duì)于2π模式，當(dāng)間隙距離渡越角為2π左右時(shí)，電路各模式處于穩(wěn)定，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要綜合考慮注波互作用效率。本計(jì)算模型可以更加深入地分析間隙注波互作用過(guò)程與電路的模式穩(wěn)定性，還可以用于多間隙腔注波互作用的計(jì)算機(jī)模擬仿真。但本模型僅限于討論3個(gè)間隙，對(duì)更多間隙情況，由于其互作用過(guò)程的復(fù)雜及間隙模式的增多，尚難以深入分析，需要更進(jìn)一步的研究工作。

氧化鋯固體電解質(zhì)在實(shí)際中的應(yīng)用，主要就是利用它的離子導(dǎo)電特性。但在高溫或低氧分壓的情況下，電解質(zhì)晶體正常結(jié)點(diǎn)上的氧(O₀)具有變成氧分子向氣相逸出的趨勢(shì)，并在電解質(zhì)中留下氧離子空位(V₀^。。)和自由電子(e)，固體電解質(zhì)從而表現(xiàn)出較為明顯的電子電導(dǎo)，即：O₀=1/2O₂ V₀^。。 2e

如果電子電導(dǎo)大于固體電解質(zhì)總電導(dǎo)的1%，則此類固體電解質(zhì)不能用于熱力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。固體透氧膜(SOM)法用于金屬氧化物直接制備金屬所用透氧膜材料主要為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)固體電解質(zhì)。其高溫電子電導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)于研究SOM法反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)速率等參數(shù)有著重要的意義，因此，獲得高溫下YSZ電子電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)固體電解質(zhì)的電子電導(dǎo)測(cè)試方法一般采用電子導(dǎo)電特征氧分壓來(lái)表征電子電導(dǎo)，如抽氧測(cè)定法，其裝置復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)誤差較難控制，因此不適用于諸如YSZ類電子電導(dǎo)較低的材料。常用的Wagner直流極化法可以得到較為精確的電子電導(dǎo)率，其難點(diǎn)在于離子阻塞電極的制備。本實(shí)驗(yàn)就是基于Wagner直流極化法，通過(guò)一種新方法在YSZ陶瓷材料上制備離子阻塞電極，對(duì)其電子電導(dǎo)進(jìn)行了直接測(cè)量，并研究了影響電子電導(dǎo)率的因素。

電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

（1）測(cè)試原理

Wagner直流極化法的原理采用不對(duì)稱電池設(shè)計(jì)。一端為可逆電極，另一端是離子阻塞電極。在該電池上施加低于電解質(zhì)分解電壓的電勢(shì)時(shí)，阻塞電極界面上殘余氧離子流通過(guò)電解質(zhì)遷移至正極，但因阻塞電極切斷了氧離子源而導(dǎo)致電解質(zhì)中離子流很快下降。

當(dāng)電位梯度產(chǎn)生的離子流和因濃度梯度引起的化學(xué)擴(kuò)散離子流相等時(shí)，離子電流降為0，此時(shí)總電流只由電子或電子空穴產(chǎn)生。

（2）阻塞電極

根據(jù)Wagner直流極化法的原理，本實(shí)驗(yàn)所選擇的是對(duì)電子導(dǎo)通而對(duì)氧離子傳導(dǎo)阻塞的離子阻塞電極。研究 曾嘗試用金屬銅作為離子阻塞電極，但因金屬銅的熔點(diǎn)溫度所限，使得該法只能用來(lái)測(cè)量材料的低溫電子電導(dǎo)?，F(xiàn)有方法在金屬與陶瓷結(jié)合時(shí)，通常采用噴涂和涂覆的方式，因此阻塞電極實(shí)際上難以真正與陶瓷基體緊密結(jié)合，漏氧問(wèn)題較難解決，從而導(dǎo)致測(cè)試誤差偏大。

本研究基于已有電子電導(dǎo)測(cè)量的低溫局限性，提出了采用金屬鎳作為阻塞電極的研究思路。金屬鎳的熔點(diǎn)很高(1453℃)，所以理論上可用于高溫下固體電解質(zhì)的電子電導(dǎo)測(cè)量；而針對(duì)金屬與陶瓷基體結(jié)合不夠緊密導(dǎo)致的漏氧問(wèn)題，擬采用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的工藝?；瘜W(xué)鍍的粗化過(guò)程中，濃酸對(duì)固體電解質(zhì)陶瓷材料表面進(jìn)行了刻蝕，金屬鎳粒在沉積的過(guò)程中滲入陶瓷表層，這樣不僅增加了金屬鎳與陶瓷材料結(jié)合表面積，還加強(qiáng)了兩者間的結(jié)合力;在此基礎(chǔ)上再結(jié)合電鍍的工藝，最終可獲得致密的金屬鎳層。

電子電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電子的遷移數(shù)取決于該反應(yīng)式中的氧空位數(shù)量。氧空位數(shù)量低，則反應(yīng)易發(fā)生(向右進(jìn)行)；反之則不易發(fā)生。由此可以看出，高溫條件下氧化鋯試樣的電子遷移數(shù)量與材料中的自由氧空位數(shù)量呈反比關(guān)系。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，3YSZ形成的自由氧空位數(shù)量較低，該反應(yīng)較易發(fā)生，導(dǎo)致試樣中較大的電子遷移，而9YSZ為全穩(wěn)定狀態(tài)，氧空位數(shù)量相對(duì)較高，因此其電子遷移數(shù)較小，15YSZ中，越來(lái)越多的Y³ 取代Zr⁴ ，這樣使得原先處于次近鄰位置的氧空位變成最近鄰而發(fā)生復(fù)合，實(shí)際上卻減少了自由氧空位的數(shù)量，因此上式反應(yīng)較易發(fā)生，使得電子遷移數(shù)反而大于9YSZ。

電子電導(dǎo)研究結(jié)論

使用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的方法可以利用金屬鎳作為阻塞電極，從而獲得較高溫度下YSZ材料的電子電導(dǎo)率值。基于Wagner直流極化法原理測(cè)試得到了不同摻雜的YSZ材料電子電導(dǎo)率值，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的試樣電子電導(dǎo)率與溫度關(guān)系為：

3YSZ：lnσT=3.18-6795/T

5YSZ：lnσT=2.28-6790/T

9YSZ：lnσT=0.42-7449/T

15YSZ：lnσT=1.49-7226/T2100433B

在電子電導(dǎo)的材料中，電子的非彈性碰撞引起電子波的散射是電子運(yùn)動(dòng)受阻的原因。無(wú)機(jī)材料中電子電導(dǎo)比較顯著的材料主要是半導(dǎo)體材料。

（1）電子電導(dǎo)率的一般公式

與離子電導(dǎo)率一樣，電子電導(dǎo)率仍可按公式

本征半導(dǎo)體的電子電導(dǎo)率為：

式中：

n型半導(dǎo)體的電子電導(dǎo)率為：

p型半導(dǎo)體的電子電導(dǎo)率為：

（2）電子電導(dǎo)率的影響因素

①溫度的影響

溫度對(duì)電子電導(dǎo)率的影響包括對(duì)遷移率的影響和載流子濃度的影響，而對(duì)后者的影響是主要的。

②雜質(zhì)及缺陷的影響

大多數(shù)半導(dǎo)體氧化物陶瓷，或者由于摻雜產(chǎn)生非本證缺陷（雜質(zhì)缺陷），或由于燒成條件使它們成為非化學(xué)計(jì)量而形成組分缺陷。

電導(dǎo)率儀是適用于精密測(cè)量各種液體介質(zhì)的儀器設(shè)備,主要用來(lái)精密測(cè)量液體介質(zhì)的電導(dǎo)率值,當(dāng)配以相應(yīng)常數(shù)的電極可以精確測(cè)量高純水電導(dǎo)率，廣泛應(yīng)用各領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)。

電導(dǎo)率計(jì)用途與特點(diǎn)

電導(dǎo)率儀是實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x表，它除能測(cè)定一般液體的電導(dǎo)率外，且能滿足測(cè)量高純水的電導(dǎo)率的需要。儀器有0~10mV訊號(hào)輸出，可接自動(dòng)電子電位差計(jì)進(jìn)行連續(xù)記錄。

電導(dǎo)率計(jì)工作原理

在電解質(zhì)的溶液中，帶電的離子在電場(chǎng)的影響下，產(chǎn)生移動(dòng)而傳遞電子，因此，具有導(dǎo)電作用。其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱稱為電導(dǎo)度S。因?yàn)殡妼?dǎo)是電阻的倒數(shù)，因此，測(cè)量電導(dǎo)大小的方法，可用兩個(gè)電極插入溶液中，以測(cè)出兩個(gè)極間的電阻R。據(jù)歐姆定律，溫度一定時(shí)，這個(gè)電阻與電極的間距L（cm）成正比，與電極的截面積 A（cm ）反比。

電導(dǎo)率計(jì)技術(shù)指標(biāo)

1、顯示方式

2、測(cè)量范圍

3、分辨率

4、電極常數(shù)

5、溫補(bǔ)范圍

6、精 度

7、電流隔離輸出

8、通訊接口

9、工作電源范圍

10、電極安裝方式

電導(dǎo)率計(jì)使用方法

1、檢查一下指針是否指零，如果不指零調(diào)節(jié)電導(dǎo)率儀上的調(diào)零旋鈕，

2、將電導(dǎo)率儀調(diào)節(jié)到校正檔，指針指向最大刻度，

3、按照電極常數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕，測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)到測(cè)量檔。

電導(dǎo)率計(jì)注意事項(xiàng)

1． 電極的引線不能潮濕，否則將測(cè)不準(zhǔn)。

2． 高純水被盛入容器后應(yīng)迅速測(cè)量，否則電導(dǎo)率降低很快，因?yàn)榭諝庵械娜苋胨镒兂商妓岣x子。 　3． 盛被測(cè)溶液的容器必須清潔，無(wú)離子玷污。2100433B

電導(dǎo)是描述導(dǎo)體導(dǎo)電性能的物理量，即對(duì)于某一種導(dǎo)體允許電流通過(guò)它的容易性的量度。電導(dǎo)數(shù)值上等于電阻的倒數(shù)，符號(hào)是G。電導(dǎo)單位是西門(mén)子，簡(jiǎn)稱西，符號(hào)S。導(dǎo)體的電阻越小，電導(dǎo)就越大 。

對(duì)于純電阻線路，電導(dǎo)與電阻的關(guān)系方程為G=1/R，由此可以得到歐姆電導(dǎo)定律的關(guān)系方程：G=I/U 。