2. Общая схема системы формирования интенсивных электронных пучков.
Практически в любом случае систему, формирующую электронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыре основные (рис. 1) области:
|
Рис. 1. Общая схема системы формирования электронных пучков. |
I — область электронной пушки, состоящей из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода 3, в электрическом поле, которой, происходит первоначальное формирование пучка.
II — область пролетного канала (пролетной трубы) 4, в котором могут располагаться резонаторы, например в случае клистрона, или отклоняющие устройства, например в случае сварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости и так называемая поперечно-ограничивающая, «фокусирующая» система 5. Конструкции таких систем довольно многообразны. В частности, она может представлять собой длинный соленоид. Ее назначение — создать магнитное или электрическое поле, препятствующее расширению электронного пучка в пролетной трубе.
В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допустить оседания значительной части тока пучка на стенках трубы, т. е. обеспечить хорошее токопрохождение. В частном случае (например, отражательные клистроны) этой системы может и не быть.
III — приемник или коллектор пучка 6, который может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду в электронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». В последнем случае основной эффект, ради которого создается прибор и формируется пучок, происходит именно на приемнике, например плавка или сварка.
И, наконец, IV область — переходная между пушкой и поперечно-ограничивающей системой, поля в которой должны быть такими, чтобы обеспечить согласованное действие I и II областей. Как правило, переходная область является важнейшей с точки зрения формирования пучка, хотя, в случае если поле поперечно-ограничивающей («фокусирующей») системы простирается до катода пушки, этой области может и не быть.
2.1. Основные типы пучков
Конфигурация встречающихся на практике пучков может быть весьма разнообразной. Однако, хотя и несколько условно, можно из них выделить пучки наиболее типичной формы. В первую очередь это сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение которых имеет вид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2-а), так и коническими, т. е. сходящимися (рис. 2-б).
Все больший интерес проявляется к трубчатым пучкам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которых представляет собой кольцо (рис. 2-в, г).
Следует указать также на ленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собой прямоугольник, одна сторона которого значительно больше другой. Такие пучки также могут быть параллельными или сходящимися — клиновидными (рис. 2-д,е).
|
Рис. 2. Основные типы пучков. |
Ввиду наибольшей распространенности аксиально-симметричных пучков в дальнейшем рассмотрении им будет уделено основное внимание. Другие типы пучков рассматриваются менее подробно. Ко всем типам пучков могут быть предъявлены некоторые общие требования, а именно:
1. Вполне определенный, часто возможно более высокий, микропервеанс, который в настоящее время достигает единиц мка/в3/2. Это отражает стремление получить пучки с возможно большим током при пониженных напряжениях.
2. Форма пучка должна, возможно лучше соответствовать заданной для того, чтобы его можно было пропустить через пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы
пучка были возможно ближе к ее стенкам.
При рассмотрении пучков мы будем, за исключением специально оговоренных разделов, предполагать:
Параксиальность траекторий электронов в пучке.
Ламинарноcть пучков. Это значит, что траектории отдельных электронов в пучке не пересекаются и пучок в целом имеет четкую границу, очерченную траекториями крайних электронов. Равномерность распределения плотности объемного заряда в пучке.
Отсутствие начальных тепловых скоростей электронов на катоде.
Отсутствие релятивистских эффектов, в частности магнитных полей, создаваемых движущимися электронами.
Указанные предположения в той или иной степени на практике не реализуются. Однако, как показывает опыт, они весьма близки к действительности и существенно облегчают рассмотрение основных характеристик пучков и систем их формирования.
2.2. Принцип построения пушек Пирса
Наибольшее распространение получили так называемые пушки Пирса, принцип построения которых заключается в следующем.
Если рассмотреть диоды с идеальной геометрией, а именно плоский, сферический или цилиндрический (рис. 3), и выделить из всего электронного потока в них определенную часть требуемой конфигурации, как это показано на рисунке, то мы получим в зависимости от формы диода аксиально-симметричный или ленточный параллельный или сходящийся пучок.
|
Рис. 3. Выделение электронных пучков в диодах простой формы. |
При этом влияние отброшенной части электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквивалентным влиянием некоторого электрического поля, которое, будучи созданным в пространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:
1. Распределение потенциала вдоль границы пучка должно остаться прежним, соответствующим распределению поля в выбранном исходном диоде.
2. Напряженность поля, нормальная к границе пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы, приводящие к расширению пучка.
Определив поле, отвечающее этим требованиям, необходимо рассчитать или подобрать конфигурацию электродов, из которых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а другой имеет потенциал анода и совпадает по форме с эквипотенциалью, соответствующей анодному напряжению Ua. Тогда указанная система электродов образует требуемый электронный пучок с прямолинейными траекториями.
Такого типа пушки и получили название пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в их основу, иногда называют принципом прямолинейной оптики.
3. Пушки Пирса с параллельным пучком
Для безграничного плоского диода (рис.3-а) соотношение между плотностью тока, напряжением и расстоянием от катода z имеет вид :
(3.1)
В плоскости анода при z = d, U = Ua, и, следовательно, распределение потенциала между электродами подчиняется выражению
(3.2)
Таково должно быть, как указывалось, и распределение потенциала вдоль границы пучка.
Поле, удовлетворяющее сформулированным выше условиям, может быть рассчитано или, что часто и делается, определено с помощью электролитической ванны.
Для этого берется мелкая горизонтальная (в случае пушки, формирующей ленточный пучок) или наклонная (в случае аксиально-симметричного пучка) электролитическая ванна, в которую помещаются модели электродов и пластинка из диэлектрика, имитирующая границу пучка (рис. 4). Очевидно, что эта пластинка моделирует границу пучка, на которой нормальная к ней составляющая напряженности поля равна нулю, так как направление тока в электролите у ее поверхности может быть только параллельным этой поверхности. Таким образом, второе условие выполняется автоматически. Выполнение первого условия, а именно соответствия распределения поля вдоль границы пучка выражению (3.2), можно добиться подбором формы электродов.
Полученная при этом в ванне совокупность эквипотенциалей и будет представлять собой искомое поле, обеспечивающее формирование параллельного ленточного или аксиально-симметричного пучка. Картины полей для обоих случаев приведены на рис. 5. В обоих случаях нулевая эквипотенциаль представляет собой поверхность, сечение которой плоскостью симметрии дает вблизи катода прямую, подходящую к границе пучка под углом 67,5°, а остальные эквипотенциали имеют более сложную форму и подходят к границе пучка под прямым углом.
Рис. 4. Электролитические ванны для моделирования электронных пучков
,
а—мелкая плоская ванна;
б — мелкая наклонная ванна;
1 — анод;
2 — фокусирующий электрод;
3 — диэлектрик.
Если теперь электродам пушки, имеющим потенциалы катода и анода, придать форму соответствующих эквипотенциалей, то созданное ими поле сформирует требуемый электронный пучок. На практике обычно не требуется изготавливать электроды, на всем протяжении совпадающие с рассчитанной эквипотенциалью. Достаточно выдержать их форму вблизи границы пучка.
Если заданы напряжение Ua, ток пучка I, а также его поперечный размер на выходе из пушки, то тогда расчет пушки сводится к определению расстояния анод— катод d. Площадь катода SК легко определить по заданным размерам пучка, что позволяет оценить плотность тока на катоде j.
Далее из (3.1)
и искомое
(3.3)
Следует иметь в виду, что наличие отверстия в аноде пушки приводит, как можно видеть, к образованию типичной рассеивающей линзы-диафрагмы (аксиально-симметричной или цилиндрической).
В первом случае ее фокусное расстояние равно:
(3.4)
во втором:
(3.5)
Полагая, что напряженность поля справа от анода Еb равна нулю, и находя Еа дифференцированием выражения (3.2), находим:
fa = -3d (3.4а)
fa = -1,5d (3.5а)
Следовательно, рассматриваемые пушки будут давать на выходе, если не принимать дополнительных мер, расходящиеся пучки с углами расхождения γ, определяющимися из выражений:
(3.4б)
(для аксиально-симметричного пучка);
