Пушки Пирса со сходящимся пучком
Министерство Образования и науки Российской Федерации
НГТУ
Курсовая работа
«Пушка Пирса со сходящимся пучком»
Факультет:
Группа:
Студент:
Преподаватель:
Новосибирск 2007
Введение
В геометрической электронной оптике, где имеет место оптико-механическая аналогия, предусматривающая, в частности, отсутствие взаимодействия электронов между собой, рассматривается, как правило, формирование электронных пучков, в которых действием объемного заряда практически можно пренебречь. Тогда можно говорить о фокусировке электронных пучков в обычном оптическом смысле, что и имеет место в целом ряде электроннолучевых приборов.
В этом смысле наряду с понятием фокусировки правомерны и понятия об электронном пучке, электронном луче, электронной линзе и т. д.
В ряде случаев, однако, когда объемный заряд, а следовательно, и взаимодействие электронов между собой становятся заметными, основные положения классической геометрической электронной оптики теряют силу. Необходимо уже обязательно учитывать действие пространственного заряда.
Такое положение наблюдается в целом ряде приборов СВЧ (клистроны, ЛБВ, ЛОВ и др.)» где работа прибора основана па взаимодействии электронного потока с высокочастотными полями и параметры этого потока— его размеры, ток, энергия электронов — решающим образом определяют качество прибора в целом. Так же обстоит дело и во все более развивающейся в настоящее время области применения электронных пучков для обработки материалов (сварка, плавка, сверление и т. д.). Степень влияния объемного заряда в электронном пучке, как указывалось, оценивается его так называемой характеристической проводимостью или (наиболее широко употребляемый термин) первеансом пучка:
где / — ток пучка; U — пройденная электронами разность потенциалов. Ясно, что с ростом / и уменьшением U, взаимодействие электронов будет все более заметным. В обычных электроннолучевых приборах первеанс пучков, как правило, не превышает 10-9 А/в3/2, и в этом случае действием пространственного заряда в них можно пренебречь. Если же Р > 10-8 — 10-7А/в3/2, то действие пространственного заряда необходимо учитывать.
Такие пучки уже следует считать интенсивными, и для их рассмотрения совершенно недостаточно аппарата обычной геометрической электронной оптики. Отметим, что в этом случае ряд понятий геометрической оптики, такие, как фокусировка, электроннооптическая система и некоторые другие, по существу теряют смысл и могут применяться только условно.
Правильнее пользоваться в этом случае, например, терминами формирование пучка, система формирования и т. д., хотя термин фокусировка по инерции в литературе употребляется весьма широко.
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 осе
дания 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.
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, микропер-веанс, 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.
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.
Пушки Пирса со сходящимся пучком
Страницы: 1, 2
