Мир Знаний

Электронные пушки с большим пространственным зарядом (стр. 2 из 3)

Для создания электронного потока в области, ограниченной конусом с углом при вершине

, действие отброшенной части объемного заряда заменяется действием электродов, формирующих электрическое поле между анодом и катодом таким образом, чтобы выполнялись условия:

(4)

Конфигурация прикатодного фокусирующего электрода и анода определяется обычно при помощи электролитической ванны. Аналитическое решение для параллельного пучка (как плоского бесконечной ширины, так и круглого) дает для катодного электрода форму соответственно плоскости или конуса, расположенных под углом

к границе пучка. Для излучателей, образующих сходящиеся пучки, условия на границе катода те же, что и для параллельного пучка. Поэтому все виды катодного электрода должны делаться такими, чтобы у самого катода угол между касательной к поверхности электрода и границей пучка был равен
, хотя выдерживаться этот угол может на очень малом расстоянии от катода. При определении формы электродов с помощью электролитической ванны автоматически учитывается краевой эффект для электродов малых размеров. Кроме того, таким способом путем экспериментального подбора можно получить несколько различных форм электродов и выбрать из них наиболее удобные конструктивно и технологичные в изготовлении. В ванне также легко определить минимальные размеры электродов, которые еще могут создавать правильное распределение потенциала вдоль границы пучка.

Рисунок 3 - Схематическое изображение излучателя типа Пирса

(

- радиус катодной сферы;
- радиус анодной сферы;
- радиус катода;
- радиус анодной диафрагмы;
;
- расстояние анод – катод по оси пучка;
- половинный угол сходимости пучка в пространстве анод – катод;
- половинный угол сходимости пучка за анодной диафрагмой)

Ток в электронном пучке определяется по формуле

. (5)

Первеанс

. (6)

Половинный угол сходимости

. (7)

Расфокусирующее действие анодного отверстия всегда уменьшает угол сходимости пучка за анодом

по сравнению с углом сходимости внутри излучателя
. Фокусное расстояние

, (8)

или в относительных единицах

, (9)

где

;
;

- радиус кривизны анода.

На рисунке 4 представлена зависимость позволяющая правильно определить место расположения минимального сечения луча, что важно для разработки конструкции анода пушки и выбора места расположения магнитной линзы. Соотношение между величинами углов сходимости пучка до диафрагмы и после нее выражается в следующем виде:

. (10)

Если катод обладает достаточной эмиссией и ток в пучке ограничивается пространственным зарядом, то фокусирующее действие линзы не зависит от приложенного напряжения. Таким образом, теоретически форма пучка не зависит от напряжения, ускоряющего электроны.

Рисунок 4 - Зависимость относительного фокусного расстояния анодной диафрагмы

пушки от относительного радиуса кривизны анода
.

Основные данные электронной пушки, расчет которой основывается на методике Пирса, можно определить и иным методом. В этом случае необходимо определить все исходные характеристики излучателя:

1. Отношение тока к напряжению луча; углы сходимости пучка как внутри пространства анод – катод

, так и за анодом
;

2. Плотность тока катода;

3. Размеры пучка и плотность тока в нем при прохождении анодной диафрагмы.

Соотношения между током и напряжением и геометрией пучка приведены на диаграмме, изображенной на рис. 5. Характеристики излучателей зависят от их относительных размеров. Поэтому в процессе расчета можно избрать любой удобный масштаб. Абсолютные размеры определяются из условий допустимой плотности тока эмиссии катода. Рис.5 представляет собой универсальную диаграмму, позволяющую определить соотношения между величинами

;
;
;
и параметрами
. Каждая точка на графике соответствует некоторому частному решению конструкции излучателя.

Рисунок 5 - Диаграмма для выбора размеров излучателя Пирса.

Если заданы две величины, обычно это

и
, то по диаграмме определяются остальные величины. Сама форма электродов, как обычно, определяется численно или при помощи электролитической ванны. В связи со стремлением в электронно-термических установках к увеличению плотности тока в пучке интересно проследить за ограничениями первеанса, создаваемыми излучателями такой конструкции. Системы с высоким первеансом находятся в правой части диаграммы на рис.5. При движении направо вдоль линии
отношение
уменьшается. Таким образом, при данном сферическом радиусе катода
ускоряющий электрод должен быть размещен, возможно ближе к катоду. Рассеивающее действие анодной диафрагмы усиливается с приближением ее к катоду. Следовательно, для получения одного и того же угла сходимости луча на выходе из излучателя
формирование пучка должно происходить при большем угле
. Когда отношение расстояния катод – диафрагма
к диаметру последней
становится столь малым, что диафрагма начинает искажать поле у самой поверхности катода, плотность тока эмиссии в середине катода становится ниже, чем у краев. Поэтому плотность тока в пучке становится неоднородной по сечению и ток в пучке меньше, чем это можно ожидать из диаграммы на рис.5. Предельным отношением
обычно считается 0,7. На величину и знак угла
большое влияние оказывает и объемный заряд в пучке, так как пeрвеанс пучка
является функцией как
, так и отношения
.

Зависимости угла

от угла
для различных отношений радиусов кривизны анода и катода приведены на рис.6. После выхода луча через анодную диафрагму в рабочую камеру, где электрического поля нет, он под влиянием объемного заряда начинает расходиться, хотя его минимальное сечение и находится в пространстве за анодом. Величина радиуса минимального сечения пучка
и расстояние этого сечения от плоскости анодной диафрагмы
зависят от радиуса пучка при прохождении анодной диафрагмы
, первеанса
и угла сходимости
. Для электронных пушек с
величины
и
являются функциями только отношения
. Графики, позволяющие определить эти параметры, приведены на рис.7.