книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

6ФО.З

Ж68

УДК 621.385.8+535.0

Жигарев А. А.

Ж68 Электронная оптика и электроннолучевые приборы. Учеб­ ник для втузов. М., «Высш. школа», 1972.

540 с. с илл.

В книге рассмотрены вопросы электронной оптики, включая оптику интенсивных пучков, электронные прожекторы (пушки) для электроннолучевых и СВЧ-приборов, отклоняющие систе­ мы, приемники электронов (экраны и мишени) и конкретные виды электроннолучевых приборов — осциллографические, те­ левизионные приемные трубки — кинескопы, радиолокацион­ ные трубки, электронно-оптические преобразователи, потенциалоскопы и передающие телевизионные трубки.

Предназначается в качестве учебника для студентов электро­ технических и энергетических вузов специальности «Электрон­ ные приборы».

Может быть полезна для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой, исследованием и применением электроннолучевых приборов и приборов СВЧ.

2—3—4

93—72

6ФО.З

Рецензенты:

кафедра радиотехнической электроники ЛЭТИ; д-р техн. наук, проф. К). М. Кушнир (НИИ прикладной физики)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В предлагаемой книге, предназначенной главным обра­ зом для студентов, изучающих курс «Электронная оп­ тика и электроннолучевые приборы», рассматриваются основы электронной оптики, включая оптику интенсив­ ных пучков, элементы и узлы электроннолучевых при­ боров, а также наиболее распространенные виды элек­ троннолучевых приборов.

Основное внимание уделено изучению физических процессов, лежащих в основе действия электроннолуче­ вых приборов и устройств. Поэтому первые главы, по­ священные вопросам электронной оптики, занимают зна­ чительную долю всего объема книги. Бурное развитие техники СВЧ потребовало создания систем формирова­ ния интенсивных электронных пучков с первеансом до 10-6 а/в*1г и более. Вопросы формирования таких пуч­ ков и устройства (пушки) рассмотрены в главах 2 и 4, которые могут представлять самостоятельный материал для специализирующихся в области СВЧ-приборов.

В главах 3, 5, 6 описаны элементы электроннолуче­ вых приборов — электронный прожектор, отклоняющие системы и экраны. Главы 7— 12 посвящены конкретным видам электроннолучевых приборов — от простейшей осциллографической трубки до сложных передающих телевизионных трубок. Конечно, в одной книге не пред­ ставляется возможным охватить все многообразие со­ временных электроннолучевых приборов, да автор и не стремился к этому, учитывая, что знание основных фи­ зических процессов, происходящих в наиболее типичных электроннолучевых приборах, поможет читателям само­ стоятельно разобраться в работе и особенностях не опи­ санных в книге или вновь разрабатываемых приборов. По этой же причине в книге не приводятся таблицы с параметрами электроннолучевых приборов — ведь учеб­ ная литература ни в коей мере не должна подменять справочную, а лишь научить пользоваться литератур­ ными источниками, в том .числе и справочниками, помо­ гая подобрать прибор с требуемыми параметрами.

Все уравнения в книге записаны в системе СИ. Точно так же входящие в расчетные формулы величины следу­ ет подставлять в единицах системы СИ; исключение со­ ставляет только величина магнитной индукции, для ко­ торой в расчетных формулах сохранен гаусс — единица, прочно вошедшая в практику электромагнитных измере­ ний и разрешенная к употреблению как десятичная еди­ ница, кратная основной единице системы СИ — тесла (1 гс= 10~4 тл).

В библиографический указатель включены лишь до­ статочно распространенные и доступные широкому кругу студентов книги и обзорные статьи. Ссылки на ориги­ нальные журнальные статьи даются в тех случаях, когда рассмотренные в них вопросы не освещены в моногра­ фиях или обзорах.

Автор выражает глубокую благодарность рецензен­ там — проф. Ю. М. Кушниру и коллективу кафедры ра­ диотехнической электроники ЛЭТИ (зав. кафедрой проф. А. Д. Сушков), взявшим на себя труд по тщательному просмотру рукописи и внесшим ряд замечаний и поже­ ланий. Большинство замечаний учтено автором и безус­ ловно способствовало улучшению книги.

Автор

ОСНОВЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ

§ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ о п ти ки

Электронная оптика является разделом физики, в котором рас­ сматриваются вопросы движения заряженных частиц (электронов и ионов) в электрических и магнитных полях, формирования и фо­ кусировки потоков заряженных частиц и получения изображений при помощи электронных и ионных пучков. Как будет показано ниже (см. § 1.3), между движением заряженных частиц в электри­ ческих и магнитных полях и распространением световых лучей имеется аналогия, позволяющая во многих случаях использовать известные положения обычной (световой) оптики при рассмотре­ нии электронно-оптических задач.

В электронной оптике по аналогии со световой оптикой вводит­ ся понятие электронно-оптического показателя преломления, рас­ сматриваются электронные линзы, призмы и зеркала, а электрон­ ные линзы в свою очередь, так же как и световые линзы, харак­ теризуются оптической силой, положением главных фокусов и главных плоскостей и т. д.

Электронная оптика зародилась в 20-х годах нашего столетия, особенно быстро развивалась в последние десятилетия и в настоя­ щее время часто рассматривается как самостоятельная наука, охватывающая широкий круг вопросов, связанных с движением заряженных частиц в электронно-оптической среде — электриче­ ских и магнитных полях в вакууме.

Электронную оптику, так же как и световую оптику, можно разделить на две части — геометрическую электронную оптику и волновую электронную оптику. Геометрическая электронная опти­ ка изучает вопросы движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, методы нахождения траекторий электронов и ионов, способы фокусировки и получения изображений без учета волновых свойств движущихся частиц. Волновая электронная оптика рассматривает движущийся электрон как волну де Бройля и из­ учает такие чисто волновые явления, как дифракцию и интерфе­

ренцию волн. Длина волны де Бройля X = (h— постоянная mv

Планка, т и v — масса и скорость электрона) даже для сравни­ тельно медленных электронов весьма мала; например, для элек­ трона, прошедшего в ускоряющем поле разность потенциалов 100 в, длина волны де Бройля равна приблизительно 1,25 •10-10 м, т. е. меньше 1 нм. Поэтому при рассмотрении физических процессов, происходящих в большинстве электроннолучевых приборов, волно-

вые свойства электронов можно не учитывать. Только в некоторых специальных случаях, например при оценке теоретического преде­ ла разрешающей способности электронного микроскопа, необходи­ мо использовать методы волновой оптики.

Оставаясь в рамках геометрической электронной оптики, можно не учитывать соотношение неопределенностей Гейзенберга, т. е. счи­ тать, что скорость и координаты электрона могут быть одновре­ менно определены достаточно точно. В самом деле, соотношение неопределенностей может быть приближенно записано в виде

где х и v — координата и скорость частицы; h — постоянная План­ ка (h=6,6* 10-34 дж-сек); т0— масса покоя частицы.

Подставляя в (1.1) значение массы покоящегося (или движу­ щегося со скоростью, значительно меньшей скорости света) элек­ трона т 0=9,1 •10-31 кг, получим

AxAv = 0,73 •10~3 мг/сек.

В электроннолучевых приборах скорости электронов обычно не меньше 106 м/сек. Тогда, если принять возможную неточность в определении скорости равной 0,1%, то координату можно вычис­ лить с точностью 0,73 •10_6 м, что вполне допустимо.

Рассматривая движение электронов в электроннолучевых при­ борах, во многих случаях можно прибегать к уравнениям класси­ ческой механики, т. е. использовать соотношение сохранения энергии

ческом поле без начальной скорости).

Из (1.2) непосредственно получается выражение для скорости электрона:

v = У — U = 5,93■№ УU[м/сек] да 600 УС/ км/сек, (1.3)

г171

где разность потенциалов U измерена в вольтах.

Однако если попытаться определить по (1.3) скорость электро­ на, ускоренного разностью потенциалов порядка 1 Мв, то для v получится значение, превышающее скорость света, что противоре­ чит основному положению теории относительности. Поэтому для электронов, ускоренных значительными разностями потенциалов

(быстрых электронов), закон сохранения энергии следует в соот­ ветствии с теорией относительности записать в виде

в (1.3). Для оценки пределов применимости к движущимся элек­ тронам законов классической механики удобно пользоваться таб­

На рис. 1.1 приведена зависимость (в логарифмическом мас­ штабе) скорости электронов от разности потенциалов. При малых

разностях потенциалов зависимость о от ]/£ / линейна; при боль­ ших ускоряющих разностях потенциалов линейная зависимость за­ метно нарушается, и в этих случаях необходимо пользоваться реля­ тивистскими формулами. Практически допустимая погрешность при использовании уравнений классической механики получается при ускоряющих разностях потенциалов до 25—30 кв.

Релятивистские уравнения приходится применять лишь в от­ дельных случаях, например при рассмотрении фокусировки и от­ клонения движения электронов в проекционных кинескопах, где ускоряющие разности потенциалов достигают 70— 80 кв, и в элек­ тронных микроскопах, где значение U нередко превышает 100 кв.

Изучая основы геометрической электронной оптики, будем опе­ рировать такими понятиями, как «поток электронов», «электронный

считать его неограниченным. Электронный пучок — это оформлен­

ный поток с вполне определенными внешними границами, как пра­ вило, являющийся длинным, т. е. имеющим протяженность вдоль одной из координатных осей значительно большую, чем вдоль двух других осей. Поэтому можно говорить о конфигурации пучка, рас­ считывать граничные траектории, фокусировать пучки.

совокупностью множества электронных лучей. Приближенно элек­ тронным лучом часто называ­ ют узкий сфокусированный пу­ чок электронов, имеющий хотя бы в одном месте очень малое сечение. Такие пучки — «лучи» используются в большинстве электроннолучевых приборов, что и определяет обобщающее название этого класса элект­ ровакуумных приборов.

При рассмотрении геомет­ рической электронной оптики предполагается, что электриче­ ские и магнитные поля, опре­ деляющие характер движения заряженных частиц, являются

чисто внешними, т .е. создаются внешними электродами с задан­ ными потенциалами, а также катушками, обтекаемыми токами, или магнитами. В то же время электрон, являясь заряженной частицей, создает собственное электрическое поле, а движущийся заряд— и собственное магнитное поле. Поэтому, строго говоря, электрические и магнитные поля, действующие на электронные потоки, следует рассматривать как суперпозицию полей, создаваемых внешними электродами и магнитами, и полей, создаваемых самим электрон­ ным потоком.

Заметное действие собственного электрического поля электро­ нов начинает проявляться при сравнительно больших плотностях пространственного заряда в пучке и при небольших скоростях элек­ тронов (см. § 2.1). Заметное действие собственного магнитного поля электронного потока начинает проявляться лишь при скоро­ стях электронов, близких к скорости света, т. е. в релятивистском случае.

С точки зрения влияния пространственного заряда и, следова­ тельно, собственного поля заряженных частиц электронную оптику можно разделить на две части — оптику электронов без учета влия­ ния пространственного заряда и оптику интенсивных пучков, в ко­ торых влияние пространственного заряда накладывает существен­ ные ограничения на возможности фокусировки

В первом случае возможна фокусировка, получение качествен­ ных изображений, и вполне могут использоваться методы расчета,

Таким образом, траекторией электрона в однородном электри­ ческом поле является парабола. Практический интерес представ­ ляет определение угла отклонения траектории от первоначального направления. Дифференцируя (1.8) по г, найдем

z

В случае магнитного поля уравнения движения электронов (в декартовой системе координат) имеют вид

тх = — е (vvBz— vzBy) ,

mz = — е (vxBv — vvBx).

Нетрудно видеть, что в магнитном поле сила, действующая на электрон, всегда перпендикулярна к направлению скорости. Из этого следует важный вывод о том, что в магнитном поле величина скорости (а следовательно, и энергия) электрона остается неизмен­ ной, меняется только направление движения. В самом деле, рабо­ та, производимая силой, равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости и согласно (1.6) можно записать

В практически интересном случае движения электрона в одно­ родном поперечном (v_LB) магнитном поле (рис. 1.3) сила Ло­ ренца является центростремительной силой, и электрон описывает круговую траекторию, радиус которой может быть определен из соотношения