книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Как видно из приведенных рисунков, эквипотенциальные по­ верхности имеют довольно сложную форму и изготовление электро­ дов в точном соответствии с рассчитанной конфигурацией приводит к техническим затруднениям. В то же время для формирования пучка решающее значение имеет распределение потенциала в не­ посредственной близости к его границе. Исследования показали, что изменение электродов вдали от электронного потока мало ска­ зывается на распределении потенциала вдоль его границы. Прак-

О 02 0,4 0.6 0.8 1.0

тически вполне достаточно выдержать необходимое (совпадающее с расчетным) распределение потенциала на расстояниях одногополутора диаметров пучка от его границы. Кроме того, следует учитывать, что наличие анодного отверстия приводит к появлению рассеивающей линзы в области анодного электрода (см. § 2.4). Для компенсации рассеивающего действия анодной линзы необходимо либо изменить форму анода, либо (чаще) поместить пушку в про­ дольное магнитное поле. При наличии ограничивающего магнит­ ного поля форма анодного электрода практически не влияет на кон­ фигурацию пучка.

Приведенные соображения показывают, что при конструирова­ нии пушек вполне возможно выбирать упрощенную форму элек­ тродов, обеспечивающую необходимое распределение потенциала лишь вблизи границы пучка. Вдали от границы пучка форму элек­ тродов выбирают исходя из конструктивных соображений: просто­ ты изготовления, удобства крепления и т. д. Упрощенную 'форму электродов можно наиболее просто подобрать моделированием в электролитической ванне. В качестве примера на рис. 4.2 показано

сечение электродной системы, обеспечивающей у границы пучка пирсовское распределение потенциала.

Как видно из рисунка, форма электродов весьма далека от тео­ ретической (идеальной).

Из аналитических расчетов следует, что нулевая эквипотенци­ альная поверхность должна подходить к границе пучка у поверх­ ности катода под углом 67,5°. Точное выполнение этого условия в практической конструкции пушки возможно лишь при изготовлении катода и прикатодного фокусирующего электрода в виде единой детали — усеченного конуса, меньшее отверстие которого закрыто

Рис. 4.3. Конструкции прикатодных электродов

катодом. Однако такое решение неприемлемо по следующим при­ чинам: фокусирующий электрод, имеющий металлический контакт с термокатодом, будет играть роль радиатора, отводящего тепло от периферийной зоны катода, и для поддержания рабочей тем­ пературы катода, обеспечивающей необходимую величину тока эмиссии, потребуется существенное увеличение мощности подогре­ вателя. Кроме того, при работе катода имеет место миграция ак­ тивного вещества (бария с оксидного катода) на поверхность фоку­ сирующего электрода, что приводит к появлению паразитного тока электронной эмиссии с поверхности нагретого прикатодного элек­ трода. Паразитный эмиссионный ток может существенно исказить распределение потенциала в прикатодной области и как следствие привести к заметному изменению условий формирования пучка. Поэтому в практических конструкциях пушек между кромкой като­ да и краем фокусирующего электрода обязательно должен быть хотя бы небольшой кольцевой зазор. Здесь возможно два конст­ руктивных решения. При достаточно большом катоде отверстие в прикатодном электроде делается с радиусом, превышающим радиус катода на ширину зазора (рис. 4.3,а). В случае же малых катодов, когда для размещения подогревателя необходима полость с диа­ метром, превышающим диаметр эмиттирующей части катода, фоку­ сирующий электрод располагается перед катодом (рис. 4.3,6). В обоих случаях поле вблизи зазора искажается, эквипотенциаль­ ные поверхности «провисают» в зазор. Это «провисание» поля при­ водит к искривлению траекторий электронов, испускаемых перифе­

рийной частью катода. Возмущение крайних траекторий полем зазора является очень нежелательным явлением, так как именно крайние электроны определяют конфигурацию пучка и оседание части электронного потока на электроды фокусирующей системы. Искажение поля вблизи зазора зависит не только от ширины са­ мого зазора, но также от формы краев катода и фокусирующего электрода. Технологические скругления кромок приводят к увели­ чению «провисания» поля и возмущению большей доли электронов. Расчет показывает, что при ширине зазора 0,1 мм и радиусе скруг­ ления кромки катода того же порядка доля возмущенных электро­ нов может составить 10— 15% от общего электронного потока, ухо­ дящего с катода. Таким образом, при проектировании пушек не­ обходимо стремиться к уменьшению ширины зазора и делать кромки электродов возможно более острыми. Некоторое снижение доли возмущенных электронов удается получить путем подведения к фокусирующему электроду небольшого отрицательного относи­ тельно катода коррегирующего напряжения. В этом случае у краев катода создается тормозящее поле, препятствующее уходу электро­ нов с краев катода. Конечно, при этом несколько уменьшается общий ток пучка, однако регулировкой коррегирующего напряже­ ния удается заметно уменьшить оседание электронов на положи­ тельно заряженные электроды системы формирования.

При помощи пушки Пирса с цилиндрическим (параллельным) потоком можно сформировать пучок радиуса, примерно равного радиусу эмиттирующей поверхности катода. При этом плотность тока в пучке принципиально не может быть больше удельной эмис­ сии катода. Учитывая ограниченность последней, можно сделать вывод о целесообразности использования таких систем лишь для формирования сравнительно слаботочных пучков. Чем меньше ра­ диус пучка, тем меньше возможная величина тока. Поскольку в современных электронных приборах СВЧ-диапазона используются пучки с радиусами не более нескольких миллиметров и токами от долей до десятков ампер при не очень высоких ускоряющих на­ пряжениях (р>1 мка/в*/г), плотность тока в пучке оказывается существенно больше предельной величины удельной эмиссии тех­ нических катодов. Поэтому большое распространение получили пушки с компрессией электронного потока, т. е. формирующие схо­ дящиеся электронные пучки. Величина компрессии, т. е. отношение площади эмиттирующей поверхности катода к площади поперечно­ го сечения сформированного пучка, может достигать 100 и более.

Кроме уменьшения токовой нагрузки катода и, следовательно, возможности получения пучка с большой плотностью тока при удельной эмиссии катода, обеспечивающей достаточно большой срок его службы, пушки с компрессией обладают некоторыми дру­ гими преимуществами. Как было указано (см. § 2.5 и 2 .6 ), пове­ дение пучка в пролетном пространстве за анодом пушки при на­ личии ограничения однородным или периодическим полем в зна­ чительной мере определяется начальными условиями ввода пучка П ограничивающую систему. Чем меньше начальные радиальные

ускорения, тем меньше амплитуда пульсаций границы пучка. Для получения приблизительно гладкого пучка в заанодном простран­ стве необходимо достаточно точное выполнение начальных условий. Образующаяся вблизи анодного отверстия рассеивающая линза приводит к появлению у крайних электронов пучка заметных ра­ диальных ускорений (в сторону от оси пучка, см. § 2.4). При ис­ пользовании пушки, формирующей цилиндрический пучок, для компенсации этих ускорений требуется увеличение магнитной ин­ дукции ограничивающей системы, но и в этом случае амплитуды пульсаций будут большими. Если же пушка формирует сходящийся пучок, то действие анодной линзы приводит к уменьшению приоб­ ретенных в поле пушки радиальных ускорений, направленных в сторону оси. Соответствующим подбором формы анодного элек­ трода можно получить по выходе из анодного отверстия практиче­ ски параллельный поток, т. е. свести к минимуму радиальные ускорения электронов, а следовательно, и амплитуду пульсаций границы пучка в заанодном пространстве. И, наконец, в пушках со сходящимся пучком бомбардировке положительными ионами, образующимися вблизи анодного отверстия, подвергается лишь небольшая центральная часть поверхности катода, что также уменьшает преждевременный износ катода.

Форма электродов пушек для формирования конических (схо­ дящихся) пучков определяется формой эквипотенциальных поверх­ ностей вблизи границы пучка (см. рис. 2.23). Максимально воз­ можная величина первеанса сходящегося пучка, как следует из уравнения (2.94),

увеличивать угол сходимости пучка и уменьшать отношение гк/га, т. е. приближать анод к катоду. На рис. 4.4 показано влияние угла сходимости пучка на величину первеанса.

Из рисунка видно, что увеличение первеанса приводит к увели­ чению радиуса анодного отверстия; при р>1 мка/в•/« этот радиус становится соизмеримым с расстоянием катод— анод. В этом слу­ чае расчет, приведенный в § 2.4, может привести к значительным погрешностям. Исследование высокопервеансных пушек со сходя­ щимся пучком показало, что практически получаемая величина первеанса значительно ниже теоретически рассчитанной. Кроме того, пучок, выходящий из анодного отверстия, становится негомоцентричным, т. е. продолжения траекторий электронов, вышед­ ших на разных расстояниях от центра катода, не пересекаются в одной точке. И, наконец, плотность тока оказывается существен­ но различной в разных точках катода: токовая нагрузка перифе­

рийной части катода заметно превышает нагрузку центральной части.

Снижение первеанса объясняется уменьшением ускоряющего поля у средней части катода. В самом деле, из-за наличия анод­ ного отверстия расстояние от катода до анода не остается неиз-

р=1мка/в^ р-Знка/бJ/<

Рис. 4.4. Влияние угла сходимости пучка на вели­ чину микропервеанса

менным для различных точек катода: расстояние от центра катода до края анодного отверстия больше расстояния от края катода до

дится делать в 1,2— 1,5 раза больше теоретически найденного, т. е. угол «раскрытия» анодного

отверстия 0 а = (1,2ч-1,5)0. Такое увеличение анодного отверстия также приводит к снижению первеанса. В качестве примера на рис. 4.5 приведена зависимость микропервеанса от угла сходимос­ ти при различных отношениях 0 а/0 для пушки с гк/га = 2.

Из рисунка видно, что пренебрежение влиянием анодного отвер­ стия на величину первеанса возможно лишь при 0,8* 10-6 я/в и 0 ^ 1 5 °.

До некоторой степени скомпенсировать уменьшение первеанса за счет увеличения анодного отверстия возможно приближением анода к катоду. На примере моделирования в электролитической

где га — теоретически найденная величина радиуса анода в идеаль­ ной (без отверстия) формирующей системе.

Нарушение ламинарности потока объясняется заметными абер­ рациями линзы, образующейся в анодном отверстии. Конфигура­ ция поля в анодной линзе такова, что периферийные траектории преломляются в меньшей степени, чем траектории, проходящие ближе к центральной области катода. В результате в пучке, появ­ ляются пересекающиеся траектории электронов — пучок становит­ ся неламинарным.

Одним из методов снижения аберраций анодной линзы являет­ ся уменьшение радиуса кривизны поверхности катода по сравнению с расчетной величиной. Экспериментальная проверка показала, что при величине микропервеанса р>1мка/вг/* использование более вогнутых катодов позволяет уменьшить неравномерность распре­ деления плотности тока по сечению пучка и восстановить ламинарность потока. При этом, чем больше микропервеанс, тем значитель­ нее должно быть уменьшение радиуса кривизны поверхности ка­ тода по сравнению с расчетным. Так, например, при р=1,2 мка/в*и оптимальный радиус кривизны поверхности катода должен быть примерно на 16% меньше расчетного, при р= 2 мка1вг/>— на 25%. Однако такая коррекция аберраций анодной линзы приводит К не­ желательному перераспределению плотности тока на катоде: токо­ вая нагрузка периферийной зоны катода возрастает, а в цент­ ральной части — уменьшается.

Приведенные соображения показывают, что аналитический рас­ чет пушек, формирующих интенсивные пучки, можно рассматри­ вать лишь как первое приближение, и при конструировании элек­ тродной системы часто приходится вводить поправки на основании моделирования в электролитической ванне и экспериментального исследования аналогичных конструкций.

Как было указано, классические пушки Пирса для формирова­ ния сплошных цилиндрических потоков с радиусом, равным радиу­ су эмиттирующей части катода, имеют ограниченное применение из-за невозможности получить в пучке плотность тока больше удельной эмиссии катода. Более распространены пушки с комнрес. сией, т. е. пушки, формирующие в пространстве катод — анод ко­ нические (сходящиеся) пучки.

Технологически изготовить электроды сложной формы в соот­ ветствии с формой рассчитанных эквипотенциальных поверхностей весьма трудно. Поэтому в настоящее время используют практиче­ ские конструкции пушек, имеющие электроды простой формы — в виде конусов, дисков с отверстиями и цилиндров. Исключением является катод, который в пушках с компрессией, как правило, является частью сферы с радиусом, равным расчетному или умень­ шенным, для коррекции аберраций анодной линзы.

Широкое распространение получили так называемые пушки Мюллера (рис. 4.6), характерной особенностью которых является наличие анодного «патрубка» с острой кромкой и специального концентрирующего электрода с потенциалом, близким к потенциа­ лу катода. Концентрирующий электрод может быть выполнен в виде отогнутого края прикатодного фокусирующего электрода (рис. 4.7).

Еще более простая форма электродов пушек для формирования цилиндрических и сходящихся пучков была предложнеа С. Н. Тре­ невой. Разрез электродной системы одной и таких пушек приведен на рис. 4.8.

Все электроды пушки, за исключением катода, имеющего вогну­ тую форму, состоят из цилиндров и дисков. Форма электродов под­ биралась путем моделирования в электролитической ванне.

Приведенные примеры конструкций показывают, что форма и расположение электродов пушек, формирующих сплошные осесим­ метричные пучки, могут варьироваться в широких пределах, одна­ ко во всех случаях непременным условием является выполнение граничных условий (заданное распределение потенциала вдоль гра­ ницы пучка и равенство нулю нормальной к границе пучка состав­ ляющей напряженности электрического поля).

Рассмотренные пушки являются чисто электростатическими си­ стемами, поскольку для формирования пучка используется элек­

трическое поле, создаваемое системой электродов (катодом, прикатодным электродом и анодом) с заданными формой и потенциа­ лами. Совершенно очевидно, что в заанодном пространстве пучок будет расширяться за счет расталкивающего действия простран­ ственного заряда. Для ограничения расширения пучка в заанод­ ном пространстве в большинстве практических случаев использует­ ся продольное магнитное поле. Минимальное значение магнитной индукции ограничивающего поля получается в случае бриллюэновского потока (см. § 2.5). Создание бриллюэновского потока требует идеального экранирования области пушки от магнитного поля и

строгого выполнения начальных условий ввода пучка в магнитное поле (равенство радиуса пучка равновесному бриллюэновскому значению и отсутствие радиаль­ ных составляющих скоростей электронов). Ввиду наличия теп­ ловых скоростей у электронов, испускаемых термокатодом, абер­ раций линзы вблизи отверстия анодного электрода и ряда дру­ гих факторов (наличие положи­ тельных ионов, вторичных элек­

тронов, «провисание» магнитного

Рис. 4.8. С хема пуш ки С . Н . Треневой поля в области пушки и др.) стро­ го выполнить начальные условия ввода пучка в магнитное поле практически не удается. Этим объяс­

няется тот факт, что равновесный бриллюэновский поток до на­ стоящего времени экспериментально не был получен. Для ограни­ чения потока — получения пучка со сравнительно малыми пульса­ циями границы — практически приходится использовать магнитные поля с величиной индукции, в 1,5— 2 раза превышающей бриллюэновское значение. Расчеты и экспериментальная проверка пока­ зывают, что пушки, экранированные от ограничивающего магнит­ ного поля, обеспечивают получение достаточно стабильных (слабо пульсирующих) электронных потоков с микропервеансом в не­ сколько мка/в,/г при наличии в заанодном пространстве магнит­ ного поля с величиной индукции, большей бриллюэновского зна­ чения.

Как было указано, обеспечить полное экранирование катода пушки от ограничивающего магнитного поля затруднительно. Бо­ лее того, проникновение магнитного поля к катоду в ряде случаев даже желательно, так как при наличии магнитного поля в области пушки фокусировка оказывается более жесткой (см. § 2.3). Поэто­ му, когда к системам формирования предъявляются высокие тре­ бования в отношении больших величин первеанса, стабильности, малых пульсаций пучка, успешно используются пушки с частично экранированным от магнитного поля катодом. Системы с частично экранированными пушками требуют большей по сравнению с брил-

люэновским полем величины магнитной индукции. Но поскольку получить идеальный бриллюэновский поток практически не удает­ ся и приходится применять магнитные поля с индукцией, большей бриллюэновского значения, некоторое увеличение поля не является существенным недостатком систем с частично экранированными пушками.

Рассмотрим пушку с компрессией электронного потока и час­ тично экранированным катодом (рис. 4.9).

Как видно из рисунка, в пространстве катод — анод пушки тра­ ектории невозмущенных электронов совпадают с магнитными си­ ловыми линиями. Очевидно, магнитное поле не действует на эти электроны, так как сила Лоренца при v||B равна нулю. Если же в потоке появятся возму­ щенные электроны, воз­ никающая сила Лоренца будет закручивать тра­ ектории этих электронов вокруг соответствующих магнитных силовых ли­ ний. Таким образом, маг­ нитное поле в области пушки существенно улуч­ шает условия формирова­ ния пучка, подавляя по­

перечные составляющие скорости электронов, приводящие к рас­ плыванию потока. Иными словами, магнитное поле в пушке как бы «сопровождает» электроны, не давая им удаляться от магнит­ ной силовой линии. Поскольку в пушках с компрессией сечение пучка по мере удаления от катода уменьшается, а величина маг­ нитного потока внутри пучка остается неизменной (это непосред­ ственно следует из совпадения траекторий электронов с магнитны­ ми силовыми линиями), магнитная индукция по мере удаления от катода должна возрастать.

Уравнение, описывающее контур осесимметричного пучка при произвольной степени экранировки катода, имеет вид [см. (2.240)]

Анализ уравнения (4.3) показывает, что равновесный поток в однородном продольном магнитном поле в заанодном пространст­ ве может быть получен при вполне определенном соотношении па­ раметров магнитного поля а, простРанственного заряда р и катод­ ных условий k. В самом деле, стабильный непульсирующий пучок

с неизменным радиусом г0(^ = 1 ) характеризуется равенством ну­ лю первой и второй производных dR/dZ и d2R/dZ2 при любом Z. Это требование, в свою очередь, приводит к соотношению

иметь место равенство а = р — случай бриллюэновского потока [ср. с (2.145)]. При этом необходимая для поддержания равновесного бриллюэновского потока величина магнитной индукции [см. (2.147)] равна

где г 0 б — радиус равновесного бриллюэновского потока.

При частичном экранировании катода (&=#=0) для поддержания равновесного потока требуется магнитное поле с индукцией, пре­ вышающей бриллюэновское значение (В>В0в). Сравнивая величи­ ны а, р и В0в2 и учитывая выражение для бриллюэновского ра­ диуса (2.145), получим

Подставляя (4.7) в (4.5), найдем относительное (по сравнению с бриллюэновской) увеличение магнитной индукции, необходимое для поддержания равновесного потока, сформированного пушкой с частично экранированным от магнитного поля катодом:

Как следует из (4.8), равновесный поток при частично экра­ нированном катоде пушки будет существовать в магнитном поле с индукцией

большей «бриллюэновской». Очевидно, чем большая часть магнит­ ного потока пронизывает катод, т. е. чем больше k2 = y¥ i2/x^o2y тем значительнее должно быть превышение магнитной индукции над бриллюэновским значением. Определяемая формулой (4.9) вели­ чина магнитной индукции является оптимальной, так как только