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.