Электронный поток, его формирование и транспортировка

Катоды

В электровакуумной электронике катод служит источником первичного пучка электронов. По способу возбуждения электронной эмиссии катоды делятся на два основных класса:

1. Термоэлектронные, эмиттирующие электроны при нагреве (термокатоды).

2. Холодные, эмиттирующие электроны за счет энергии электрического поля.

В свою очередь, термокатоды можно разделить на катоды прямого нагрева (прямонакальные) и косвенного нагрева.

Основными параметрами всех катодов являются:

– эмиссионная способность,

– эффективность,

– долговечность или срок службы.

Эмиссионная способность определяется как отношение плотности тока эмиссии к заданному значению вызывающего эмиссию фактора (температура, энергия первичных электронов, напряженность поля и т.д.).

Эффективность катода определяется в зависимости от типа эмиссии. Для термокатодов это отношение плотности тока эмиссии к мощности, затраченной на его нагрев, или удельная мощность накала. Для эмиссионных катодов таким параметром служит коэффициент вторичной эмиссии и т.д.

Для термокатодов в первом приближении можно считать, что мощность накала подчиняется закону Стефана-Больцмана и описывается выражением

P= εσT⁴,

где σ - постоянная Стефана-Больцмана, ε - степень черноты катода.

Тогда эффективность термокатода можно определить из выражения:

Н=J_T/Р= А_рТ²ехр(-b/Т)/(εσT⁴)= А_р/(εσ) Т^-2ехр(-b/Т)

Долговечность катода – время его работы, в течение которого свойства катода сохраняются в пределах нормы. Обычно предел изменения параметра катода составляет 20%. Основной причиной выхода катода из строя является снижение его эмиссионной способности. Срок службы большинства катодов лежит в интервале 10³ -10⁴ часов.

По структуре катоды делятся на:

– металлические (ток эмиссии до 1 А/см²).

– пленочные, или тонкослойные. Источником электронов является металлическая подложка – керн. Ток эмиссии до 2 А/см². Делятся на металлические с монослоем Ва, То, Сs, и оксидные, со слоем оксидов щелочноземельных или редкоземельных металлов. Толщина нанесенного слоя составляет 20-100 мкм.

– толстослойные (полупроводниковые и металлоподобные, например, гексаборидные). Источником электронов является толстая пленка.

– поверхностно-эмиссионные катоды, представляющие собой пористые губки из крупнозернистого металлического порошка (никеля, вольфрама и др.), поры между зернами которого заполнены эмиссионно-активным веществом (карбонаты, алюминаты, вольфраматы щелочноземельных металлов, например, ВаО-СаО-Аl₂O₃). Плотность тока эмиссии таких катодов составляет до 6 А/см²

Конкретный выбор катода зависит от вида электронной эмиссии и типа установки.

Катоды, применяемые в ускорительной технике, должны быть устойчивы к ионной бомбардировке, работать при больших напряжениях, не терять эмиссионных свойств после пребывания на воздухе, не ухудшать свойства вакуума. Поэтому большинство катодов, применяемых в обычных электровакуумных приборах (оксидные, торированные и карбидированные вольфрамовые) для работы в электронных источниках таких установок непригодны.

Наиболее подходящими являются катоды из чистого вольфрама W и гексаборидлантановые LaB₆.

Вольфрамовые катоды хорошо удовлетворяют предъявляемым требованиям, но не обеспечивают высокой плотности тока эмиссии (до 0,9 А/см²), а также характеризуются высокой рабочей температурой (2300–2700 К) и малой эффективностью. Такие катоды применяют в устройствах непрерывного режима работы со средним током пучка в несколько десятков миллиампер.

Гексаборидлантановые катоды характеризуются работой выхода, равной 2,7 эВ, рабочая температура составляет 1700-2000 К. Такие катоды обеспечивают плотность тока эмиссии в непрерывном режиме до 5 А/см², в импульсном – до 50 А/см².

Обычно катоды имеют форму таблетки диаметром 5 – 50 мм в зависимости от параметров источника. Таблетки изготавливаются методом прессования и последующего спекания в вакууме. Иногда форма эмиттирующей поверхности вогнута для лучшей первоначальной фокусировки электронного пучка.

Подогреватели гексаборидлантановых катодов изготавливают из вольфрама или пиролитического графита.

Для снижения температуры нагревателя из W применяют комбинированный подогрев за счет бомбардировки электронами. Для этого между подогревателем и таблеткой катода подается напряжение около 500 В. Эмиттированные подогревателем электроны ускоряются электрическим полем и бомбардируют катод, передавая ему дополнительную энергию.

В целом ток термокатодов относительно мал, поэтому часто в ускорительной технике используется взрывная эмиссия. Материал катодов аналогичен, основное требование к материалу – малый коэффициент массопереноса для обеспечения заданного срока службы прибора.

По конструкции различают следующие типы катодов:

– одноострийные катоды. Их недостатком является очень большая расходимость пучка. Кроме того, в процессе эмиссии изменяется внутреннее сопротивление цепи,

– плоские шероховатые или с диэлектрическими включениями. Их недостатком является разброс параметров по сечению пучка из-за случайного распределения микронеоднородностей по поверхности,

– лезвийные катоды, которые изготавливаются в виде ленты, свернутой в спираль, соосных трубочек, заточенных под «жало» или набора лезвий с острой кромкой. Кромка катодов образует множество микроострий, и процесс эмиссии становится более однородным.

Процесс эмиссии характеризуется переносом вещества, но количество очень мало (10^-11 – 10^-12 г.), поэтому не влияет на долговечность катодов.

Виды катодно-подогреваемых узлов электровакуумных приборов представлены на рис.1.

рис.1. Виды катодно-подогреваемых узлов.

Электронный поток – совокупность свободных электронов, имеющих одно или несколько приоритетных направлений движения. Электроны, эмиттированные катодом электронной пушки, формируются в поток с помощью статического или переменного электрического и магнитного полей. Электрическое поле изменяет скорость электронов как по величине, так и по направлению, а магнитное поле – только по направлению за счет действия силы Лоренца.

Электронные потоки, формируемые постоянными полями, называются статическими или стационарными. Потоки, сформированные в переменных полях – динамические.

Электронные потоки в зависимости от флуктуаций скорости электронов бывают одно или многоскоростными, а в зависимости от числа преимущественных направлений движения – одно или многопоточными.

Электронные потоки, в которых частицы движутся по непересекающимся траекториям, называются ламинарными, в противном случае говорят о неламинарных потоках.

Электронные потоки с высокой плотностью пространственного заряда называются интенсивными (сильноточными), с малой – неинтенсивными (слаботочными).

Если скорость частиц в потоке сравнима со скоростью света в вакууме, то такие потоки называются релятивистскими.

Для описания движения электронных потоков используется несколько моделей. Статические ламинарные описываются гидродинамической моделью, в основе которой лежит система из трех уравнений: уравнения движения частицы, уравнение Пуассона, и уравнение непрерывности.

Статические неламинарные потоки описываются моделью трубок тока. Согласно этой модели поток представляется в виде конечного набора слоев (трубок), в пределах которых поток можно считать ламинарным. Общее движение описывается на основе принципа суперпозиции.

Динамические неламинарные потоки удобно описывать с позиций модели крупных частиц. При этом электронный поток представляют в виде большого числа заряженных квазичастиц, имеющих конечный объем, заряд, эквивалентный заряду в данном объеме, и определенное пространственное распределение объемной плотности заряда. Движение потока характеризуется движением центра масс и зарядов крупных частиц в электрическом и магнитном поле. При математическом описании модели используют систему из трех уравнений: движения центров частиц, закона сохранения заряда и уравнение Максвелла. Решение данной системы возможно численными методами.

Основными параметрами электронного потока являются: ток пучка I, ускоряющее (или анодное) напряжение U, первеанс P=I/U^3/2, являющийся мерой интенсивности потока и характеризующий кулоновское взаимодействие электронов в пучке.

Если Р<<10^-8 АВ^-3/2 – неинтенсивный (малоинтенсивный, слаботочный) поток, характеризуется слабым действием сил пространственного заряда. В противном случае рассматривают интенсивный (сильноточный) поток, в котором пространственный заряд частиц играет определяющую роль при их движении.

Электронный поток формируется при помощи электронной пушки. Она содержит катод, являющийся источником электронов, ускоряющий электрод (анод), и электрод (один или несколько), создающий необходимое для формирования пучка распределение электрического поля.

Существует достаточно много типов, конструкций, режимов работы электронной пушки. Форма и расположение электродов определяют параметры пучка, в частности, его первеанс.

При формировании малоинтенсивных потоков используются электронные пушки с электродами, образующими фокусирующую линзу – электронный прожектор (рис.2). Такие потоки характерны для электроламповых приборов (ЭЛП) и практически не используются в ускорительной технике.

Рис.2 Электронный прожектор.

В дальнейшем мы будем рассматривать в основном интенсивные электронные потоки. Для их формирования чаще всего применяются так называемые пушки Пирса, в которых при помощи электродов, расположенных вне электронного потока, на его границе создается такое распределение потенциала, как в вакуумном диоде, а нормальная составляющая напряженности электрического поля на этой границе равна нулю. В простейших конструкциях используются три электрода: катод, анод и фокусирующий электрод, имеющий потенциал катода или близкий к нему. На анод подается ускоряющее напряжение.

Различают пушки Пирса с параллельным потоком и со сходящимся потоком (т.н. пушка Пирса сферического типа). Схематическое их изображение приведено на рис.3.

ФЭ

А ФЭ А

К е К е

ФЭ

ФЭ

Рис. 3.

а) параллельный поток б) сходящийся поток

При сходящемся потоке на некотором расстоянии от отверстия анода сечение пучка станет минимальным (r_min). Это сечение называется кроссовер. В этой точке радиальная составляющая скорости электронов равна нулю.

Отношение плотности тока в кроссовере к плотности тока катода называется компрессией, являющейся одним из главных параметров электронной пушки.

При равномерной плотности тока компрессия определяется как квадрат отношения наружного радиуса катода r_k к сечению пучка в кроссовере (r_k/r_min)². Обычно компрессия составляет величину от 20 до 50 единиц, но бывают системы с компрессией в несколько сотен единиц. С ростом компрессии труднее вводить пучок в фокусирующее поле. Увеличение первеанса пучка приводит к снижению его компрессии.

Конфигурация фокусирующего электрода достаточно сложна. Она рассчитывается так, чтобы обеспечить необходимую форму эквипотенциальных поверхностей в вакуумном зазоре между катодом и анодом, задающую определенную траекторию движения электронов.

На практике часто используют фокусирующие электроды цилиндрической или конической формы.

Форма электродов катода и анода также влияет на тип электронного потока. Если катод выполнен в виде кольца или части тороида, а отверстие в аноде круглое или в виде кольцевой щели, то возникает трубчатый электронный поток (см. рис.4).

К А

Рис. 4. Анод в виде кольца, катод в виде части тороида.

Если анод является внешним по отношению к электронному пучку, то возникает так называемый полый поток (см.рис.5).

Для получения ленточных электронных потоков используется пушка Пирса с параллельным потоком (катод прямоугольной формы) и со сходящимся потоком (цилиндрический катод). Бывают пушки для формирования многолучевых электронных потоков, состоящие из нескольких расположенных в определенном порядке катодов и анода.

Применяются также многоэлектродные пушки: с дополнительным анодом для возможности независимой регулировки тока и энергии частиц, с сеткой для изменения напряжения между катодом и фокусирующим электродом, со штыревым электродом (штырем) в центре катода для снижения управляющего напряжения и т.д.

К

А

ФЭ е

е

К

Рис.5.

Конструкция электронной пушки определяется условиями эксплуатации установки, величиной анодного напряжения, типом фокусирующего устройства. Разновидности электронных пушек, распределение эквипотенциальных поверхностей в ускоряющем промежутке показаны на рис. 6-8.

Рис.6 Схемы электронных пушек, формирующих аксиально-симметричный поток.

Рис.7 Схемы электронных пушек, формирующих трубчатый поток.

Рис.8 Электронные пушки мощных электровакуумных приборов.

Главная сложность в создании электронных пушек – необходимость сочетания катодно-подогреваемого узла, выполненного из тугоплавких материалов с низким коэффициентом термического расширения, с остальной конструкцией в условиях вакуума. Для этого используются различные изоляторы и прокладки, обеспечивающие сопряжение узлов и поддержание высокого вакуума.

Типичные параметры электронных пушек следующие: ток пучка 10^-5–10² А, анодное напряжение – 10–10³ В, плотность мощности в пучке – до 10⁷ Вт/см², первеанс – (0,3–1,5)10^-6 АВ^-3/2.

Для обеспечения транспортировки электронных потоков применяются электронно –оптические системы, в которых отталкивающее взаимодействие электронов компенсируется действием внешних полей, обеспечивая фокусировку пучка.

Электронно–оптическая система (ЭОС) – совокупность электрических и магнитных полей, а также устройств для создания таких полей, образованных электродами с заданным потенциалом, создающие электронный пучок определенной конфигурации.

ЭОС обычно состоят из электронной пушки, фокусирующего устройства, отклоняющей системы и приемника электронов.

Существуют ЭОС для электроламповых приборов (ЭЛП), электровакуумных приборов (ЭВП) СВЧ диапазона и установок электронно-лучевой технологии. В ЭЛП (например, кинескопы) используются низкоинтенсивные электронные потоки, в остальных устройствах – высокоинтенсивные.

Для создания потоков электронов заданной конфигурации применяют электростатическую и магнитную фокусировку.

Основной элемент электростатической фокусировки – электростатическая линза, которая представляет собой один или несколько электродов в виде металлической диафрагмы с круглым отверстием, находящихся под определенным потенциалом. Существуют иммерсионные линзы (последовательность нескольких электродов с разным потенциалом) и одиночные линзы (три или более электродов, но потенциал крайних из них одинаков). Иммерсионные и одиночные линзы всегда собирающие.

Для электростатической фокусировки интенсивных потоков в электронно-лучевых установках используются системы одиночных линз, имеющих потенциал катода и расположенных в пролетной (регулярной) области.

Для ленточных пучков целесообразно применять периодическую электростатическую фокусировку, система которой образована полем последовательно расположенных кольцевых электродов, имеющих попеременно более высокий и более низкий потенциал.

Система центробежно-электростатической фокусировки создается полем коаксиально расположенных цилиндрических электродов, причем внутренний электрод имеет более высокий потенциал, а внешний электрод может быть выполнен в виде спирали. При этом пучок имеет трубчатую форму. В целом центробежно-электростатическая фокусировка используется редко (сложная конструкция). Структура электростатических линз и системы электростатической фокусировки приведены на рис. 9.

Рис. 9.

Магнитное фокусирующее устройство содержит источник магнитного поля (катушки с током или постоянные магниты) и магнитопроводы, создающие необходимое распределение поля. Для фокусировки неинтенсивных потоков применяют магнитную линзу.

Магнитные линзы служат для формирования электронных потоков при помощи осесимметричных статических магнитных полей. Магнитные линзы делятся на короткие и длинные. Короткие линзы (рис.10) представляют собой катушку с током или постоянный магнит, диаметр которых сравним с их длинной. Фокусировка частиц короткой линзой сопровождается поворотом частиц в азимутальном направлении на некоторый угол. Для устранения поворота необходимо использовать две линзы с магнитном полем противоположного направления. Кроме того, их фокусное расстояние зависит от соотношения заряда и массы частицы.

Рис.10 Короткая магнитная линза

Длинная магнитная линза представляет собой протяженный соленоид, диаметр которого значительно меньше его длины. Она создает однородное магнитное поле, в котором заряженные частицы двигаются по винтовым траекториям. Шаг винта траектории является фокусным расстоянием длинной линзы.

Для фокусировки интенсивных потоков применяют соленоиды, электромагниты и постоянные магниты. При использовании постоянных магнитов системы подразделяются на фокусирующие устройства с однородным полем в зазоре, с реверсным полем и магнитные периодические фокусирующие устройства.

Магнитная периодическая фокусировка используется для формирования протяженных потоков при помощи знакопеременного, периодически изменяющегося вдоль оси пучка магнитного поля. В пределах каждого полпериода магнитное поле образует магнитную линзу.

Магнитная фокусировка наиболее распространена для цилиндрических потоков.

ЭОС в устройствах, работающих с интенсивными потоками частиц, содержат несколько областей, последовательно проходимых электронным потоком. Ниже показано схематичное распределение магнитного поля вдоль траектории движения потока (см.рис.11).

В области электронной пушки 1 происходит образование, начальное формирование и ускорение пучка.

В первой переходной области 2 электроны попадают в фокусирующее поле. При этом если для фокусировки применяется магнитное поле, то электроны приобретают вращательную составляющую скорости.

В регулярной области 3 на электрон действует продольное магнитное поле, которое обеспечивает фокусировку пучка магнитными линзами за счет силы Лоренца (сила действует к оси пучка). В ряде конструкций работает система с последовательностью сильных электронных линз для электростатической фокусировки электронного потока.

В ускорительных установках регулярная область совмещается с электродинамической системой, где происходит взаимодействие электронов с СВЧ полем и ускорение электронного пучка.

Во второй переходной области 4 фокусирующее действие полей прекращается, и пучок начинает расширяться. Затем он попадает в коллектор 5 для приема электронов или на выходное окно ускорителя.

1 2 3 4 5

К

В

х

Рис.11

Основными параметрами ЭОС являются: токопрохождение и коэффициент заполнения (отношение среднего диаметра пучка в регулярной области к диаметру пролетного канала), а также первеанс и компрессия электронной пушки.

Дата добавления: 2014-01-04