2.2 Расчет электронной пушки методом синтеза

Синтезная форма электродов и распределение магнитного поля изображено на рис. 3.

В качестве исходных данных используем следующие параметры:

- микропервеанс: ρ_μ=0,688 мкА/В^3/2;

- ускоряющее напряжение: U₀=22560 В;

- радиус пучка в канале: b=0,1 см;

- превышение магнитного поля над бриллюэновским: N_бр=1,5;

- коэффициент заполнения: K_з=0,6;

- наклон пучка у катода: А_к=-2.

Результаты расчета:

- длина пушки: Z_и=3,292см;

- радиус кривизны катода: R_кр=1,0760 см;

- глубина катода по Z: Z_к=0,203см;

- высота катода по R: R_к=0,629 см;

- бриллюэновское магнитное поле: В_бр=1023,004 Гс;

- величина магнитного поля на катоде: В_к=18,979 Гс;

- плотность тока на катоде: j_к=3,389 А/см²;

- компрессия пушки: К_s=39,650

Рис.3 Синтезная форма электродов и распределение магнитного поля

Рис. 2. Блок-схема программы синтеза электронной пушки

2.3 Расчет электронной пушки методом анализа.

Исходными данными для анализа пушки являются размер расчетной области Z_и, ускоряющее напряжение U_o, геометрия и потенциалы электродов, данные о распределении магнитного поля. Необходимая для подготовки исходных данных информация берется ив результатов син­теза пушки.

Рис.4. Выбор исходной геометрии пушки

—— - синтезная форма электродов

- - - - - технологичная форма электродов

─·─· - распределение магнитного поля

Продольный размер расчетной области можно ограничить плоскос­тью кроссовера пучка Z_и=z_кр Поперечный размер области задается в программе автоматически равным Z_и /2.

Геометрия пушки описывается линиями второго и первого поряд­ка. Для этого сложная синтезная форма электродов пушки изменяется с помощью отрезков окружностей и прямых линий на более простую и технологичную в изготовлении (рис 4, рис. 6.). Линии второго порядка описываются восемью числами Z_н, r_н, Z_к, R_к, U, Z₀, r₀, R₀.

Здесь Z_н, r_н и Z_к, R_к - координаты начала и конца дуги окружности, Z₀, r₀ и R₀ - координаты центра и радиус ду­ги окружности. После линий второго порядка пятью числами описываются линии первого порядка Z_н, r_н, Z_к, R_к, U. Здесь Z_н, r_н, Z_к, R_к - координаты начала и конца отрезка. Для каждой линии указывается нормированное значение потенциала U того электрода, к которому относится линия (на катоде U=0, на управляющем электроде и аноде U=1). Потенциал нормируется относительно U₀. Количество линий второго и первого порядка задается в исходных данных параметрами N₂ и N_1.(В нашем случае N₂=1, N₁=7).

Таким образам, катод пушки может бить описан дугой ок­ружности 1 с радиусом R₀=R_кр и прямой линией 2, у которой r_н = r_к=R_н. Значения R_кр и R_н известны из синтеза пушки. Остальные координаты выбираются из чертежа пушки. Потенциал катода U_к = 0.

Эквипотенциальная поверхность фокусирующего электрода аппроксимируется линиями 3 и 4. Потенциал фокусирующего электрода U_ф = 0. Между катодом и фокусирующим электродом из технологических сообра­жений предусматривают небольшой тепловой зазор Δr=R_н/10.

Анод пушки аппроксимируется линиями 5, 6 и 7. Линия 7 является стенкой пролетной трубы, поэтому для нее r_н = r_к=а . В продольном направлении линию 7 следует продолжить за пределы расчетной области и обязательно замкнуть на ось Z линией 8. Потенциал анода U_a= 1.

Вертикальные линии 4 и 5 проводятся так, чтобы выполнялось условие r_к ≥Z_н/2. Линии 2 и 3 по оси Z необходимо начинать из области отрицательных значений, т.е. Z_н=-0,1.

Размеры электродов пушки указываются в сантиметрах. Распределение магнитного поля задается массивом значений с постоянным шагом H_м=Z_н/(N_m-1), где N_m - число точек магнитного поля, для области пушки N_m= 17. (В нашем случае H_m=0,3). Значение B₁ должно соответствовать величине магнитного поля на катоде B_к=16,530 Гс. Магнитное поле указывается в гауссах. Данные о магнитном поле представле­ны в виде таблицы 2.

Исходные данные для расчета методом анализа представлены в таблице 1 и 2.

Длина пушки – 3,292 см

Ускоряющее напряжение – 22560 В

Число линий первого порядка – 7

Число линий второго порядка -5

Шаг магнитного поля – 0,219 см

Анализ электронной пушки проводился по программе «Analiz», блок-схема которой изображена на рис. 5.

Рис. 5 Блок-схема программы анализа.

Таблица 1.Геометрия пушки

Таблица 2. Распределение магнитного поля

Результат расчета методом анализ приведен на рис.6

Рис.6 Результат расчета

3.Конструкция электронной пушки

Конструктивно электронная пушка состоит из следующих основных узлов: катод и фокусирующий электрод, высоковольтный изолятор, анод, магнитный экран, элементы внешней армировки. Конструкция электронной пушки изображена в приложении.

Катод и подогреватель. Широкое практическое применение нашли только два типа катодов - оксидные синтерированные и металлопористые (импрегнированные). В спроектированной пушке используется импрегнированный катод. Основные характеристики этого катода представлены в таблице 4. Подогреватели катодов имеют вид спиралей из тугоплавкого металла (молибден, вольфрам, их сплавы, сплавы вольфра­ма с рением).

Таблица 4

Параметр	Катод
	оксидный синтерированный	металлопористый (импрегнированный)
Рабочая температура, 0С……….. Максимальная плотность тока катода, гарантирующая большой срок службы, А/см2 непрерывный режим…………… импульсный режим ……………. Температура подогревателя 0С…	770-850 0,3-0,4 3-20 1000-2000	1100-1200 3-5 5-20 1300-1500

Проволока подогревателя для изоляции покрыта слоем алунда. Импрегнированные катоды имеют значительно более высокую температуру эмиссии, чем оксидные, поэтому обладают более мощными подогревателями. Их обычно выполняют неалундировннными, из непокрытой проволоки. В последнее время находят применение так называемые заплавленные подогреватели, в которых спираль закреплена ("запечена") в сплошной таблетке из алунда.

Катодно-подогревятельный узел (КПУ) помимо катода и подогре­вателя содержит еще ряд деталей - элементы крепления, тепловые эк­раны и теплоразвязки. Последние имеют вид цилиндров из тонкой фоль­ги либо конструкции из тонких проволок, расположенных на цилинд­рических или конусных поверхностях (так называемые стержневые дер­жатели типа "беличье колесо"). Тепловые экраны и развязки служат не только для повышения экономичности КПУ (уменьшают отток тепла), но и для снижения температуры деталей, окружающих катод, что пре­дупреждает паразитную термоэмиссию, снижает риск выхода их из строя при многочисленных включениях и выключениях. В КПУ могут вхо­дить детали, включая керамические изоляторы, закрепляющие самый не­надежный элемент конструкции - ввод подогревателя.

Катодно-фокусируюший узел содержит КПУ, держатель КПУ и накальный изолятор. Держатель - это обобщенное название детали, к ко­торой прикреплена тепловая развязка КПУ или сам КПУ. Держатель мо­жет иметь вид трубки, втулки, фланца и т.п. К нему приваривается фокусирующий электрод. Материал фокусирующего электрода - нержавею­щая сталь, молибден, реже - сталь (железо). Основные размеры должны выполняться с высокой точностью по 6-7 квалитету (по 2-му и 2а классу точности). После установки катода в КПУ закрепление всех деталей при сбор­ке пушки - производят только сваркой (контактной, лазерной, дуговой).

Высоковольтный анодный изолятор содержит керамический цилиндр со шлифованными металлизированными торцами. К ним припаяны сравни­тельно тонкостенные детали - манжеты, переходящие в посадочные фланцы анода и катодно-фокусирующего узла. Высота изолятора определяется рабочим напряжением. Прак­тикой установлено, что необходимо брать по керамике примерно 0.5-I мм на I кВ напряжения. Например, изолятор на 10 кВ будет иметь высоту 15-20 мм, на 40 кВ – 40-60 мм. В нашем случае ускоряющее напряжение составляет 22510 В, т. е. изолятор должен иметь высоту не менее 25 мм. Именно анодный изоля­тор, обеспечивающий достаточную электрическую прочность, определяет габариты электронной пушки.

Анод пушки имеет вид цилиндра с конической фаской и выполнен из меди. Детали, образующие высоковольт­ный промежуток, должны быть скруглены и иметь высокую чистоту обра­ботки поверхности для предотвращения пробоев.

Для точной сборки пушек требуется большое число специальных оправок.

Элементы внешней армировки не имеют отношения к электронной оптике. Это - провода со штеккерами или разъемами, заливка гермети­зирующим компаундом, защитный кожух и т.п. Они служат для удобства эксплуатации и обеспечивают работоспособность пушки в условиях повышенной влажности, запыленности, повышенной температуры окружающей среды и т.п.