Sb000537

Вторичное интегрирование (5.8) приводит к следующему уравнению огибающей пучка:

ствует угол сходимости пучка θ , при котором кроссовер максимально удален от анодной диафрагмы: zкр = z(rкр )− z0 = max для пушки с заданным значе-

нием первеанса. Такой режим работы пушки называют оптимальным.

Для расчета ЭОС сильноточной пушки также может быть использована программа MATLAB. В качестве исходных данных для расчета задаются:

анодное напряжение Uа , катодный ток Iк , плотность тока эмиссии катода

I э , радиус кроссовера rкр . В результате расчета определяются геометрия

пушки и контур огибающей электронного пучка. Как и в предыдущем случае, при необходимости можно уточнить найденную геометрию пушки с помощью программ анализа более высокого уровня.

6. РАСЧЕТ СИСТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ

В основу конструкций ГРЭП с холодным катодом и анодной плазмой положен ограниченный разрядный промежуток высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Холодный катод 1 охвачен анодным экраном 3, отделенным от катода высоковольтным изолятором 2 (рис. 6.1).

Рис. 6.1

41

В анодном экране выполнено отверстие, образующее анодную апертуру. Расстояние между анодом и катодом ограничено по минимуму условием исключения вакуумного пробоя (предельная напряженность электрического

поля не более 105 Bcм), а по максимуму − условием возникновения газово-

го разряда между катодом и анодным экраном. Расстояние «катод−экран» должно быть меньше наименьшей длины области катодного падения потенциала в рабочем диапазоне условий разряда. При такой экранировке катода разряд может зажигаться только в области анодной апертуры.

На рис. 6.1 представлены два характерных типа поперечных сечений указанных разрядных промежутков: а − ширина анодной апертуры − величина порядка расстояния между катодом и экраном или менее этого (при этом поле катода сильно экранировано и незначительно проникает в заанодное пространство; эмитируемые плазмой ионы фокусируются на катоде в пятно малой площади, из которого эмитируется расходящийся электронный пучок высокой яркости; в эмиссионном пятне происходит интенсивное распыление катода, поэтому срок службы катода невелик); б − ширина анодной апертуры значительно больше расстояния между катодом и экраном (поле катода экранируется слабо, и распределение потенциала в области катодного падения определяется в основном объемным зарядом пучка положительных ионов; при этом форма плазменного эмиттера в значительной степени подобна форме холодного катода, на поверхности которого существует развитая эмиссионная зона). Во всех типах разрядных промежутков эмиссионная поверхность катода может быть вогнутой, плоской или выпуклой в зависимости от требований, предъявляемых к конфигурации формируемых пучков. С помощью ГРЭП получают конические, трубчатые, клиновидные, дисковые и пучки других профилей.

Мощность электронных пучков, формируемых существующими газоразрядными пушками с холодным катодом и анодной плазмой, лежит в диапазоне от сотен ватт до сотен киловатт, причем меньшие уровни мощности характерны для пушек с точечным или нитевидным эмиттерами электронов,

а большие − для пушек с развитым эмиттером электронов.

Диапазон широко используемых ускоряющих напряжений находится в пределах единиц−десятков киловольт.

К основным физическим процессам, определяющим работу ГРЭП, можно отнести следующие:

42

−эмиссию электронов из холодного катода при бомбардировке его ионами и быстрыми нейтральными частицами;

−ускорение электронов в области катодного падения потенциала и формирование электронного пучка;

−эволюцию электронного пучка в плазме и генерацию заряженных частиц плазмы;

−эмиссию ионов из плазмы и образование потока ионов к катоду;

−образование потока быстрых нейтральных частиц в результате процессов перезарядки ионов на нейтральных частицах газа.

Кроме того, параллельно с рассмотренными процессами происходит распыление электронов под действием бомбардировки тяжелыми частицами, конденсация распыленных частиц, генерация электромагнитного излучения

ит. п.

Все отмеченные процессы взаимосвязаны и находятся в динамическом равновесии, которое может сдвигаться под влиянием изменения ускоряющего напряжения, рода и состава газа, давления и температуры газовой среды, изменения эмиссионных характеристик материалов электродов и т. д. По-

этому расчет основных характеристик таких пушек − сложнейшая задача.

Целью приближенного экспресс-анализа ЭОС ГРЭП является нахождение распределения потенциала на оси системы формирования, длины области катодного падения (участка ускорения), усредненной плотности элек-

тронного тока с катода и на их основе − исходного варианта геометрии системы.

В качестве исходных данных для расчета задаются потенциалом катода

Uк (катод находится под высоким отрицательным потенциалом по отноше-

нию к заземленному аноду и анодной плазме, потенциал которой Ua = 0 ),

материалом катода, давлением p и родом газа, а также током электронного потока Ie .

Распределение потенциала в катодном падении одномерного разрядного промежутка ВТР с анодной плазмой определяется полем объемного заряда положительных ионов, движущихся с перезарядками от плазмы к катоду. Так как объемный заряд встречного пучка электронов во много раз меньше ионного, его можно не учитывать. Решают уравнение Пуассона (2.1) с гранич-

ными условиями U (0) = 0 , U (d ) = −Uк , напряженность электрического поля на плазменном эмиттере E(0) = 0 . При этом скорость, приобретаемая ионом

43

Учитывая, что объемный заряд, создаваемый ионом, обратно пропорционален его скорости, на начальном участке ускорения скорость иона опреде-

ляется напряженностью поля E(z) и случайностью места перезарядки. Для ионов, прошедших перезарядку, может быть принят режим установившегося дрейфа в сильном электрическом поле. Средняя скорость такого потока

Объемный заряд определяется суммой зарядов, создаваемых обоими потоками, тогда уравнение Пуассона можно записать в виде

Параметр K2 в уравнении (6.2) может быть аппроксимирован зависимо-

стью K2 = 0,75 − (0,75 − 0,6)zd .

44

S, кол. вз/(см·Па)

щей поверхности катода); γ − коэффициент ионно-электронной эмиссии.

Таким образом, с помощью выражения (6.2) можно приближенно рассчитать распределение потенциала в катодном столбе и длину катодного падения потенциала. Сравнивая поперечные размеры эмиссионной зоны с длиной области катодного падения, определяют тип разрядного промежутка

(см. рис. 6.1). Расстояние «катод − анодный экран» выбирают исходя из при-

веденных соображений.

Определенная таким образом геометрия электродов (поверхность плазмы рассматриваем как границу прозрачного анода) вместе с заданными параметрами разряда характеризует исходный вариант рассчитываемой ГРЭП.

Для расчета ЭОС плазменной пушки с помощью программы MATLAB в качестве исходных данных для расчета необходимо задать катодный потен-

циал Uк , электронный ток Ie , радиус пучка на выходе из плазмы. В резуль-

тате работы программы определяются геометрия пушки и контур огибающей электронного пучка.

45

Cписок литературы

1.Сушков А. Д. Вакуумная электроника. СПб.: Изд-во «Лань», 2004.

2.Силаев С. А., Шануренко А. К. Проектирование мощных электронных приборов с электростатическим управлением: учеб. пособие / СПбГЭТУ

«ЛЭТИ». СПб., 1999.

3.Антонов С. В., Шануренко А. К. Проектирование вакуумных и плазменных приборов и устройств. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004.

4.Рыкалин Н. В., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978.

5.Молоковский С. И., Сушков А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991.

6.Прилуцкий В. С., Шануренко А. К. Особенности физических процессов

вкатодах мощных электронных приборов с электростатическим управлением: учеб. пособие / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1998.

7.Прилуцкий В. С. Вольфрамовый торированный карбидированный катод. М.: Руда и металлы, 2001.

46

47