книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

данное соотношение В и k2 дает возможность получить равновес­ ный поток при частично экранированной пушке. Связь между ве­ личинами В/В0Б и к2, при которой обеспечивается равновесный по­ ток согласно формуле (4.8), в виде графика представлена на рис. 4.10.

Как видно из рисунка, небольшое превышение магнитной ин­ дукции над бриллюэновским значением требует существенного из­ менения параметра к2. Но при В/В0в> 3 значение k2 приближается к единице и сравнительно мало зависит от отношения В/Вов. Представляя k2 как отношение л¥к2/х¥о2 и определяя k2 из (4.8), получим величину магнитного потока, который должен пронизы­ вать катод для получения равновесного потока при частично экра­ нированной пушке:

V . = 1- ( - % - ) ' (4.10)

Из (4.10) следует, что чем больше «рабочее» магнитное поле В превышает бриллюэновокое значение В0б, тем большая часть маг­

появлению пульсаций границы пучка. Интересно отметить, что при (весь магнитный поток пронизывает катод) получение не­ пульсирующего пучка невозможно; при k-*-\ оптимальное значение магнитной индукции В-*-<х> [см. (4.9)]. В то же время увеличение k (при £ < 1 ), а следовательно, и увеличение оптимального значе­ ния магнитного поля способствует уменьшению влияния радиаль­ ных составляющих скоростей электронов, в том числе и начальных тепловых скоростей. Вследствие этого пучки, сформированные пушками с частично экранированными катодами, оказываются бо­ лее стабильными, фокусировка при кФО получается более жесткой,

чем в случае бриллюэновского потока. Следует также отметить что с ростом магнитной индукции при {Иф0) азимутальная скорость вращения пучка вокруг оси уменьшается. Используя теорему Буша

графика приведена на рис. 4.10. Уменьшение азимутальной ско­ рости является также одним из преимуществ пучков, сформиро­ ванных пушкой с частично экранированным катодом.

Таким образом, пушки с частично экранированным катодом имеют ряд преимуществ, к которым, кроме указанных, следует от­ нести более четкую границу пучка вследствие уменьшения влия­ ния тепловых скоростей, что улучшает токопрохождение в прибо­ ре. Частично экранированные пушки менее чувствительны к коле­ баниям анодного напряжения и тока фокусирующего соленоида. Как было указано, идеальный бриллюэновский поток практически создать не удалось и в реальных системах, формирующих интен­ сивные пучки, всегда В>В0Б, Поэтому пушки с частично экрани­ рованным катодом и компрессией пучка в настоящее время полу­ чили широкое распространение.

Формирование полых (трубчатых) цилиндрических и коничес­

вания параллельных или сходящихся потоков; 2) пушки с центро­ бежной электростатической фокусировкой; 3) пушки магнетрон­ ного типа.

Пушки первой группы являются наиболее простыми и при пра­ вильно выбранной геометрии электродной системы могут обеспе­ чить формирование трубчатых пучков с микропервеансом до не­ скольких единиц мка/в^г. В качестве примера на рис. 4.11 приве­ ден эскиз электродной системы пушки, формирующей параллельный трубчатый пучок.

Катод этой пушки имеет форму поверхности тороида, вследст­ вие чего рассматриваемая формирующая система получила назва­

однородного продольного поля, ограничивающего пучок в заанодном пространстве, ясна из рисунка. Расчет и экспериментальное исследование пушек тороидального типа показали, что эти систе­ мы могут обеспечить получение достаточно устойчивых пучков с микропервеансом до 10 мка/в'1* и более, с компрессией до 10.

Аналогично может быть сформирован трубчатый конический (сходящийся) пучок. На рис. 4.13 показано сечение электродов ■пушки для формирования трубчатого конического пучка, предло­

линзы, приводящей к нарушению гомоцентричности потока, сфор­ мированный пушкой трубчатый конический пучок превращается в сплошной. Поэтому такие пушки не получили широкого распро­ странения.

Пушки с центробежной электростатической фокусировкой, пред­ ложенные 3. С. Черновым (см. § 2.4), имеют некоторые преимуще­ ства: малый вес и высокую экономичность фокусирующей системы благодаря отсутствию магнитных катушек и магнитопроводов, не­ возможность попадания положительных ионов на катод и, как следствие, большой срок службы катода. Однако при больших ве­ личинах первеанса действие пространственного заряда в этих си­ стемах не удается скомпенсировать увеличением разности потен­ циалов между обкладками цилиндрического конденсатора — пучок становится неустойчивым, увеличивается оседание электронов на электроды. Вследствие этого пушки с центробежной электростати­ ческой фокусировкой находят ограниченное применение в прибо­ рах, где не требуется получение микропервеанса более нескольких десятых мка/в*1г.

В настоящее время наибольшее распространение получили пуш­ ки магнетронного типа, позволяющие получать устойчивые труб­ чатые потоки с очень высоким первеансом — до 20 мка/в*/г и более. Как было указано в § 2.5, пушки магнетронного типа относятся к системам формирования со скрещенными электростатическим и магнитным полями. Приведенная на рис. 2.35 схема электродной системы магнетронной пушки является типичной для большинства реальных пушек магнетронного типа. Катоды магнетронных пушек, как правило, выполняются в виде усеченных конусов с углом на­ клона образующей к оси в пределах 2-^-5° Анод может иметь фор­ му тела вращения в виде воронки с криволинейной образующей или состоять из сочлененных конусов с несколько отличающимися углами наклона образующей к оси. Описаны магнетронные пушки с цилиндрическим катодом и конусным анодом, а также с конус­ ным катодом и цилиндрическим анодом и так называемые обра­ щенные магнетронные пушки с внутренним анодом и катодом в

нюю задачу, т. е. рассчитать распределение потенциала вне пучка. Тогда любая эквипотенциальная поверхность за границей пучка может быть заменена проводящей поверхностью с тем же потен­ циалом, т. е. форма анода определяется формой эквипотенциаль­ ной поверхности, лежащей вне пучка. Форма фокусирующих прикатодных электродов определяется нулевой (Ф = 0) эквипотенци­ альной поверхностью вне пучка, т. е. за краями эмиттирующей поверхности катода. Решение внешней задачи сводится к нахож­ дению решения двумерного уравнения Лапласа с граничными ус­ ловиями, получаемыми из (4.17) путем расчета распределения по­ тенциала вдоль границы пучка.

симметричном пушки

Аналитическое решение внешней задачи может быть выполне­ но методом конформного отображения области вне пучка на плос­ кость комплексного переменного. Поскольку любая функция комп­ лексного переменного удовлетворяет уравнению Лапласа, решение задачи при таком преобразовании существенно упрощается. Гра­ фическое решение внешней задачи для двух углов наклона поверх­ ности катода к направлению магнитного поля в проекции на плос­ кость Y0Z представлено на рис. 4.14. На этом же рисунке пока­ заны траектории электронов, вычисленные на основании решения системы уравнений (4.17).

По приведенным графикам легко определить форму электродов пушки. Форма прикатодных фокусирующих электродов определя­ ется кривой Ф = 0 вне пучка путем пересчета значений У, Z в преж­ нюю систему координат (у, г) по соотношениям (4.16). Форма янода определяется любой кривой ® = const (Ф >0) при пересчете в систему (*/, г). Рассчитанная таким методом электродная систе­ ма моделируется в плоской электролитической ванне, и произво­ дится измерение напряженности электрического поля у поверх­ ности катода. Затем дно ванны наклоняют так, чтобы «линия бе­ рега» совпала с осью проектируемой осесимметричной пушки, и

путем изменения формы анода добиваются совпадения значений напряженности поля у катода осесимметричной системы со значе­ ниями напряженности, измеренными в плоской системе (рис. 4.15).

Необходимо отметить, что чем меньше толщина (гпар—гвп) пуч­ ка по сравнению с его средним радиусом, тем меньше отличается форма анода осесимметричной пушки от формы анода плоской •пушки. При (/"нар—гвн) ^ 0 ,1гср корректировка формы анода при переходе к осесимметричной системе оказывается весьма незначи­ тельной.

На рис. 4.16 приведен чертеж одной из современных магнетрон­ ных пушек. Экспериментальное исследование магнетронных пушек показало, что плотность тока в различных точках катода различа­ ется не более чем на 10%, т. е. можно считать токовую нагрузку катода примерно постоянной по поверхности катода. Магнетрон­ ные пушки благодаря ряду преимуществ (высокий первеанс, чет­ кая граница сформированного пучка, достаточно большая компрес­ сия и равномерное распределение тока по катоду) являются в настоящее время наиболее распространенными и перспективными. К недостаткам магнетронных пушек следует отнести сравнительно большую величину магнитной индукции, в 2— 3 раза превышаю­ щую бриллюэновское значение. Известно также, что пушки магне­ тронного типа имеют несколько повышенный уровень шума.

§4.3. ПУШКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ПУЧКОВ

Вряде приборов СВЧ — таких, как мощные ЛБВ и ЛОВ, исполь­ зуются интенсивные электронные пучки прямоугольного сечения (ленточные пучки). Параллельный ленточный пучок наиболее просто может быть сформирован системой Пирса с плоским пря­

моугольным катодом и фокусирующими катодными электродами в виде крыльев, примыкающих к длинным сторонам катода, обра­ зующих с нормалью к поверхности катода углы 67,5° (см. § 2.4). Анод также имеет два крыла, изогнутых по форме одной из экви­ потенциальных поверхностей (£/>0) рис. 2.18, со щелью между ни­ ми, равной толщине пучка. Эскиз электродной системы пушки для формирования параллельного ленточного пучка представлен иа рис. 4.17.

Конечно, по выходе из анодной щели, в которой создается рас­ сеивающая линза, приводящая к искривлению электронных траек­ торий в стороны от средней плоскости пучка, за счет действия пространственного заряда пучок будет расширяться. Для ограни­ чения расширения пучка в заанодном пространстве, так же как и в системах, формирующих осесимметричные пучки, обычно исполь­ зуется однородное продольное магнитное поле.

Пушки, формирующие параллельный ленточный пучок, несмот­ ря на простоту, находят ограниченное применение главным обра­ зом из-за отсутствия компрессии.

Более распространены пушки, формирующие (в пространстве между катодом и анодом) сходящиеся (клиновидные) пучки.

В этом случае можно обеспечить достаточную компрессию и, сле­ довательно, получить в пучке плотность тока, в несколько раз пре­ вышающую удельную эмиссию катода. В заанодном пространстве сформированный пушкой клиновидный пучок за счет действия про­ странственного заряда и рассеивающей анодной линзы становится параллельным, а затем, если нет ограничивающих полей, и расхо­ дящимся. Для ограничения расширения ленточного пучка в про­ летном пространстве необходима ограничивающая система в виде однородного продольного магнитного или системы периодической

жен иметь форму, определяемую од­ ной из эквипотенциальных поверхностей (£ />0) рис. 2.21. К катоду

с обеих длинных сторон должны примыкать фокусирующие элек­ троды, форма которых определяется эквипотенциалью U= 0 рис. 2.21. Однако практическое изготовление криволинейных фоку­ сирующих электродов неудобно. Учитывая, что при отработке кон­ струкции пушки форма электродов уточняется моделированием в электролитической ванне, фокусирующие электроды чаще выполня­ ют в виде двух плоскостей с образующими, наклоненными к нор­ малям, проведенным с краев катода под углом 67,5°

При рассмотрении формирования клиновидных потоков (см. § 2.4) предполагается, что ширина пучка не ограничена. В реаль­ ных системах, хотя ширина ленточного пучка существенно больше его толщины, необходимо ограничить расплывание пучка по шири­ не. Проще всего это достигается применением двух дополнитель­ ных боковых фокусирующих электродов, выполненных в виде ко­ нической поверхности с образующими, наклоненными к нормалям, проведенным к краям катода под углом 67,5°

Для корректирования формы основных фокусирующих электро­ дов на модели в электролитической ванне используется плоская

ванна, т. е. по существу моделируется поле, бесконечно протяжен­ ное по ширине пучка. При определении формы дополнительных боковых фокусирующих электродов применяется ванна с наклон­ ным дном; при этом модель устанавливают так, чтобы «линия бе­ рега» совпадала с осью цилиндрической поверхности катода. Эскиз электродной системы пушки для формирования клиновидного пуч­ ка приведен на рис. 4.18.

Поскольку основные и боковые фокусирующие электроды име­ ют одинаковый (нулевой) потенциал, в реальных конструкциях обе пары фокусирующих электродов могут быть выполнены в виде од­ ной детали с прямоугольным отверстием по форме катода.

К недостаткам пушек, формирующих сходящиеся ленточные пучки, следует отнести сложность расчета и моделирования. Кро­ ме того, из-за наличия боковых фокусирующих электродов пушки имеют сравнительно большие габаритные размеры.

Ленточный пучок можно сформировать фокусирующей системой со скрещенными электростатическим и магнитным полями. В та­ кой системе в отличие от магнетронной пушки, формирующей осе­ симметричный трубчатый пучок, вынос электронов из пространства между катодом и анодом осуществляется не электростатическим полем, а магнитной силой Лоренца.

Рассмотрим движение электронов в пушке со скрещенными по­ лями. Расположим плоский катод в плоскости X0Z, совместив на­ чало координат с точкой О поверхности катода (рис. 4.19).

Однородное магнитное поле направим вдоль оси ОХ (В=ВХ). Предположим, что потенциал, плотности тока и пространственного заряда зависят только от одной координаты у. При этом траектория электрона, покидающего катод в точке О, будет плоской кривой,