UHF_LEC / UHF_L13

Лекция 13. СВЧ

13.1. Особенности формирование и удержания пространственного заряда в устройствах магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия.

В предыдущей лекции мы рассмотрели наиболее употребимые типы пушек для формирования электронных пучков. Здесь мы обсудим особенности формирования и удержания пространственного заряда в устройствах магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия.

На рис.13.1 показан типичный вид сечения пространства взаимодействия прибора такого типа. В таких приборах удержание пространственного заряда в поперечном направлении определяется действием продольного магнитного поля. Электрические поля торцевых экранов препятствуют “расползанию” пространственного заряда вдоль оси системы. При использовании в приборах такого типа термокатодов активное покрытие наносится на их поверхность только в заштрихованной на рисунке области. Тем не менее, поле торцевых

Рис.13.1.	экранов влияет на движение всех электронов, кроме эмитированных точно в центральной плоскости сечения прибора. Только здесь электроны движутся в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Траектории же всех остальных электронов объемные. Типичная траектория электрона, эмиттированного не центральным
Рис.13.2.	участком катода, показана на рис.13.2. Если не учитывать действие полей объемного заряда и переменных

полей в пространстве взаимодействия, электроны, эмитированные краевыми участками катода, двигаются по петлевым (эпициклоидальным) траекториям в направлении, перпендикулярном магнитному полю, но при этом одновременно сносятся вдоль оси и падают на катод в точке, симметричной точке вылета относительно центральной плоскости сечения прибора. Понятно, что электроны, эмитированные в противоположных краевых областях катода, двигаются навстречу друг другу.

********************************************************************

Чтобы понять, почему траектория электронов, эмитированных в краевой области, «отрывается» от катода, вспомним, что в магнетронном приборе при движении по петлевой траектории в направлении, перпендикулярном электрическому и магнитному полям, электрон сначала ускоряется, а затем после прохождения вершины петли тормозится. Электроны из краевой области сносятся аксиальными электрическими полями торцевых экранов к центру прибора. При этом радиальное поле на их пути к центру увеличивается. Поэтому электрон, начавший свое движение в краевой области и ускоренный на первой половине своей траектории малым по величине радиальным полем, тормозится большим по величине радиальным полем. В результате на спаде траектории скорость электрона обращается в нуль до его падения на катод. После того, как электрон проходит центральную плоскость сечения прибора, на пути его движения вдоль оси в противоположной краевой области радиальная составляющая электрического поля уменьшается. В результате траектория электронов «снижается» к катоду и электрон «приземляется» на катод в плоскости, симметричной относительно центра катода плоскости вылета.

*********************************************************************

Если в пространстве взаимодействия существуют переменные поля, их действие может привести к тому, что электрон, эмитированный краевым участком катода, потеряет часть энергии во время своего аксиального движения и в результате не достигнет катода в противоположной краевой его части. Электроны такого типа могут быть задержаны на продолжительное время в пространстве взаимодействия прибора. Они совершают аксиальные колебания между торцевыми катодными экранами. С другой стороны, электроны, ускоренные ВЧ полями, падают на катод с энергией, превышающей начальную тепловую. Такие электроны попадают на катод в точке, расположенной ближе к центральной плоскости сечения прибора, чем точка их вылета.

Проведенное рассмотрение показывает, что учет действия краевых полей, используемых для удержания пространственного заряда, приводит к существенному усложнению закономерностей движения электронов в устройствах магнетронного типа по сравнению с тем, которое, обычно используется при описании работы таких приборов. При этом не меняются принципиально механизмы формирования спиц пространственного заряда и передачи энергии от электронного потока СВЧ колебаниям. Однако, как показывают эксперимент и углубленный теоретический анализ, аксиальное движение электронов влияет на автоколебательные свойства электронного облака в скрещенных полях и на условия его поддержания в мощных приборах.

Колеблющиеся между торцевыми катодными экранами электроны длительное время существуют в рабочем его пространстве. В облаке захваченных электронов развиваются колебаний пространственного заряда, в которых электронные сгустки совершают, как правило, трехмерное движение. Перемещение сгустков вдоль оси, обычно, сочетается с их движением в азимутальном направлении. Возникновение колебаний может происходить в результате развития двух рассмотренных нами типов неустойчивостей: в результате двухпотоковой и диокотронной неустойчивостей.

Не останавливаясь более на анализе трехмерных колебаний пространственного заряда (этот анализ не элементарен), обсудим более подробно влияние аксиального движения электронов на поддержание пространственного заряда. Как уже говорилось ранее при анализе работы магнетронных приборов, “неправильнофазные” (ускоренные ВЧ полями) электроны бомбардируют катод и в мощных приборах могут вызвать вторичную эмиссию с его поверхности. Учет аксиального движения показывает, что наиболее интенсивна обратная бомбардировка катода в торцевых его областях. Связано это, в частности с тем, что участвующие в аксиальном движении электроны (т.е. большая часть эмитированных катодом электронов) быстро проскакивают в своем аксиальном движении центр прибора и дольше находятся в торцевых областях. По этой причине усредненное во времени распределение плотности тока обратной бомбардировки катода имеет вид, показанный на рис.13.3. Максимумы плотности тока обратной бомбардировки расположены вблизи торцевых катодных экранов. В условиях,

Рис.13.5.

когда эффективный коэффициент вторичной эмиссии катода, усредненный по энергии бомбардирующих катод электронов, превышает единицу, основная часть потока электронов с катода определяется вторичной его эмиссией. Ток вторичной эмиссии неоднороден по катоду и большая его часть поступает с торцевых его участков торцевых его участков.

Эффективный коэффициент вторичной эмиссии (коэффициент вторичной эмиссии, усредненный по всем энергиям бомбардирующих катод электронов) заметно превышает единицу практически в любых достаточно высоковольтных магнетронных приборах при анодных напряжениях U_a  1-5 кВ. Способствует этому то, что максимальный коэффициент вторичной эмиссии _m практически любых эффективных термокатодов имеет величину больше 2. Средняя же энергия бомбардирующих катод электронов в таких приборах достигает сотен или даже тысяч эВ. По этой причине для магнетронных приборов характерно явление увеличенной эмиссии. Это явление проявляется в том, что предельные достижимые в мощных приборах токи иногда превышают ток термоэмиссии катода в сотни раз. На рис.13.4 показана типичная вольт-амперная характеристика магнетронного катода, измеренная при магнитном поле, близком к критическому. Очевидно, что ток в закритическом

Рис.13.4.

режиме (при Ua Uaкр) приблизительно равен току термоэмиссии катода. Максимальный же анодный ток Iam во много раз превосходит его величину. Величина максимального тока, как следует из анализа работы магнетронных приборов, связана с величиной m соотношением Iam =С(m -1), (13.1)

где коэффициент С определяется геометрическими размерами пространства взаимодействия прибора.

Тот факт, что магнетронные приборы, даже с термокатодами, работают, в основном, за счет вторичной эмиссии, открывает привлекательную возможность создания магнетронных приборов с холодными вторично-эмиссионными катодами. Использование холодных катодов привлекательно по двум причинам. Во-первых, они не требуют накала и поэтому включение приборов с такими катодами может быть практически безынерционным. Кроме того, такие катоды принципиально могут быть более долговечны.

Работа магнетронного прибора с холодным катодом становится возможной, если существует механизм начального накопления пространственного заряда. В услителях магнетронного типа - амплитронах накопление пространственного заряда происходит под действием ВЧ полей входного сигнала, если мощность входного сигнала достаточно велика. Под действием этих полей благодаря механизму одностеночного ВЭР у катода происходит размножение электронов, всегда существующих в небольшом количестве в пространстве взаимодействия вакуумного прибора. В качестве таких начальных электронов могут выступить, например, электроны автоэмиссии, возникающие у поверхности холодного катода при включении анодного напряжения.

Может быть реализована работа с холодными катодами и магнетронных генераторов. В этом случае чаще всего используется вспомогательный термокатод-поджигатель, расположенный у торца основного катода, как это показано на рис.13.5. Электроны, эмитированные поджигателем, под действием краевых полей впрыскиваются в пространство взаимодействия, где они

Рис.13.5.

размножаются из-за взаимодействия с ВЧ полями замедляющей системы или под действием ВЧ полей, развивающихся в самом впрыскиваемом потоке электронов колебаний пространственного заряда. После накопления пространственного заряда поджигатель может быть выключен и дальнейшая работа

прибора в данном случае будет происходить за счет только вторичной эмиссии с катода.

Размножение электронов у холодного катода в устройствах со скрещенными полями может быть организовано в отсутствие ВЧ полей и без дополнительного источника термоэлектронов. Размножены могут быть начальные электроны, например автоэмиссии, если при импульсном питании импульс анодного напряжения имеет участок падающего напряжения достаточной крутизны и протяженности. На рис.13.6 показан импульс такого типа.

Рис.13.6.

Электроны, эмитированные катодом на падающем участке 1 импульса, бомбардируют катод с энергией, превышающей начальную тепловую. Дело в том, что эмитируются они и начинают свое движение к аноду в одном ускоряющем электрическом поле, а движутся к катоду в меньшем по величине тормозящем поле. Эффективное вторично-эмиссионное размножение электронов становится возможным при выборе

некоторого оптимального значения скорости спада напряжения на участке 1 импульса. За время движения электронов по циклоидальной траектории должно быть достаточно велико приращение энергии электронов (порядка нескольких сотен эВ). Тогда коэффициент вторичной эмиссии будет иметь величину, близкую к максимальному своему значению _m. Кроме того, для накопления досточного по плотности пространственного заряда электронов достаточно велика должна быть длительность спада на участке 1 импульса. Обычно, длительность этого участка измеряется десятыми долями микросекунды. После первоначального накопления электронов и начала генерации СВЧ колебаний в генераторе дальнейшее поддержание пространственного заряда осуществляется за счет вторичной эмиссии электронов на полке импульса анодного напряжения из-за взаимодействия электронов с полями замедляющей системы. В магнетронных диодах поддержание пространственного заряда на полке импульса определяется полями автоколебаний электронного облака.

13.2. Особенности формирования релятивистских электронных потоков.

Основные проблемы, которые возникают при создании РЭП с энергиями электронов 10⁵-10⁷ эВ, обусловлены тем, что в системах их формирования существуют большие по величине перепады потенциала (10⁵ В). По этой причине в таких системах весьма трудно обеспечить достаточную электрическую прочность высоковольтных зазоров. С другой стороны, это же открывает возможность использования при формировании РЭП взрывной эмиссии.

Одна из распространенных систем формирования РЭП - коаксиальнный диод с магнитной изоляцией и взрыво-эмиссионным катодом. Конструкция такого диода схематично показана на рис.13.7. В качестве катода здесь использована металлическая трубка (или трубка из графита) с заостренным торцом (кромочный катод). При подаче высокого напряжения между катодом

Рис.13.7.

и анодом кромка катода формирует катодную плазму, с поверхности которой отбирается ток эмиссии. Электронный пучок, удерживаемый магнитным полем системы соленоидов, далее через канал транспортировки попадает на коллектор.

Типичный СВЧ прибор с релятивистским электронным пучком - карсинотрон (ЛОВ). В таком приборе замедляющая система в виде гофрированной трубы используется вместо гладкого канала транспортировки. Принцип работы такого прибора практически не отличается от рассмотренного нами ранее принципа работы нерелятивистских ЛОВ. Поэтому мы не будем пояснять работу карсинотрона. Обратим внимание только на особенности формирования пучка электронов в системе с взрыво-эмиссионным катодом.

При использовании взрывной эмиссии, как правило, трудно создать однородный по азимуту и стабильный электронный пучок. Дело в том, что взрывная эмиссия всегда начинается с отдельных центров на торце катода. Более или менее однородной эмиссия становится только по истечении некоторого интервала времени, когда из-за азимутального расширения катодной плазмы отдельные катодные факелы перекрываются. Скорость азимутального дрейфа плазмы, обычно, не превышает (1-2)10⁵ см/с, что и определяет инерционность формирования общего плазменного слоя у катода.

Одновременно с азимутальным дрейфом плазма движется вдоль оси системы и расширяется в радиальном направлении. Скорость ее аксиального движения достигает значений 210⁶-210⁷ см/с. Скорость радиального расширения примерно на порядок меньше. При движении катодной плазмы из-за уменьшения расстояния до анода и связанного с этим увеличения электрических полей у ее поверхности возрастает ток пучка. Радиальное расширение плазмы ведет к изменению геометрии пучка в поперечном его сечении. Указанные изменения характеристик электронного пучка ведут к изменению работы релятивистского прибора во времени.

Практически единственное ограничение величины тока эмиссии, который может быть отобран с поверхности взрывоэмиссионного катода, связано с тем, что плотность тока с катодной плазмы должна быть меньше тока проводимости j_пл сквозь ее толщу. Величина j_пл определяется соотношением

, (13.2)

где - n_пл концентрация плазмы, а V_e- средняя тепловая скорость электронов.

Оценки показывают, что при не очень высокой концентрации плазмы 10¹⁵ см^-3 и типичной средней энергии электронов во взрыво-эмиссионной плазме 1 эВ плотность тока проводимости плазмы имеет величину порядка 10⁴ А/см².

На работу релятивистских электронных приборов влияет движение не только катодной плазмы. При бомбардировке плотным электронным пучком коллектора при переносимой в пучке энергии (1-10) Дж/см² происходит рождение коллекторной плазмы. Коллекторная плазма, как и катодная, быстро перемещается в аксиальном и расширяется в радиальном направлениях. Скорости этих движений коллекторной и катодной плазмы близки по порядку величины.

Движение катодной и коллекторной плазмы ограничивает длительность работы релятивистских электронно-пучковых приборов, так как эти плотные плазменные образования закорачивают высоковольтные зазоры приборов. Существенно влияет коллекторная плазма на работу приборов и по той причине, что она является источником потока положительных ионов в сторону катода. Именно по указанным причинам в последние годы стараются использовать при формировании РЭП для СВЧ приборов обычные термокатоды. Это кажется целесообразным, хотя и требует устранения взрывной эмиссии с катода, так как позволяет, в принципе, повысить временную стабильность РЭП. Однако, при использовании термоэмиссии чрезвычайно трудно получить токи, превышающие несколько сотен ампер, даже при использовании сильной компрессии.

Нужно сказать, что плазменные образования, мешающие работе релятивистских приборов, часто возникают и у поверхности замедляющей системы в области существования сильных СВЧ полей. Возникновение такой плазмы связывают с ионизацией десорбированного с поверхности замедляющей системы вещества в сильных ВЧ полях и/или электронным потоком. Десорбция вещества может быть вызвана развитием ВЭР и связанной с этим электронной бомбардировкой, “скин-десорбцией”, обусловленной протеканием больших скин-токов, а также бомбардировкой замедляющей системы потоком электронов из ореола основного пучка электронов. Формирование плотной плазмы у поверхности замедляющей системы, хотя и не влияет на длительность импульсов тока пучка, ограничивает длительность импульсов выходной СВЧ мощности.

13.3. Удержание электронных пучков с помощью меняющихся по периодическому закону неоднородных магнитных и электрических полей.

Описанные ранее компрессия и удержание электронных потоков в протяженных вдоль пучка и медленно меняющихся в этом направлении магнитных полях могут быть реализованы с помощью соленоидальных систем. Системы такого типа громоздки, требуют больших затрат электроэнергии и поэтому не всегда их применение оправдано. Вместо таких систем для удержания электронных потоков часто используются так называемые магнитно-периодические фокусирующие системы (МПФС), а также системы периодической электростатической фокусировки (ПЭФ).

МПФС.

В системах типа МПФС удержание электронного пучка осуществляется последовательностью расположенных один за другим и соосных магнитов, схематически изображенных на рис.13.8. Каждый магнит может быть образован, например, ферритовым кольцом с двумя полюсными наконечниками.

Рис.13.8.

Силовые линии магнитного поля в таком магнитике изображены на рисунке линиями со стрелкой. Соседние магниты ориентированы, как правило, таким образом, чтобы создавать на пути электронного пучка периодически меняющееся по амплитуде знакопеременное магнитное поле.

Электронный пучок при движении вдоль оси МПФС периодически сжимается под серединой каждого магнита в области максимального магнитного поля, а затем расширяется из-за действия полей пространственного заряда на участке между магнитами. Обычно используется большое количество N магнитов малого размера (N>>1).

Использование МПФС ведет к уменьшению веса и габаритов магнитной системы, необходимой для удержания электронного пучка, в N-N² раз по сравнению с соленоидальной. Недостаток такой системы удержания связан, в первую очередь, с тем, что распространяющийся в ней электронный пучок неустойчив.

Для хорошей фокусировки электронных пучков в МПФС необходимо создавать большие амплитуды магнитных полей для электронных потоков с большими токами. Одновременно при этом важно выдерживать определенное соотношение между амплитудой магнитного поля В, пространственным периодом L системы и ускоряющим электроны напряжением U. Из теории и опыта следует, что условием удовлетворительной фокусировки является выполнение неравенства

, (13.3)

С ростом величины  возрастают относительные пульсации в пучке, которые могут привести к нарушению его удержания. Оценки показывают, что в реализуемых на практике электронно-пучковых СВЧ приборах, например, в ЛБВ при  = 0,1 пульсации имеют величину около 2,5%, а при =0,5 достигают приблизительно 17%.

Недостатком МПФС является не только неустойчивость удерживаемых с их помощью электронных пучков. Значительные трудности в реализации МПФС связаны также с необходимостью качественной сборки системы большого количества малых магнитов, а также с большими температурными коэффициентами магнитных керамик (с большими изменениями создаваемых ими магнитных полей от температуры керамических колец).

ПЭФ.

Сечение типичной системы периодической электростатической фокусировки показано на рис.13.9. Эта система состоит из последовательности

Рис.13.9.

диафрагм под знакопеременными потенциалами. Между диафрагмами имеются неоднородные поля. Стрелками указаны направления сил электрического поля, действующих на электроны. Поля оказывают в среднем фокусирующее воздействие на поток электронов в районе диафрагм с отрицательным потенциалом, так как на участке фокусирующего поля электроны находятся в течение

большего времени, чем на участках расфокусирующего поля.

Таким образом, так же, как и в МПФС, при движении вдоль оси ПЭФ электронный поток периодически сжимается (в области отрицательных диафрагм), а затем расфокусируется (в районе диафрагм под положительным потенциалом). Указанные периодические пульсации электронного пучка снижают его устойчивость, как и в случае МПФС.

ПЭФ температуростойки, но требуют подачи на систему диафрагм достаточно больших напряжений, в особенности, в случае сильноточных и высоковольтных пучков. Необходимость использования дополнительных источников питания и неизбежные проблемы с обеспечением электрической прочности при использовании ПЭФ являются еще одним их недостатком.

9