Магнетронно-инжекторные пушки.

Магнетронно-инжекторные пушки используются, например, в устройствах гиротронного типа. Приведем на рис.12.3 пушечную часть такого прибора. Как мы помним, магнитное поле в гиротроне увеличивается

Рис.12.3.

от некоторой величины Вк у катода в сторону резонатора. В зазоре между катодом и анодом магнитное поле превышает критическую величину для этого зазора. Поэтому электроны, двигаясь по петлевым траекториям, сносятся от катода вдоль оси, не касаясь анода. Далее электроны могут быть дополнительно ускорены, если на электрод с резонатором подано более высокое, чем на анод, напряжение. Мы

рассмотрим здесь для простоты однопотенциальную систему, в которой анод и электрод с резонатором имеют одинаковый потенциал.

Как следует из теоремы Буша, в нарастающем магнитном поле увеличивается поперечная составляющая скорости электронов. При этом, так как полная энергия электронов не меняется, одновременно с ростом поперечной уменьшается продольная составляющая скорости.

Система формирования электронного пучка в магнетронно-инжекторной пушке отличается тем, что в ней происходят очень медленные и плавные (адиабатические) изменения магнитного поля на пути электронов. В таких условиях может быть использована так называемая дрейфовая теория. По дрейфовой теории движение электронов может быть описано как движение с дрейфовой скоростью V_д некоторого ведущего центра, относительно которого происходит вращение электронов с поперечной скоростью V_ (осцилляторной скоростью). При этом полная скорость электронов определяется векторной суммой

. (12.14)

Изменение поперечной скорости определяется адиабатическим инвариантом

. (12.15)

Величина I_ постоянна вдоль траектории электрона.

Дрейфовая скорость у катода определяется выражением:

, (12.16)

т.е. дрейфовая скорость равна по абсолютной величине отношению электрического и магнитного полей у катода () и направлена перпендикулярна этим полям.

Перпендикулярная к силовой линии магнитного поля составляющая скорости электронов у катода определяется соотношением

, (12.17)

где Е_к - перпендикулярная магнитному полю компонента электрического поля у катода, а V_o - модуль перпендикулярной электрическому и магнитному полям составляющей начальной скорости электронов, эмитированных с катода, у поверхности катода.

На рис.12.4 поясняется направление составляющих электрического и магнитного полей при вылете электрона с катода. После выхода с эмиттера

Рис.12.4.

электроны сначала движутся по траектории, близкой к циклоидальной. Одновременно под действием продольной компоненты электрического поля Е, параллельной магнитному полю, они смещаются в сторону анода, дрейфуя в плавно увеличивающемся магнитном поле. Зная величину поперечной составляющей скорости электронов у катода и выражение (12.15), можно определить значение поперечной составляющей скорости электронов на полке магнитного поля

. (12.18)

Далее, учитывая сохранение полной энергии электронов вдоль траектории по выходе с участка их ускорения, можно определить и продольную составляющую скорости электронов на полке магнитного поля

. (12.19)

В соотношении (12.18) - коэффициент перемагничивания, где В_п - магнитное поле на полке,  - угол наклона магнитной силовой линии к поверхности эмиттера, U_o - потенциал анода.

В квазиплоской конструкции и в параксиальном приближении радиус электронного пучка на полке связан с радиусом пучка у катода соотношением

. (12.20)

Из выражения (12.18) ясно, что для получения достаточно большого значения поперечной составляющей скорости электронов на полке магнитного поля (это необходимо для эффективной работы гиротронов) принципиально важно, чтобы электрическое поле у катода Е_к не было равно нулю, т.е. чтобы катод работал в режиме температурного (эмиссионного) ограничения.

Мы определили все основные характеристики электронного потока, сформированного магнетронно-инжекторной пушкой. Но часто в качестве характеристики винтового электронного пучка используют понятие питч-фактора

. (12.21)

Поэтому приведем и его значение, полученное в рамках адиабатической теории

. (12.22)

Зная питч-фактор, по величине полной скорости (или полного ускоряющего напряжения) можно определить продольную составляющую скорости

. (12.23)

Гиротроны обычно работают при значениях питч-фактора 1,2-1,4, т.е. в условиях, когда поперечная скорость электронов в резонаторе превышает продольную.

Завершая рассказ о магнетронно-инжекторных пушках и системах формирования винтовых электронных пучков, коротко остановимся еще на двух вопросах.

В проведенном рассмотрении мы предполагали, что ускорение электронов происходит под действием напряжения, приложенного между катодом и анодом. На самом деле иногда электроны доускоряют напряжением, приложенным в зазоре между анодом и электродом с резонатором. При этом удается понизить анодное напряжение. Такое двухступенчатое ускорение бывает полезно, в особенности, в высоковольтных гиротронах, так как позволяет снизить требования по электрической прочности к зазору катод - анод.

Второй вопрос, который заслуживает особого внимания в связи с рассмотрением магнетронно-инжекторных пушек, - колебания пространственного заряда, развивающиеся в них, и обусловленные этими колебаниями паразитные явления.

Эмитированные с катода электроны на своем пути к резонатору должны пройти через область “магнитной пробки”. Коэффициент перемагничивания  в современных гиротронах достигает значений 20-25. Именно поэтому при подлете к резонатору электроны приобретают большую по величине поперечную скорость за счет уменьшения продольной ее составляющей. Электроны в пучке имеют довольно большой разброс по скоростям. Поэтому часть из них, у которых продольная составляющая скорости в районе пробки обращается в нуль, отражается от пробки в сторону катода. Часть этих электронов затем переотражается электрическим полем у катода в обратную сторону. Такие электроны могут затем переотразиться электрическим полем у катода в обратную сторону. В таком случае они на длительное время задерживаются в своеобразной электромагнитной ловушке между катодом и магнитной пробкой. Понятно, что переотразиться от катода могут электроны, потерявшие при своем движении хотя бы малую часть своей энергии, например, из-за столкновения с частицами остаточного газа или под действием переменных полей пространственного заряда. Даже если поток электронов в ловушку очень мал (много меньше тока в пучке), постепенно в ловушке накапливается большой по плотности пространственный заряд “задержанных” электронов. Как показывают эксперимент и численные расчеты, в пространственном заряде этих долгоживущих электронов раскачиваются коллективные аксиальные колебания, связанные с движением электронных сгустков между катодом и магнитной пробкой. Частота этих колебаний мала по сравнению с частотой генерации гиротрона и близка по величине к частоте колебаний одиночного электрона в ловушке между катодом и пробкой магнитного поля. Эта частота обычно не превосходит по порядку величины 100-200 МГц. Тем не менее, эти колебания оказывают существенное и вредное влияние на работу гиротронов. Прежде всего, они дополнительно увеличивают разброс электронов по скоростям и снижают поэтому эффективность гиротронов. Кроме того, эти колебания приводят к интенсивной обратной бомбардировке катода магнетронно-инжекторной пушки и вызывают появление вторичной эмиссии с ее поверхности. Вторичная эмиссия, в свою очередь ведет к еще большему разбросу электронов по скоростям. К тому же, обратная электронная бомбардировка может вызывать перекал катода и его дезактивировку.

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