UHF_LEC / UHF_L14

Лекция 14. СВЧ

Ионы и ионные процессы в вакуумных СВЧ устройствах.

Образование ионов в вакуумных СВЧ устройствах происходит, прежде всего, из-за ионизации электронным ударом остаточного газа. В условиях, когда энергия электронов, производящих ионизацию, достаточно велика (уже начиная с энергий 100 эВ) в результате ионизации остаточного газа образуются, в основном, положительные однозарядные ионы. Поэтому только о таких ионах мы будем говорить, рассматривая процессы в высоковольтных СВЧ устройствах.

Наряду с этим, в сильноточных электронных системах эмиссия ионов может происходить с поверхности коллекторной плазмы.

Принципиально, возможна также ионная эмиссия с поверхности любых нагретых электродов. Однако, вклад последнего из указанных источников в накопление ионов, как правило, пренебрежимо мал. Существует также возможность попадания ионов в электронный поток и в результате полевого их испарения с поверхности ограничивающих поток электродов. Испарение может происходить под действием полей любого знака. Однако это явление имеет место только при чрезвычайно больших полях > (1-2)10⁸ В/см. Поля такого порядка могут существовать у катода при взрывной эмиссии. Но рождающиеся у катода положительные ионы не могут уйти с катода. Отрицательных же ионов здесь образуется очень мало. У поверхностей канала транспортировки электронного пучка и у коллектора столь больших полей практически никогда не бывает.

Здесь мы проанализируем процессы, связанные с формированием ионов только в результате ионизации остаточного газа.

В СВЧ приборах, работающих в условиях технического вакуума 10^-6-10^-8 Торр, концентрация ионов, сравнимая с концентрацией электронов, может быть достигнута только в результате длительного их накопления. По этой причине в любых устройствах, где существуют достаточно сильные электрические поля, уводящие ионы из пространства взаимодействия, роль ионов может быть несущественна. Такова ситуация, например, в устройствах со скрещенными полями магнетронного типа, где ионы под действием электрического поля отводятся на катод.

Иначе обстоит дело в электронно-пучковых системах, где в длинном проводящем канале транспортировки электрические поля, определяемые полем пространственного заряда электронов, удерживают ионы. Там накопление ионов вполне возможно.

Рис.14.1.

Вероятность образования ионов, обычно, характеризуют сечением ионизации и. Величина сечения ионизации зависит от размеров ионизуемого атома (или молекулы), а также от энергии ионизующих электронов. Темп накопления ионов в электронно-пучковых системах определяется сечением ионизации

остаточного газа, с одной стороны, и потерями ионов через торцевые участки канала транспортировки, с другой.

Типичная зависимость _и от энергии электронов W_э показана на рис.14.1. Максимальное значение сечения ионизации достигается, обычно, при энергиях электронов около 100 эВ.

Сечение ионизации определяет длину свободного пробега _и электронов между ионизующими столкновениями с частицами остаточного газа:

(14.1)

Здесь n_г - концентрация частиц газа.

Если известен объем V, в котором происходит ионизация, а также скорость v и концентрация электронов n, производящих ионизацию, можно определить ток ионов из этого объема

, (14.2)

т.е. количество ионов, создаваемых электронами, пропорционально концентрации n_г (а значит и давлению) газа данного сорта, а также потоку n v электронов, производящих ионизацию.

Выражение (14.2) записано для случая моноскоростного электронного потока. Если существует разброс электронов по скоростям, необходимо, учитывая функцию распределения электронов по скоростям, проинтегрировать по всем возможным скоростям.

В принципе, в ионизации могут участвовать не только первичные электроны пучка, но и вторичные электроны, образовавшиеся в результате ионизации частиц остаточного газа. В начальный момент их энергия очень мала, но эти электроны могут приобрести дополнительную энергию под действием поля пространственного заряда или во внешнем электрическом поле.

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

Иногда ионизационные процессы характеризуют количеством ионов, которые производит электрон на своем пути. Так , например, электрон с энергией 10⁴ эВ, двигаясь в воздухе, на пути в 1 см создает 1 ион при температуре Т=300 К и давлении 1 Торр. Это означает, что на этом пути при давлении 10^-8 Торр на 10⁸ электронов приходится в среднем образование 1-го иона.

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

Если электронно-пучковый прибор функционирует достаточно долгое время, из-за накопления ионов происходит компенсация пространственного заряда электронов ионами. Учитывая падение величины сечения ионизации с ростом энергии электронов (в области энергий свыше приблизительно 100 эВ), темп накопления ионов тем медленнее, чем больше энергия электронов. Поэтому, например, в системе формирования пучка электронов с энергиями 100 кэВ полная компенсация наступает через довольно большой интервал

времени 10 мкс. При меньших энергиях электронов компенсация наступает быстрее.

Влияние накапливающихся ионов на работу электронно-пучковых приборов может быть очень велико. Укажем основные механизмы воздействия ионов на работу приборов.

Прежде всего, пространственный заряд ионов влияет на распределение электрических полей, управляющих движением электронов. Поэтому изменение концентрации ионов ведет к изменению параметров электронного потока.

Распределение ионов по сечению потоков на стадии их накопления может быть существенно неоднородно и к тому же меняться во времени. В отсутствие других полей движение ионов в сечении электронного пучка определяется действием удерживающего пучок магнитного поля и перпендикулярного ему электрического поля пространственного заряда. В таких полях электроны движутся по петлевым траекториям. Типичные траектории ионов, возникших на внешней границе электронного пучка, показаны на рис.14.2. Стрелки указывают направление их движения. На положительно заряженные ионы со стороны пространственного заряда электронного пучка действует сила, направленная к оси пучка. мАгнитное поле, удерживающее пучок, поворачивает ион. В результате, как в магнетроне электроны, ионы в пучке движутся по петлевым траекториям. Если ионы в своем движении хотя бы изредка сталкиваются с нейтральными частицами, они постепенно “скатываются” к центру пучка в область минимума потенциала. Механизм перемещения к центру подобен механизму движения электронов в спицах магнетронных приборов и связан с тем, что ионы, потерявшие некоторую часть энергии в результате столкновения, останавливаются, не

Рис.14.2.

долетев до окружности с потенциалом, равным потенциалу точки вылета, т.е. ионы начинают следующее свое петлевое движение с окружности с меньшим радиусом.

Накопление ионов ведет к развитию ряда специфических неустойчивостей пространственного заряда. Один из примеров неустойчивости, развитие которой связано с существованием ионного фона, - шланговая неустойчивость. В некоторых случаях ионизация остаточных газов и паров влияет на развитие и чисто электронных типов неустойчивостей. Так, например, ионизация остаточного газа в электро-магнитной ловушке гиротрона ускоряет накопление электронного пространственного заряда в этой области гиротрона и ускоряет рост амплитуды паразитных ловушечных колебаний.

Ионы, возникшие в канале транспортировки электронного пучка, осуществляют бомбардировку катода электронной пушки и могут привести к его дезактивировке.

Учитывая закономерности накопления ионов и указанные их воздействия на работу приборов, можно сказать, что влияние ионов на работу приборов тем меньше, чем более высоковольтным и более короткоимпульсным является данный электронный прибор. По этой причине релятивистские короткоимпульсные электронные приборы удовлетворительно работают при давлениях 10^-5-10^-6 торр, если только в них используются стойкие к газовой среде и к ионной бомбардировке взрыво-эмиссионные катоды.

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

В приборах с эффективными термокатодами давление остаточного газа не должно превышать ориентировочно 10^-7 торр, поскольку при больших давлениях происходит отравление катодов.

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

С другой стороны, следует учитывать, что в высоковольтных электронных приборах в результате интенсивной бомбардировки электродов потоками заряженных частиц происходит десорбция и испарение вещества с электродов. Поэтому распределение концентрации нейтральных частиц может быть существенно неоднородно. Концентрация нейтральных частиц бывает на порядки выше у поверхности бомбардируемых электродов. Это приводит к тому, что даже при исходно малом давлении остаточного газа роль ионизационных процессов в таких приборах может быть существенна.

4