63413 (Электронные пушки с большим пространственным зарядом), страница 2

Ток в электронном пучке определяется по формуле

. (5)

Первеанс

. (6)

Половинный угол сходимости

. (7)

Расфокусирующее действие анодного отверстия всегда уменьшает угол сходимости пучка за анодом по сравнению с углом сходимости внутри излучателя . Фокусное расстояние

, (8)

или в относительных единицах

, (9)

где ; ;

- радиус кривизны анода.

На рисунке 4 представлена зависимость позволяющая правильно определить место расположения минимального сечения луча, что важно для разработки конструкции анода пушки и выбора места расположения магнитной линзы. Соотношение между величинами углов сходимости пучка до диафрагмы и после нее выражается в следующем виде:

. (10)

Если катод обладает достаточной эмиссией и ток в пучке ограничивается пространственным зарядом, то фокусирующее действие линзы не зависит от приложенного напряжения. Таким образом, теоретически форма пучка не зависит от напряжения, ускоряющего электроны.

Рисунок 4 - Зависимость относительного фокусного расстояния анодной диафрагмы пушки от относительного радиуса кривизны анода .

Основные данные электронной пушки, расчет которой основывается на методике Пирса, можно определить и иным методом. В этом случае необходимо определить все исходные характеристики излучателя:

1. Отношение тока к напряжению луча; углы сходимости пучка как внутри пространства анод – катод , так и за анодом ;

2. Плотность тока катода;

3. Размеры пучка и плотность тока в нем при прохождении анодной диафрагмы.

Соотношения между током и напряжением и геометрией пучка приведены на диаграмме, изображенной на рис. 5. Характеристики излучателей зависят от их относительных размеров. Поэтому в процессе расчета можно избрать любой удобный масштаб. Абсолютные размеры определяются из условий допустимой плотности тока эмиссии катода. Рис.5 представляет собой универсальную диаграмму, позволяющую определить соотношения между величинами ; ; ; и параметрами . Каждая точка на графике соответствует некоторому частному решению конструкции излучателя.

Рисунок 5 - Диаграмма для выбора размеров излучателя Пирса.

Если заданы две величины, обычно это и , то по диаграмме определяются остальные величины. Сама форма электродов, как обычно, определяется численно или при помощи электролитической ванны. В связи со стремлением в электронно-термических установках к увеличению плотности тока в пучке интересно проследить за ограничениями первеанса, создаваемыми излучателями такой конструкции. Системы с высоким первеансом находятся в правой части диаграммы на рис.5. При движении направо вдоль линии отношение уменьшается. Таким образом, при данном сферическом радиусе катода ускоряющий электрод должен быть размещен, возможно ближе к катоду. Рассеивающее действие анодной диафрагмы усиливается с приближением ее к катоду. Следовательно, для получения одного и того же угла сходимости луча на выходе из излучателя формирование пучка должно происходить при большем угле . Когда отношение расстояния катод – диафрагма к диаметру последней становится столь малым, что диафрагма начинает искажать поле у самой поверхности катода, плотность тока эмиссии в середине катода становится ниже, чем у краев. Поэтому плотность тока в пучке становится неоднородной по сечению и ток в пучке меньше, чем это можно ожидать из диаграммы на рис.5. Предельным отношением обычно считается 0,7. На величину и знак угла большое влияние оказывает и объемный заряд в пучке, так как пeрвеанс пучка является функцией как , так и отношения .

Зависимости угла от угла для различных отношений радиусов кривизны анода и катода приведены на рис.6. После выхода луча через анодную диафрагму в рабочую камеру, где электрического поля нет, он под влиянием объемного заряда начинает расходиться, хотя его минимальное сечение и находится в пространстве за анодом. Величина радиуса минимального сечения пучка и расстояние этого сечения от плоскости анодной диафрагмы зависят от радиуса пучка при прохождении анодной диафрагмы , первеанса и угла сходимости . Для электронных пушек с величины и являются функциями только отношения . Графики, позволяющие определить эти параметры, приведены на рис.7.

Рисунок 6 - Зависимость угла сходимости пучка после излучателя от угла сходимости внутри излучателя.

Описанный принцип построения электронных пушек позволяет построить системы с отношением площади поперечного сечения пучка к площади катода до 1 : 40. Катодный электрод находится под потенциалом катода, поэтому не требуется подачи дополнительных напряжений смещения, что значительно упрощает схему питания установки. Излучатели, построенные по такому принципу, получили широкое распространение в электроннолучевых установках в основном для плавки и сварки металлов. В расчете систем, приведенном выше, не учитывается наличие отверстия в аноде и его расфокусирующее действие на пучок, поэтому для реальных систем он дает приближенные результаты. Следовательно, вышеприведенный расчет дает практически верные результаты для пучков с первеансом , так как он справедлив для случая малых отверстий и параксиальных траекторий электронов. При больших проводимостях пушек необходимо производить компенсацию влияния анодного отверстия на фокусировку пучка.

Рисунок 7 - Зависимость параметров, определящих минимальное сечение пучка ( и ), от конструктивных параметров пушки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов /О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др.; Под ред. О.В.Алексеева. – М.: Высш. шк., 2000. – 479 с.

2. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П. Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. – Мн.: Выш. шк., 2002

3. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Радио, 2000.