Лекция 9. Электронно-оптические системы

Лекция 9. Электронно-оптические системы.На прошлых лекциях, рассматривая физические процессы, происходящие вэлектровакуумных приборах СВЧ, мы часто упоминали электронные потоки,которые проходят через отверстия резонаторов или внутри замедляющейсистемы. Под электронным потоком или электронным пучком понимаютсовокупность электронов с почти параллельными траекториями,занимающих некоторую протяженную область.Электронные потоки, использующиеся в приборах СВЧ, бываютцилиндрические, трубчатые и ленточные.В этой лекции мы рассмотрим вопросы, связанные с созданием такихпотоков в приборах.

Большинство приборов СВЧ, такие как пролетные иотражательные клистроны, лампы бегущей и обратной волны, относятся кклассу электронно-лучевых, в которых электронный поток можетрассматриваться как электронный луч определенного сечения. Для созданиятакого потока (пучка) и обеспечения его прохождения в приборепредназначена электронно-оптическая система, состоящая из электроннойпушки и фокусирующей системы, типичная схема которой приведена нарис.9.1.Рис.9.1.

Схема типичной системы формирования электронного потокаI – область пушки; II – переходная область; III – область регулярной частосистемы формирования; IV – область коллектораСистемой формирования электронного потока называется совокупностьэлектрических и магнитных полей, а также образующих их электродов имагнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужнойконфигурации. Типичная система формирования с электронно-оптическойточки зрения может быть условно подразделена на следующие четыреобласти:Область пушки, в которой происходит начальное формирование потока.Здесь имеется источник электронов – катод, фокусирующий электрод и анод.Потенциал фокусирующего электрода обычно равен потенциалу катода илиблизок к нему.

Между катодом и анодом приложено ускоряющеенапряжение. На электроны в этой области действуют в основномэлектростатические поля, созданные указанными электродами исобственным пространственным зарядом потока.Переходная область – область между пушкой и регулярной частьюфокусирующей системы. Здесь сила электростатического поля, созданногоэлектродами, резко уменьшается, продолжают действовать силыпространственного заряда, стремящиеся расширить поток, и начинаютдействовать фокусирующие силы магнитного поля, которые в конце этойобласти достигают максимальной величины.Область регулярной части фокусирующей системы, в которой потокпроходит в продольном однородном или периодическом магнитном поле, игде происходит компенсация действующих на электроны силпространственного заряда фокусирующими силами.Область коллектора, где «отработанные» электроны воспринимаютсяспециальной металлической поверхностью, заканчивая свое движение всистеме.а.

Электронные пушкиОсновная задача электронной пушки приборов СВЧ заключается вформировании интенсивного электронного потока определеннойконфигурации с заданными значениями тока, скорости и размеров, а также,по возможности, с ламинарным движением электронов.В клистронах и лампах бегущей волны с целью получения большойвысокочастотной мощности очень часто используют цилиндрическиеэлектронные потоки с плотностью тока, значительно превышающейдопустимую плотность эмиссии тока катода.

Получить такие потоки можнопри помощи специальной пушки Пирса, формирующей сходящийся(конический) электронный поток с параллельными траекториями на выходе.Пример такой пушки, используемой в ЛБВ, приведен на рис. 9.2, 9.3. Ееконструкция состоит из эквипотенциального термокатода со сферическойэмитирующей поверхностью, фокусирующего электрода и анода сцентральным отверстием. Обычно фокусирующий электрод имеетпотенциал, одинаковый с катодом, и располагается так, что его поверхностьявляется как бы продолжением катода.Путем соответствующего выбора формы электродов в пушке создается такаяконфигурация электростатического поля, что электроны, эмитируемые совсей поверхности по нормали, собираются в узкий электронный поток,проходящий сквозь отверстие анода, создавая за ним сплошнойинтенсивный аксиально-симметричный поток.Рис.9.2.

Система электродов электронной пушки и потенциали создаваемогоэлектростатического поля9.3. Расчетная модель сходящегося цилиндрического электронного пучка,формируемого в области электронной пушкиСтепень фокусирования или сходимости электронов характеризуетсякоэффициентом компрессии. Различают коэффициент компрессии поплотности , равный отношению плотности тока в электронном потоке кплотности тока, снимаемого с катода, и коэффициент компрессии поплощади , определяемый отношением площади катода к площади сеченияэлектронного потока.По мере увеличения коэффициента компрессии в потоке возрастаютэлектростатические силы поперечного расталкивания, препятствующиепоперечному схождению электронов. Следовательно, величинакоэффициента компрессии пушки будет зависеть от величины объемногозаряда в формируемом потоке, которая определяется его первеансом, т.е.отношением тока к напряжению в степени 3/2=/Электронные пушки, применяемые в приборах СВЧ О-типа, в зависимости оттребований, предъявляемых к электронному пучку, имеют первеанс впределах 0,1 − 2 ∙ 10 А/В / и коэффициент компрессии не более 100.К электронным пушкам, предназначенным для создания электронных пучковдля приборов, работающих в коротковолновой части сантиметровогодиапазона или в миллиметровом диапазоне, предъявляются более жесткиетребования, нежели к пушкам, используемых в более длинноволновыхприборах СВЧ.

Естественно, что при увеличении первеанса и коэффициентакомпрессии электронного пучка трудности получения ламинарного потока,выходящего за пределы анода, сильно возрастают. Поэтому при выбореосновных размеров и параметров пушек при проектировании приборовстараются, чтобы первеанс электронного пучка не превышал0,5 − 1,0 ∙ 10 А/В / , а компрессия по площади – 60.В настоящее время при проектировании электронных пушек широкоиспользуют компьютерные программы численного моделирования,предназначенные для решения задач электронной оптики.

На рис. приведенырезультаты расчета электронных траекторий в пучке, создаваемогоэлектронной пушкой ЛБВ.б. Системы фокусировки электронных пучковВо всех электронно-лучевых приборах, в которых требуется транспортировкаинтенсивного электронного пучка сравнительно малого диаметра нанекоторое расстояние, определяемое длиной пространства дрейфа впролетном клистроне либо длиной замедляющей системы для ламп бегущейили обратной волны, необходимо обеспечить его надежную фокусировку.На электроны в пучке, как на одноименные электрические заряды, действуюткулоновские силы расталкивания. Под влиянием этих сил электронныйпучок, выходя из области электронной пушки, начинает дефокусироваться истремиться осесть на ближайшие электроды, например, такие какзамедляющая система в ЛБВ.

Таким образом, задачей фокусирующейсистемы должно являться сформирование плотного электронного пучкатребуемых размеров, необходимой протяженности и заданной величинытока. Очевидно, это может быть достигнуто полным уравновешиванием всехсил, дефокусирующие электроны в пучке.Наиболее простым и надежным методом фокусировки интенсивныхэлектронных пучков в приборах СВЧ О-типа является использованиепродольного магнитного поля постоянного или переменного.1. Фокусировка электронных пучков продольным постоянныммагнитным полемРассмотрим поведение электрона в однородном магнитном поле, оськоторого совпадает с осью электронного пучка и направлена вдолькоординаты (рис.9.4).Рис.9.4.Если электрон под действием каких-либо сил получил составляющуюскорости , то на него будет действовать сила Лоренца величиной=в результате которой электрон начнет совершать вращательное движение с"угловой частотой вращения ! =, называемой циклотронной#радиальной частотой и радиусом, зависящим от разности потенциаловэлектрического поля, имеющегося в направлении $ :% = 3,77 ∙ 10(Из формулы видно, что радиус вращения электрона вокруг оси, вдолькоторой он движется и направлено магнитное поле, будет уменьшаться приувеличении .Сравнивая движение электрона в магнитном поле с условиями движенияэлектронного пучка, видно, что при возникновении в пучкерасфокусирующей силы ) , обусловленной, например, кулоновскимрасталкиванием и, соответственно, появлением скорости ) , видим, что онавызовет закручивание электронов вокруг оси поля с циклотроннойрадиальной частотой ! , не позволяя им выходить из пучка.

Учитываяпродольную скорость пучка , можно сделать вывод, что сфокусированныеэлектроны в пучке будут двигаться в постоянном магнитном поле поспиральным траекториям.Для наружных электронов пучка такой характер движения приводит к тому,что они имеют скорости примерно в √2 раз больше, чем скорость внутреннихэлектронов. Спирально закрученный внешний слой образует как быэлектронную оболочку, непроницаемую для других внутренних электроновпучка. Чем больше , тем больше ! , тем плотнее внешняя электроннаяоболочка и, следовательно, лучше фокусировка. Однако при чрезмернобольших магнитных полях может так уменьшиться радиус электронногопучка, что приведет к ослаблению влияния на него, например,высокочастотного поля замедляющей системы, что, соответственно, снизитэффективность взаимодействия.