Лекция 9. Электронно-оптические системы, страница 2

Ориентировочное значение оптимальногофокусирующего магнитного поля может быть определено из выражения:оптгде – величина тока пучка,электронного пучка.=21,45 ∙ 10 ∙ /п ∙ (,– ускоряющее напряжение, /п – радиусРассматривая поведение электронного потока в постоянном однородноммагнитном поле можно заключить, что в однородном магнитном поле можетсуществовать некий равновесный радиус пучка – 01 .

Равновесный радиуссоответствует такому соотношению сил, действующих на электроны пучка,при выполнении которого внешний радиус пучка остается величинойпостоянной. Поскольку поведение электронного потока, фокусируемогопродольным магнитным полем, в общем случае определяется тремявеличина, а именно: током пучка , ускоряющим напряжениемииндукцией магнитного поля , то минимальный равновесный радиус потока(бриллюэновский радиус) равен/б = 6,9 ∙ 105(Также это соотношение Бриллюэна можно использовать для вычисленияминимально возможного магнитного поля, необходимого для фокусировкипучка радиуса 6 с током и напряжением (бриллюэновского поля Б )Физический смысл соотношения Бриллюэна заключается в том, что в потокеБриллюэна сила Лоренца, обусловленная азимутальным движениемэлектронов – 89: ;, компенсирует две силы – расталкивающую силупространственного заряда и центробежную силу при вращательномдвижении.Фокусировка электронного пучка постоянным продольным магнитнымполем в приборах СВЧ осуществляется применением соленоидовпостоянного тока или системой постоянных магнитов (рис.9.5).Рис.9.5.

Схема фокусирующей системы ЛБВ, создающих однородноемагнитное поле с помощью соленоидовОднако этот метод фокусировки имеет существенные недостатки:фокусирующая система получается громоздкой и тяжелой, а прииспользовании соленоида еще требуется значительная мощность для егопитания. Это ограничивает использование такого метода фокусировки вприборах, особенно предназначенных для бортовой аппаратуры.В результате, наиболее широкое применение нашли пакетированныеприборы СВЧ с магнитной периодической фокусировкой.2.

Фокусировка электронных пучков периодическим магнитнымполемПостоянные магниты и соленоиды, применяемые для создания однородногофокусирующего магнитного поля, при большой длине пучка обладаютбольшим весом, а соленоид, кроме того, потребляет значительнуюэлектрическую мощность. Поэтому широкое распространение получилизначительно более легкие и компактные фокусирующие системы, создающиепериодическое в пространстве фокусирующее магнитное поле. По существуэти системы представляют собой последовательность сильных собирающихлинз, параметры которых подобраны так, что силы пространственного зарядав среднем могут быть скомпенсированы силами внешнего периодическогомагнитного поля.На рис 9.6 приведена периодическая магнитная система (МПФС), состоящаяиз магнитных колец, которые намагничены вдоль оси и направленыодноименными полюсами друг к другу, а также металлических полюсныхнаконечников с высокой магнитной проницаемостью, расположенных междуними.Рис.9.6.

Магнитная периодическая фокусирующая система, собранная наоснове магнитных колец, и конфигурация электронного пучка (1) в ней.1 – Электронный поток, 2,4 – Полюсные наконечники, 3 – Магнитное кольцоМПФС собирают так, что смежные ячейки имеют противоположноенаправление поля в зазоре полюсных наконечников. При этом образуетсязнакопеременное периодическое магнитное поле.

Распределение продольнойсоставляющей индукции магнитного поля такой системы вдоль оси ,представленное на рис.9.5, имеет синусоидальный характер.Рис.9.5. Распределение продольной составляющей магнитной индукции поля,создаваемого МПФС, вдоль оси ЛБВ УВ-523В области, занимаемой электронным пучком, индукция магнитного поляизменяется как по длине, так и по радиусу.Процесс фокусировки пучка периодическим магнитным полем основан навзаимодействии электронов пучка с радиальной ) и аксиальной <составляющими магнитного поля (рис.9.6 – 9.7).

Рассмотрим действие поляна один из электронов, которой входит в область фокусирующей системыпараллельно ее оси.Рис.9.6. Взаимодействие электрона с аксиальной и радиальнойсоставляющими магнитного поля в магнитной линзеЭлектрон, подходя к зазору между полюсами, будет пересекать радиальнуюсоставляющую магнитного поля, направленную к оси, в результате чего нанего будет действовать сила = , которая сообщает электрону вращающиймомент вокруг оси .

При своем вращении электрон пересечет продольнуюсоставляющую магнитного поля, что вызовет появление силы ) ,направленной к оси, и, следовательно, отклонение электрона к оси.Рис.9.7. Взаимодействие электронов, подходящих к зазору между полюсами,с радиальной составляющей магнитного поля Н (а) и взаимодействиевращающегося электрона с аксиальной составляющей магнитного поля (б)При прохождении электрона через границу магнитных полей соседнихколец радиальная составляющая магнитного поля меняет свое направление, ив результате электрон получает противоположный вращательный момент. Нопоскольку продольная составляющая поля также меняет свое направление напротивоположное, то радиальная фокусирующая сила = вдоль всей системыостается направленной к продольной оси , испытывая лишь некотороепериодическое изменение по амплитуде.

В результате чего граница пучканосит пульсирующий характер.Из приведенных рассуждений следует, что каждое магнитное кольцоявляется для электронного пучка собирающей магнитной линзой. Причемпучок оказывается наиболее сфокусированным между соседнимимагнитными кольцами.Минимальный средний радиус пучка током при напряжении относительнокатодав периодическом магнитном поле с амплитудой магнитнойиндукцииопределяется формулой:6> = 6,9 ∙ 105(?√2@На рис.9.8. приведен расчетный контур электронного пучка в магнитномпериодическом поле.Рис. 9.8. Контур электронного пучка сфокусированного с помощью МПФСМагнитные периодические фокусирующие системы, собранные накольцевых магнитах, имеют ряд серьезных преимуществ и недостатков передфокусировкой постоянным продольным магнитным полем, К преимуществамв первую очередь следует отнести меньшие массогабаритные характеристикисистемы для обеспечения фокусировки электронного пучка с одинаковымипараметрами, а к недостаткам – более жесткие требования по подгонкепараметров магнитных колец с тем, чтобы они образовывали строгосимметричную относительно оси совокупность собирающих линз содинаковым фокусирующим действием.Качество фокусировки электронного пучка с помощью МПФС в большоймере зависит от магнитных свойств материала колец, т.к.

после сборкисистемы каждое кольцо в ней подвергается размагничивающему действию состороны магнитных полей соседних магнитов. Поэтому одними из основныхтребований к материалу колец являются большая величина коэрцитивнойсилы, а также большая остаточная магнитная индукция, которая не должназависеть от температуры.Кроме того, заметная волнистость электронного пучка в периодическоммагнитном поле отрицательно влияет на высокочастотные параметрыэлектровакуумного СВЧ прибора.Преимущество МПФС перед системами, создающими однородноемагнитное поле: компактность, меньший вес, отсутствие необходимостиэнергопотребления.Недостатки МПФС: более сложная настройка систем, невозможностьсоздания очень больших полей для фокусировки электронных потоков сбольшим > 2 первеансом, невозможность использования в многолучевыхприборах..