Каковы свойства электронных пучков. Электронно-лучевая трубка

Основным средством вакуумной электроники СВЧ, служащим для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ колебаний, являются электронные пучки – протяженные электронные потоки, ограниченные в поперечном сечении.

Электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических устройств – так называемых электронных пушек, выбрасывающих ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны оси пушки.

Рассмотрим такие основные характеристики электронных пучков, как мощность, первеанс и интенсивность электронного потока, а также взаимозависимость между конфигурацией электронного потока и ЗС прибора.

Мощность пучка (произведение переносимого им тока I на напряжениеU , которым были ускорены электроны) определяет мощность прибора СВЧ:P =U  I .

Важной характеристикой электронного потока является первеанс, определяемый как  . Первеанс является мерой интенсивности потока. В приборах СВЧ, как правило, применяются интенсивные электронные потоки, в которых сила взаимного расталкивания электронов существенно влияет на движение электронов, так что их действием пренебрегать нельзя. Интенсивными, как показывают расчеты, следует считать потоки, у которых первеанс принимает значения, большие 10 -8 –10 -7 A/В 3/2 . Ввиду малости численного значения первеанса часто пользуются более удобной величиной – микропервеансом m , определяемым равенством

 =  m  10 -6 . (1.34)

Мощность электронного потока через первеанс можно выразить формулой

P =U  I =U 5/2 .

Как видно из формулы, при неизменном первеансе мощность очень быстро растет по мере роста U (так, при увеличении напряжения на порядок мощность возрастает более чем в 300 раз).

Однако во всех приборах мощность выгоднее увеличивать не столько за счет роста напряжения, сколько за счет роста тока пучка, так как чем больше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изоляторов в приборе и тем сложнее источники питания и, как следствие, громоздкость и сложность высоковольтного оборудования. Снижение рабочего напряжения при заданной мощности пучка не только уменьшает сложность аппаратуры, но и приводит к уменьшению габаритов прибора за счет сокращения длины активных участков электродинамической системы (ЭДС). В ЛБВ с возрастанием первеанса может увеличиваться коэффициент усиления и КПД.

Для того чтобы сформированный пучок можно было успешно использовать в электронных приборах СВЧ, необходимо, сохраняя хорошую форму, провести его через все пространство взаимодействия с высокочастотными полями. Поскольку в сильноточных электронных пучках действуют значительные кулоновские силы взаимного отталкивания зарядов, приводящие к «разбуханию» пучков, эта задача оказывается зачастую не менее сложной, чем формирование самого пучка.

Для борьбы с «разбуханием» пучков чаще всего применяют постоянное магнитное поле, параллельное оси пучка. Из-за относительно большой длины приборов достаточно сильное магнитное поле требуется создать на большом участке. Поэтому масса магнитной фокусирующей системы (МФС) получается весьма большой. Меньшие затраты на мощность и массу магнитных систем реализуются при использовании периодической магнитной фокусировки, при которой электронный пучок пропускается вдоль знакопеременного магнитного поля. Подобную систему собирают из отдельных коротких магнитных колец, разделенных втулками из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Аналогичного результата добиваются и с помощью периодической электростатической фокусировки, которая осуществляется рядом периодически расположенных электростатических линз. Такая система обладает еще меньшей массой и потребляемой мощностью.

Помимо магнитного удержания существует еще один способ борьбы с «разбуханием» пучков, заключающийся в том, что в объем электронного пучка вводится некоторое количество положительно заряженных ионов, которые своим пространственным зарядом компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов. В простейшем случае ионы можно создать, оставив в объеме прибора некоторое количество «неоткачанного» газа. Электроны пучка на своем пути будут ионизировать молекулы этого газа. Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны выбрасываются за пределы пучка кулоновскими силами, тогда как положительные ионы будут удерживаться этими силами в его объеме. В результате даже при очень малых давлениях остаточного газа может образоваться такое количество положительных ионов, что их концентрация сравнивается с концентрацией электронов в пучке. На этом накопление ионов прекратится и установится стационарное состояние, при котором в объеме пучка образуется квазинейтральная среда, напоминающая плазму. Пространственный заряд электронов оказывается скомпенсированным, и пучок не «разбухает». Описанное явление, называемое ионной фокусировкой, наблюдается при давлениях остаточных газов, превышающих 10 -6 мм рт. ст.

В зависимости от формы поперечного сечения электронные пучки разделяются на три основных типа: ленточный, аксиально-симметричный и трубчатый.

Системой формирования электронного потока называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации. Она содержит четыре области:

1) область электронной пушки, в которой имеется источник электронов – катод и анод, между которыми приложено ускоряющее напряжение U 0 ;

2) переходную область – область между пушкой и областью регулярной части МФС, в которой сила электростатического поля, созданного электродами, резко уменьшается, продолжается действие сил пространственного заряда, которые в конце области становятся главной расфокусирующей силой, стремящейся расширить поток, начинают действовать фокусирующие силы магнитного поля, направленные к оси пучка; в переходной области заканчивается формирование электронного потока и происходит «согласование» параметров потока, созданного пушкой, с параметрами регулярной части системы формирования;

3) область регулярной части системы формирования, в которой расположена ЭДС прибора и происходит взаимодействие потока с СВЧ полем;

4) область коллектора, в которой электроны «отработанного» потока воспринимаемые специальной металлической поверхностью, заканчивают свое движение в системе; чем больше КПД прибора, тем меньше мощность, рассеивающаяся на коллекторе; форма поверхности коллектора выбирается таким образом, чтобы тепловые нагрузки на эту поверхность не превышали допустимой удельной величины.

Узкий поток электронов называется электронным пучком. Электронный пучок, которым можно управлять, получают в электронно-лучевой трубке (рис. 93). Одной из ее составных частей является вакуумный стеклянный баллон (разрежение порядка 0,000001 мм рт. ст. ). Он с одного конца цилиндрический, а с другого - конусообразный и заканчивается выпуклым дном. На внутреннюю сторону дна баллона нанесен слой люминофора, у цоколя трубки расположен катод, при нагревании испускающий электроны. Катод находится в управляющем цилиндре, в торце которого имеется отверствие. Через него выходит электронный пучок. Действие управляющего цилиндра подобно действию сетки в триоде: изменением отрицательного потенциала управляющего цилиндра регулируют количество электронов в луче и тем самым меняют яркость свечения тех мест экрана, в которые попадает пучок электронов. За управляющим цилиндром расположены фокусирующий и ускоряющий аноды.

Между управляющим цилиндром и фокусирующим анодом находится неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого имеют форму линзы А, называемую электростатической линзой (рис. 94). Эта линза фокусирует электронный пучок и сообщает электронам ускорение, после чего электронный пучок попадает в электростатическую линзу В между фокусирующим и ускоряющим анодами.

Возьмем электроны в точках 1 и 2. В них, как и в любых других точках, напряженность электрического поля перпендикулярна к эквипотенциальным поверхностям, а на заряд действуют силы F 1 и F 2 , противоположно направленные напряженности поля в данных точках. Составляющие этих сил F 1 " и F 2 " сообщают электронам ускорения вдоль оси цилиндров. Составляющая F" 1 отклоняет пучок вниз, а составляющая F" 2 - вверх.

Линза В сообщает дополнительное ускорение электронам и, кроме того, вызывает дополнительную фокусировку электронного пучка. Первую половину линзы электроны в пучке пролетают с меньшей средней скоростью, чем вторую (где она доходит до 10 4 км / сек ), поэтому отклонение пучка вниз больше, чем вверх. При отклонении к оси в верхней половине линзы пучок сужается. То же происходит и в ее нижней половине. Изменяя потенциал фокусирующего анода, меняют сходимость пучка и добиваются его фокусировки на экране. На пути к экрану электронный пучок проходит поочередно между двумя парами пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих выводы наружу.

Катод, управляющий цилиндр, фокусирующий анод, ускоряющий анод образуют устройство, называемое электронной пушкой. Выясним, какие свойства электронного пучка использованы в электронно-лучевой трубке. Включив ее (рис. 95, а) и сфокусировав пучок на экран, увидим на нем светящуюся точку. Электронный пучок, падая на люминофор, вызывает его свечение. Это свойство и использовано для изготовления экранов в электронно-лучевых трубках, применяющихся в осциллографе, телевизоре, радиолокаторе.

Подключим выводы вертикальных пластин к источнику постоянного тока. По перемещению луча (светлой точки) по экрану видим, что луч отклонился в сторону пластинки с положительным потенциалом. При изменении полярности пластин изменяется и направление смещения луча в горизонтальной плоскости. При подключении к источнику тока горизонтальных пластин и при изменении полярности луч будет перемещаться в вертикальной плоскости. Если к вертикально расположенным пластинам приложить переменное напряжение, то пучок (а на экране светлая точка) под действием образовавшегося электрического поля начнет колебаться между пластинами в горизонтальном направлении (по оси X или оси времени t), а при подаче переменного напряжения на горизонтальные пластины будет колебаться в вертикальном направлении (по оси Y). Вследствие быстрого колебания светлой точки на экране получается светлая прямая линия.

Поднесем сбоку трубки дугообразный магнит. Видим, что точка электронного пучка сместилась к краю экрана. Поменяем местами полюсы магнита, светлая точка отклонилась по экрану в противоположную сторону. (Учитывая, что пучок - поток электронов, определите правилом левой руки направление отклонения пятна на экране.) Электронный пучок отклоняется электрическим и магнитным полями. Вследствие малой массы электрона электронный пучок практически безынерциален. Это дает возможность мгновенно его смещать.

В осциллографе на горизонтально расположенные пластины подается исследуемое напряжение (см. рис. 93), а на вертикальные - пилообразное напряжение развертки U paз от специального устройства (см. рис. 95, б). Увеличиваясь прямо пропорционально времени, пилообразное напряжение вызывает равномерное движение светлой точки на экране в горизонтальном направлении в течение времени t 1 , например слева направо. Затем оно за время t 2 очень быстро спадает до нуля. За время t 2 электронный луч возвращается в исходное положение, и процесс повторяется. На время обратного хода луча на управляющий цилиндр подается отрицательное запирающее напряжение, преграждающее доступ электронов к экрану осциллографа. Это дает возможность наблюдать на нем графическое изображение быстро протекающих периодических электрических процессов.

Имеются электронно-лучевые трубки с магнитными фокусировкой и отклоняющим устройством. Они применяются в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов). Их устройство проще электростатических.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях. Известен способ получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстие в аноде. При этом высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, используя аномальный тлеющий разряд. Причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. Ускоряют электроны в области катодного падения потенциала. Анод используют кольцевой. На катоде, выполненном из алюминия или магния, применяют окисное покрытие Аl 2 О 3 или Mg 2 O 3 , либо высоковольтный разряд осуществляют в смеси газов с небольшой примесью кислорода. Недостатками данного способа являются низкая эффективность формирования электронного пучка и сильное распыление катода, сокращающее срок его службы. Причины недостатков заключаются в следующем. Для получения электронов используют их эмиссию из катода под действием ионов, ускоренных в области катодного падения потенциала и бомбардирующих катод, ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Кроме того, режим большого тока ионов на катод, необходимый для получения электронов, и высокая величина энергии ионов, необходимая для повышения эффективности формирования электронного пучка, разрушают окисное покрытие, которое используют для повышения коэффициента ионно-электронной эмиссии, в результате имеет место быстрый выход катода из строя. Другой известный способ получения электронного пучка (а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35) включает осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. При этом высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, при более, чем двукратном его перенапряжении, величина давления газа в разрядной камере составляет свыше 0,1 Торр, причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного способа является низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, что приводит к ограничению срока его эксплуатации. Причина этого недостатка - существование значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения электронного пучка (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. Причем высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, величину подаваемого напряжения варьируют от 1 до 6 кВ, величина давления газа в разрядной камере составляет от 1 до 10 Торр, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, происходящее из-за значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Техническим результатом изобретения является: - повышение эффективности формирования электронного пучка; - уменьшение распыления катода. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят в непрерывном режиме высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. В качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину напряжения, подаваемого в непрерывном режиме, варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр. Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами. На фиг. 1 схематично изображена разрядная камера, содержащая катод 1, плоский анод 2 в виде пластины с просверленными отверстиями, вставку с диэлектрическими каналами 3, выполненную из кварца, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, и коллектор электронов 4. На фиг.2 показана вольт-амперная характеристика, например, непрерывного разряда в гелии (аналогичные вольт-амперные характеристики получены для импульсного разряда), демонстрирующая высокую эффективность формирования электронного пучка, где 5 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 6 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 7 - зависимость тока электронов пучка на коллекторе от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 8 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 9 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 10 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 11 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр. Осуществление заявляемого способа в разрядной камере (фиг.1) происходит следующим образом. Повышением напряжения между катодом и анодом переводят электроны, эмитированные катодом, в режим ускорения и выносят в дрейфовое пространство за анодом. Часть ускоренных электронов, рожденных на катоде под выполненной из кварца вставки с диэлектрическими каналами, попадает на ее поверхность и заряжает ее до потенциала U=E/e, где Е и е - соответственно энергия и заряд электрона. Тем самым формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, так как поле в промежутке вставка с диэлектрическими каналами - катод практически полностью исчезает. Взаимодействием поля, создаваемого заряженной вставкой с диэлектрическими каналами, с приложенным полем создают эквипотенциальные поверхности типа поверхности АВ, показанной на фиг.1, величина потенциала на которой близка к приложенному напряжению, U АВ ~U к. Электроны, эмитированные катодом, в начале своего пути направляют через протяженную область с низким градиентом потенциала и только затем ускоряют до энергии E=eU к и производят ими ионизацию газа. Поскольку вставку с диэлектрическими каналами заряжают до потенциала примерно соответствующего потенциалу катода, то ускоряющее поле существенно только в диэлектрических каналах. Поэтому образование ионов и вторичных электронов происходит преимущественно в этих каналах и в дрейфовом пространстве за анодом. Вследствие эффективного протекания процессов амбиполярной диффузии они рекомбинируют на стенках каналов и на катоде, не вызывая переноса тока между катодом и анодом. Быстрые ионы, рожденные в области высокого градиента потенциала, расположенной за эквипотенциальной поверхностью АВ, рассеивают свою энергию в упругих соударениях с атомами рабочего газа и также теряют свою способность векторно переносить ток на катод. В итоге подавляющую часть тока в камере переносят электроны пучка. Для оптимального выбора интервала напряжения были построены зависимости изменения эффективности формирования электронного пучка от подаваемого напряжения (как при подаче напряжения в непрерывном режиме, так и в импульсном), например, при вариации его от 450 В до 4 кВ (фиг.2, кривые 10 и 11, непрерывный режим подачи напряжения). Оптимальный интервал значений подаваемого напряжения как в непрерывном, так и в импульсном режиме составил 1,510 кВ. При изменении напряжения горения от зажигания U~450 В до U~650 В генерация электронного пучка происходит как в способе получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 H 01 S 3/09), где использован аномальный тлеющий разряд. Эффективность формирования электронного пучка выражается соотношением =j e /(j e +j i), (1) гдe j i - плотность тока ионов, бомбардирующих катод; j e - плотность тока эмиссии электронов. Так как j e = i j i (2), где i - коэффициент ионно-электронной эмиссии, то = i /( i +1) (3). Данный интервал значений напряжения характеризуется невысокими соответствующими значениями эффективности формирования электронного пучка, так как i меньше 0,5. Высокую эффективность формирования электронного пучка можно получить только при более высоком напряжении. В интервале значений напряжения от U~650 В до U~1200 В значения эффективности формирования электронного пучка постепенно повышаются до ~95%, так как, помимо электрон-ионной эмиссии, значительно возрастает фотоэмиссия. Одновременно с этим набираемая электронами энергия становится настолько значительной, что они заряжают поверхность вставки с диэлектрическими каналами до потенциала, близкого к значению приложенного напряжения. В результате поле в промежутке катод - вставка с диэлектрическими каналами резко ослабляется, принимая вид, показанный на фиг.1 (эквипотенциальная поверхность АВ). Совместно с действием амбиполярного механизма гибели ионов и вторичных электронов это вызывает глубокое падение ионного тока на катод и электронного тока на анод. Падение значения анодного тока настолько велико, что приводит к возникновению участка с падающей вольт-амперной характеристикой и для суммарного тока, фиг.2 кривая 8. Однако при этом рост тока электронного пучка сохраняется (фиг.2 кривая 7). В интервале от U~2 кВ до U~5 кВ значения напряжения настолько велики, что электроны переходят в режим ускорения во всем разрядном промежутке между катодом и анодом, а не только в области вблизи эквипотенциальной поверхности АВ. Поэтому в основном они производят ионизацию внутри диэлектрических каналов кварцевой вставки и в области дрейфового пространства. Вследствие развитости боковой структуры диэлектрических каналов вставки, ионы и вторичные электроны, рожденные там, гибнут на стенках в результате процессов амбиполярной диффузии, что уменьшает приток ионов в прикатодную область и вызывает ослабление ионного тока на катод, а также компенсирующего его электронного тока на анод. Все это приводит к увеличению эффективности формирования электронного пучка до величины ~99,5% при значении тока электронов I е ~1520 мА. В этом интервале варьирования значения напряжения реализуются оптимальные условия формирования электронного пучка по заявляемому способу. Превышение электронного тока над ионным достигает фактора I е /I i =200, что значительно выше, чем в известном способе. В таком же соотношении уменьшается и скорость распыления катода. При миллисекундных импульсах возбуждения, когда разогрев газа и его вытеснение из камеры меньше, значение еще выше и достигает значения равного 99,8% или более, значение фактора I e /I i =500. При более высоких напряжениях, чем значения рассмотренного интервала, ионы, ускоренные в зоне за эквипотенциальной поверхностью АВ, приобретают настолько большую энергию, что уже могут "пробить" протяженную область с низким градиентом потенциала и достигнуть катода, что приводит в данном случае к постепенному снижению эффективности формирования электронного пучка при I е ~20 мА и более и в зависимости от давления газа в разрядной камере при подаваемом напряжении U от 4 до 5 кВ. При давлении газа в разрядной камере, равном Р=4 Торр, падение эффективности формирования электронного пучка имеет место при подаваемом напряжении 10 кВ. "Пробой" происходит из-за быстрого снижения сечения столкновения иона с атомами газа при увеличении энергии иона. В результате происходит перенос потенциала вглубь протяженной области с низким градиентом потенциала, что уменьшает ее толщину, и, наконец, при U более 5 кВ (I e ~100 мА и более) имеет место зажигание аномального разряда и резкое (до ~ 80% и ниже) снижение эффективности формирования электронного пучка. Для выбора интервала давления газа в разрядной камере, в котором имеет место повышение эффективности формирования электронного пучка, были проведены эксперименты при изменении давления газа в камере от 4 до 20 Торр. Оптимальный интервал значений газа в разрядной камере составил 612 Торр при подаче напряжения в непрерывном режиме. При подаче напряжения в импульсном режиме данный интервал составил - 816 Торр. Направление на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда повышает выход электронов с катода, что эквивалентно повышению i (соотношение 2), и тем самым повышает (соотношение 3) и приводит к относительному уменьшению распыления катода. Использование дрейфового пространства за анодом в качестве источника излучения, вызывающего фотоэффект, позволяет получить как непрерывный, так и импульсный режим формирования электронного пучка. В заявляемом способе в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями, и расположенную позади вставки с диэлектрическими каналами (3) (фиг.1). Это является фактором способствующим повышению эффективности формирования электронного пучка, так как анод в этом случае не перехватывает ток быстрых электронов, как в известном способе пучка (А.Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), а формирование вблизи катода протяженной области с низким градиентом потенциала приводит к дополнительному росту эффективности формирования электронного пучка. Действительно, как показано (П.А.Бохан. Механизм формирования и генерация интенсивных электронных пучков в открытом разряде. Журнал технической физики, т.61, в.6, 1991, с. 61-68), эффективность формирования электронного пучка без учета потерь в анодной сетке равна
вн = 1/(1+(dw/dx)/w 0) (4),
где - доля энергетических затрат электронного пучка, идущая на ионизацию, которая составляет от 60 до 70% для благородных газов;
- длина ускорительного зазора;
dw/dx - энергетические потери пучка при движении в газе;
w 0 - средняя энергия, затрачиваемая на образование одного иона. Например, в гелии при давлении Р He =10 Торр, U=2 кВ и =0,7 мм потери dw/dx=185 эВ/см. Так как для гелия w 0 ~50 эВ, то, в соответствии с соотношением (4), в этом режиме вн = 86,5%. Если геометрическая прозрачность анодной сетки = 85%, то в итоге эффективность формирования электронного пучка в известном способе (А. Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201) составляет всего ~ 74%. В заявляемом способе эффективность формирования электронного пучка намного выше см. фиг.2 (кривая 10, 11). При ионной бомбардировке катода скорость распыления его пропорциональна плотности тока ионов на катод, и составляет, в зависимости от материала катода и энергии ионов, 0,2-1,5 атома/ион (М.А.Завьялов, Ю.Б.Крейдель, А.А. Новиков, Л. П. Шантурин. Плазменные процессы в технологических электронных пучках. М. : Энергоиздат, 1989, 256 с.). Так как в заявляемом способе величина плотности тока ионов на катод в десятки раз меньше, чем в известных способах (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201; а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35; патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), то соответственно и распыление катода - в десятки раз меньше. Пример 1
При давлении газа в разрядной камере, равном 10,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U= 2,5 кВ, при I e =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет 99,2%. Пример 2
При давлении газа в разрядной камере, равном 9,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=3,6 кВ, при I е =25 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,4%. Пример 3
При давлении газа в разрядной камере, равном 7,6 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=5,1 кВ, при I е =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,3%. Пример 4
При давлении газа в разрядной камере, равном 8,1 Торр, напряжении в импульсном режиме U=8 кВ, при I е =70 мА, длительности импульса =1mS эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,6%. Пример 5
При давлении газа в разрядной камере, равном 12 Торр, напряжении в импульсном режиме U=6 кВ, при I e =100 мА, длительности импульса = 100S эффективность формирования электронного пучка составляет около 99%. Пример 6
При давлении газа в разрядной камере, равном 16 Торр, напряжении в импульсном режиме U=4 кВ, при I e =200 мА, длительности импульса = 50S эффективность формирования электронного пучка составляет около 98%. Таким образом, применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода.

Формула изобретения

1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении в непрерывном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.2. Способ получения электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр.3. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом, если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.4. Способ получения электронного пучка по п.3, отличающийся тем, что величину подаваемого в импульсном напряжении варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК - поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку Э. п. является совокупностью одноимённых заряж. частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собств. электрич. поле. С др. стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собств. магн. поле. Электрич. поле пространств. создаёт силу, стремящуюся расширить пучок ("кулоновское расталкивание"), магн. поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что действие пространств. заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в неск. кэВ) при токах в неск. десятых мА, тогда как "стягивающее" действие собств. магн. поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света-энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении Э. п., используемых в разл. электронных приборах, техн. установках, в первую очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств. заряда, а действие собств. магн. поля учитывать только для релятивистских пучков.

Интенсивность Э. п . Осн. критерием условного разделения Э. п. на неинтенсивные и интенсивные является необходимость учёта действия поля собств. пространств. заряда электронов пучка. Очевидно, чем больше ток пучка, тем больше пространств. заряда, сильнее расталкивание. С др. стороны, чем больше скорость электронов, тем меньше скажется на характере движения электронов собств. электрич. поле пучка - чем выше энергия электронов, тем "жёстче" пучок. Количественно действие поля пространств. заряда характеризуется коэф. пространственного заряда - п е р в е а н с о м, определяемым как

где I -ток пучка; U -ускоряющее напряжение, определяющее энергию электронов пучка .

Заметное влияние пространств. заряда на движение электронов в пучке начинает проявляться при P>=P* = = 10 -8 А/В 3/2 = 10 -2 мкА/В 3/2 . Поэтому к интенсивным пучкам принято относить Э. п. с Р>P* .

Неинтенсивные пучки (с Р<Р* )малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые по законам геом. электронной оптики без учёта действия поля собств. пространств. заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном в разл. электронно-лучевых приборах .

В интенсивных пучках действие собств. пространств. заряда существенно влияет на характеристики Э. п. Во-первых, интенсивный Э. п. в пространстве, свободном от внеш. электрич. и магн. полей, за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за счёт отрицат. электрич. заряда электронов пучка происходит падение потенциала в пучке. Если с помощью внеш. электрич. или магн. полей ограничить расширение интенсивного пучка, то при достаточно большом токе потенциал внутри пучка может понизиться до нуля, пучок "оборвётся". Поэтому для интенсивных пучков существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении расширения пучка внеш. полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные пучки с P 5 . 10 мкА/В 3/2 .

Полное матем. описание интенсивных Э. п. затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит из множества движущихся электронов, учесть взаимодействие между к-рыми практически невозможно. При введении нек-рых упрощающих предположений, в частности, заменяя сумму сил, действующих на выбранный электрон со стороны соседних электронов, силой действия на этот электрон нек-рой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью пространств. заряда и разбивая весь пучок на совокупность "трубок тока", удаётся с помощью ЭВМ рассчитать с достаточной для практич. целей точностью осн. параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), распределение плотности тока и потенциала по сечению пучка.

Геометрия Э. п . Практически применяются пучки трёх конфигураций: ленточные (плоские), имеющие в поперечном сечении вид прямоугольника с "толщиной", значительно меньшей "ширины", осесимметричные, имеющие в поперечном сечении форму круга, и трубчатые, имеющие в поперечном сечении форму кольца. Для формирования Э. п. таких типов разработаны соответствующие электронные пушки и системы ограничения.

Влияние пространств. заряда неодинаково в пучках разл. конфигурации. Наиб. влияние на характер движения электронов на границе Э. п. имеет составляющая напряжённости электрич. поля, создаваемого пространств. зарядом, направленная перпендикулярно оси осесимметричных пучков и широкой стороне ленточных.

Радиальная составляющая напряжённости электрич. поля на границе осесимметричного пучка прямо пропорциональна току пучка и обратно пропорциональна радиусу его сечения и скорости электронов пучка. Это создаёт силу, направленную от оси, стремящуюся расширить пучок. Расталкивающая сила тем больше, чем больше ток, меньше скорость и радиус пучка. Теоретически в осесимметричных пучках траектории электронов не могут пересечь ось, а сечение пучка нельзя свести в точку, т. к. при уменьшении сечения расталкивающая сила неограниченно возрастает.

Огибающие осесимметричных электронных пучков: g 0 -угол входа пучка в свободное от полей прост ранство; r 0 - начальный радиус; 1 - расходящийся пучок (g 0 >0); 2-цилиндрический пучок (g 0 =0); 3 , 4, 5-сходящиеся пучки (g 0 <0). Пучок 4 - опти мальный, так как кроссовер (наименьшее сечение ) пучка находится на самом удалённом расстоянии (z/l =0,5) от исходной плоскости .

Огибающая интенсивного осесимметричного пучка в пространстве, свободном от электрич. и магн. полей, описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. На рис. показаны огибающие осесимметричных пучков, имеющих до входа в свободное пространство цилиндрическую (кривая 2, g 0 = 0), расходящуюся (кривая 1, g 0 >0) и сходящуюся (кривые 3-4, g 0 <0) формы (g 0 - угол наклона касательной к огибающей пучка, угол входа). Как видно на рис., пучки, первоначально сформированные как цилиндрические (g 0 = 0) и расходящиеся (g 0 >0), в свободном от полей пространстве неограниченно расширяются; пучки, сформированные как сходящиеся, вначале сжимаются (r /r 0 <1), проходят плоскость наименьшего сечения (плоскость кроссовера), затем также начинают расширяться. Радиус мин. сечения пучка - радиус кроссовера-определяется выражением

где r 0 - радиус Э. п. до входа в свободное пространство.

Радиус кроссовера тем меньше, чем меньше первеанс и больше | g 0 |. С ростом (по абс. величине) угла входа пучка в свободное от полей пространство (g 0) плоскость кроссовера сначала удаляется от исходной плоскости, за-

тем начинает приближаться к ней (последовательно кривые 3, 4, 5). Для каждого значения первеанса существует оптимальный "угол влёта" g 0 , при к-ром кроссовер наиб. удалён от исходной плоскости, то есть Э. п. с данным первеансом может быть проведён на наибольшее расстояние с радиусом, не превышающим исходный.

Ленточные интенсивные пучки в свободном от электрич. и магн. полей пространстве также неограниченно расширяются (становятся "толще"), контур огибающей пучка описывается параболич. законом. В отличие от осесимметричного пучка, ленточный пучок при оптимальном входном угле теоретически может быть сведён в линию, т. е. может быть получен линейный фокус. Пучки др. конфигураций в свободном пространстве также неограниченно расширяются; трубчатый Э. п. расширяется несколько меньше, чем сплошной осесимметричный.

Эксперим. проверка полученных расчётных соотношений затруднена, поскольку само понятие границы (огибающей) интенсивного пучка условно, т. к. в реальных пучках плотность тока при удалении от оси осесимметричного или от ср. плоскости ленточного пучков спадает постепенно, и границей пучка условно считается окружность или прямая, вдоль к-рой плотность тока составляет нек-рую малую долю (~0,1) её макс. величины на оси.

Потенциал Э. п . Падение потенциала внутри интенсивного пучка ограничивает возможность формирования протяжённого интенсивного пучка с высоким первеансом. Тео-ретич. исследования показывают, что в интенсивном неограниченном потоке, заполняющем пространство между двумя плоскими параллельными проводящими поверхностями с одинаковым потенциалом, определяющим энергию электронов потока, с увеличением тока в ср. плоскости образуется минимум потенциала. При достижении P= 18,64 мкА/В 3/2 потенциал спадает до нуля, образуется виртуальный катод ,часть электронов проходит через плоскость минимума, часть отражается к исходной плоскости, нормальное токопрохождение нарушается. Эксперим. проверка подтверждает это, именно при приближении P к 18,64 мкА/В 3/2 в потоке возникают неустрйчивости, электронных слоев, прохождение тока нарушается.

В реальных Э. п., ограниченных внеш. электрич. и магн. полями, также происходит падение потенциала, но т. к. в большинстве приборов, где используются интенсивные Э. п., протяжённый пучок пропускается через трубу с положит. потенциалом, на поверхности пучка удаётся поддерживать потенциал, близкий к потенциалу трубы. Но и при наличии проводящей трубы потенциал на оси осесимметричного или в ср. плоскости ленточного пучков заметно понижается, и по достижении достаточно большого первеанса (большего, чем в случае неограниченного потока) возникает неустойчивость, пучок обрывается.

Формирование Э. п . Поскольку Э. п. в свободном пространстве неограниченно расширяется, при практич. использовании интенсивных пучков кроме системы, формирующей пучок,- электронной пушки-необходима система, ограничивающая расхождение пучка. Расширение Э. п. ограничивается с помощью внеш. электрич. и магн. полей. Классич. пример протяжённого интенсивного Э. п.- т. н. п о т о к Б р и л л ю э н а - цилиндрич. пучок, ограниченный продольным однородным магн. полем. При определ. соотношении четырёх величин - нач. радиуса r 0 , тока пучка I , U 0 , определяющего энергию электронов до входа в магн. поле, и магн. индукции продольного однородного магн. поля B 0 - теоретически возможно получить устойчивый цилиндрич. Э. п. При оптимальном соотношении r 0 , I , U 0 и B 0 макс. первеанс бриллюэновского потока достигает 25,4 мкА/В 3/2 . При макс. первеансе потенциал на оси пучка составляет всего 1/3 значения на границе. При ограничении магн. полем трубчатых пучков можно получить ещё большие значения первеанса.

Практически сформировать протяжённые Э. п. с первеансом, близким к теоретически максимально возможному, не удаётся из-за ряда причин: разброса нач. скоростей электронов, эмитированных катодом, трудности создания ограничивающих полей строго заданной конфигурации, практич. невозможностью строго выполнить нач. условия ввода пучка в систему ограничения и др. Реальные Э. п. имеют волнистую и пульсирующую границы, форма пучка не остаётся неизменной. Поэтому для предупреждения оседания электронов пучка на поверхности пролётного канала радиус проводящей трубки, сквозь к-рую пропускается интенсивный пучок, выбирается на 20-30% больше радиуса пучка.

Лит.: Алямовский И. В., Электронные пучки и электронные пушки, M., 1966; Молоковский С. И., Сушков А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, 2 изд., M., 1991.

А. А. Жигарев .

Электронный пучок –это направленный поток электронов. Можно, например, получить электронный пучок из электронной лампы. Для этого необходимо сделать в аноде отверстие. Часть электронов ускоренных электрическим полем будут попадать в это отверстие и создавать за анодом электронный пучок. Причем мы сожжем даже управлять количеством электронов в этом пучке. Для этого надо будет поставить между катодом и анодом дополнительный электрод, потенциал которого мы будем изменять.

Основные свойства электронного пучка

При попадании пучка электронов на поверхность какого-либо тела, он будет вызывать нагревание этого тела.Это свойство электронных пучков широко используется для электронной плавки сверхчистых металлов.
Получение рентгеновского излучения, которое будет возникать приторможении быстрых электронов. Это свойство широко используется в рентгеновских трубах и аппаратах, сделанных на их основе.
При попадании пучка электронов на некоторые вещества, например, стекло, они начинают светиться. Этиматериалы получили название люминофоров.
Электронные пучки будут отклоняться электрическим полем. Если, например, мы пустим пучок электронов между пластинами конденсатора, электроны будут отклоняться от отрицательно заряженной пластины.
Электронный пучок отклоняется под действием магнитного поля. Если пустить пучок электронов над северным полюсом магнита, то он отклонится в левую сторону, а если над южным – в правую сторону. Именно поэтому полярное сияние можно наблюдать толькоу полюсов Земли.

Последние три свойства электронного пучка нашли применение в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка

Общий вид и устройство электронно-лучевой трубки представлены на следующем рисунке:

картинка

В узком краю ЭЛТ расположена электронная пушка. Она состоит из катода и анода и является источником пучка электронов. В электронной пушке пучок электронов разгоняется до нужной скорости. Помимо этого, в электронной трубке пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была почти точечных размеров.

После того, как пучок вылетает из электронной пушки он последовательно проходит через две пары управляющих пластин. Они способствуют изменению направления пучка. Если на них нет разности потенциалов, то пучок будет направлен в середину экрана. Если мы подадим напряжение на вертикально расположенные пластины, пучок сместится в горизонтальном направлении на некоторый угол. Если мы подадим напряжение на горизонтально расположенные пластины, соответственно, пучок сместится в вертикальном направлении. Таким образом, используя две пары пластин, мы можем добиться смещение луча в любую точку экрана.