Пушки Пирса со сходящимся пучком

Введение

В геометрической электронной оптике, где имеет ме­сто оптико-механическая аналогия, предусматривающая, в частности, отсутствие взаимодействия электронов меж­ду собой, рассматривается, как правило, формирование электронных пучков, в которых действием объемного за­ряда практически можно пренебречь. Тогда можно гово­рить о фокусировке электронных пучков в обычном опти­ческом смысле, что и имеет место в целом ряде элек­троннолучевых приборов.

В этом смысле наряду с понятием фокусировки пра­вомерны и понятия об электронном пучке, электронном луче, электронной линзе и т. д.

В ряде случаев, однако, когда объемный заряд, а сле­довательно, и взаимодействие электронов между собой становятся заметными, основные положения классичес­кой геометрической электронной оптики теряют силу. Необходимо уже обязательно учитывать действие прост­ранственного заряда.

Такое положение наблюдается в целом ряде прибо­ров СВЧ (клистроны, ЛБВ, ЛОВ и др.)» где работа при­бора основана па взаимодействии электронного потока с высокочастотными полями и параметры этого пото­ка— его размеры, ток, энергия электронов — решающим образом определяют качество прибора в целом. Так же обстоит дело и во все более развивающейся в настоящее время области применения электронных пучков для об­работки материалов (сварка, плавка, сверление и т. д.). Степень влияния объемного заряда в электронном пучке, как указывалось, оценивается его так называемой характеристической проводимостью или (наи­более широко употребляемый термин) первеансом пучка:

где / — ток пучка; U — пройденная электронами разность потенциалов. Ясно, что с ростом / и уменьшением U, взаимодействие электронов будет все более заметным. В обычных электроннолучевых приборах первеанс пучков, как правило, не превышает 10-9 А/в3/2, и в этом случае действием пространственного заряда в них можно пренебречь. Если же Р > 10-8 — 10-7А/в3/2, то действие прост­ранственного заряда необходимо учитывать.

Такие пучки уже следует считать интенсивными, и для их рассмотрения совершенно недостаточно аппарата обычной геометрической электронной оптики. Отметим, что в этом случае ряд понятий геометрической оптики, такие, как фокусировка, электроннооптическая система и некоторые другие, по существу теряют смысл и могут применяться только условно.

Правильнее пользоваться в этом случае, например, терминами формирование пучка, система фор­мирования и т. д., хотя термин фокусировка по инерции в литературе употребляется весьма широко.

Общая схема системы формирования интенсивных электронных пучков.

Практически в любом случае систему, формирующую электронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыре основные (рис. 1) области:

I — область электронной пушки, состоящей из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода 3, в электрическом поле, которой, происходит первоначальное формирование пучка.

II — область пролетного канала (пролетной трубы) 4, в котором могут располагаться резонаторы, например в случае клистрона, или отклоняющие устрой­ства, например в случае сварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости и так на­зываемая поперечно-ограничивающая, «фоку­сирующая» система 5. Конструкции таких систем доволь­но многообразны. В частности, она может представлять собой длинный соленоид. Ее назначение — создать маг­нитное или электрическое поле, препятствующее расши­рению электронного пучка в пролетной трубе.

В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допу­стить осе

дания значи­тельной части тока пуч­ка на стенках трубы, т. е. обеспечить хоро­шее токопрохождение. В частном случае (на­пример, отражатель­ные клистроны) этой системы может и не быть.

III — приемник или коллектор пучка 6, кото­рый может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду в электронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». В последнем случае ос­новной эффект, ради которого создается прибор и фор­мируется пучок, происходит именно на приемнике, на­пример плавка или сварка.

И, наконец, IV область — переходная между пуш­кой и поперечно-ограничивающей системой, поля в кото­рой должны быть такими, чтобы обеспечить согласован­ное действие I и II областей. Как правило, переходная область является важнейшей с точки зрения формиро­вания пучка, хотя, в случае если поле поперечно-ограни­чивающей («фокусирующей») системы простирается до катода пушки, этой области может и не быть.

Основные типы пучков

Конфигурация встречающихся на практике пучков может быть весьма разнообразной. Однако, хотя и не­сколько условно, можно из них выделить пучки наибо­лее типичной формы. В первую очередь это сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение ко­торых имеет вид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2,а), так и коническими, т. е. схо­дящимися (рис. 2,б).

Все больший интерес проявляется к трубчатым пуч­кам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которых представляет собой кольцо (рис. 2,в, г).

Следует указать также на ленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собой прямоугольник, одна сторона которого значительно боль­ше другой. Такие пучки также могут быть параллельны­ми или сходящимися — клиновидными (рис. 2,д,е).

Ввиду наибольшей распространенности ак­сиально-симметричных пучков в дальнейшем рассмотрении им будет уделено основное внима­ние. Другие типы пучков рассматриваются менее подробно. Ко всем типам пучков могут быть предъ­явлены некоторые общие требования, а именно:

1. Вполне определен­ный, часто возможно бо­лее высокий, микропер-веанс, который в настоя­щее время достигает еди­ниц мкА/в3/2. Это отра­жает стремление получить пучки с возможно большим током при пониженных напряжениях.

2. Форма пучка должна, возможно лучше соответст­вовать заданной для того, чтобы его можно было про­пустить через пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы

пучка были возможно ближе к ее стенкам.

При рассмотрении пучков мы будем, за исключением специально оговоренных разделов, предполагать:

1	2	3	4	5