Пушки Пирса со сходящимся пучком

Параксиальность траекторий электронов в пуч­ке.

Ламинарноcть пучков. Это значит, что траекто­рии отдельных электронов в пучке не пересекаются и пу­чок в целом имеет четкую границу, очерченную траекто­риями крайних электронов. Равномерность распределения плотно­сти объемного заряда в пучке.

Отсутствие начальных тепловых скоро­стей электронов на катоде.

Отсутствие релятивистских эффектов, в частности магнитных полей, создаваемых движущими­ся электронами.

Указанные предположения в той или иной степени на практике не реализуются. Однако, как показывает опыт, они весьма близки к действительности и существенно об­легчают рассмотрение основных характеристик пучков и систем их формирования.

Принцип построения пушек Пирса

Наибольшее распространение получили так называе­мые пушки Пирса, принцип построения которых заклю­чается в следующем. Если рассмотреть диоды с идеаль­ной геометрией, а именно плоский, сферический или ци­линдрический (рис. 3), и выделить из всего электронно­го потока в них определенную часть требуемой конфигу­рации, как это показано на рисунке, то мы получим в зависимости от формы диода аксиально-симметричный или ленточный параллельный или сходящийся пучок.

При этом влияние отброшенной части электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквива­лентным влиянием некоторого электрического поля, ко­торое, будучи созданным в пространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:

1. Распределение потенциала вдоль границы пучка должно остаться прежним, соответствующим распреде­лению поля в выбранном исходном диоде.

2. Напряженность поля, нормальная к границе пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы, приводящие к расширению пучка.

Определив поле, отвечающее этим требованиям, не­обходимо рассчитать или подобрать конфигурацию элек­тродов, из которых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а дру­гой имеет потенциал анода и совпадает по форме с экви­потенциалью, соответствующей анодному напряжению Ua. Тогда указанная система электродов образует тре­буемый электронный пучок с прямолинейными траекто­риями.

Такого типа пушки и получили название пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в их основу, иногда называют принципом прямолиней­ной оптики.

Пушки Пирса со сходящимся пучком

Используя часть сферического или цилиндрического диодов, показанных на рис. 1, б и в, можно, очевидно, получить соответственно сходящийся аксиально-симме­тричный или ленточный пу­чок (рис. 4).

Очевидно, в таких пуш­ках, если учесть рассеиваю­щее действие линзы в обла­сти анодного отверстия, можно на выходе из пушки, в частности, получить па­раллельный пучок. Кроме того, плотность тока в пучке может значительно превы­шать плотность тока с като­да (так называемая ком­прессия пучка).

Наибольшее распространение получила пушка Пирса с аксиально-симметричным сходящимся потоком — пуш­ка сферического типа (рис. 4), которую мы, в основ­ном, и рассмотрим.

Полный ток сферического диода в режиме простран­ственного заряда может быть представлен выражнием:

(1)

где (-α)2 — функция Ленгмюра, зависящая от величи­ны ρа=Rк/Rа (Rк и Ra — радиусы катода и анода). Плотность тока с катода, очевидно, равна:

(2)

Распределение потенциала между катодом и анодом, как ясно из (1), имеет вид:

(3)

где p=RK/R, причем R является текущей координатой, а р меняется от 1 до ра.

Для формирования сходящегося аксиально-симме­тричного пучка с использованием катода, имеющего вид участка сферы радиуса RK, необ­ходимо, как и в предыдущем случае, заменить действие отбра­сываемой части потока полем, образуемым фокусирующим элек­тродом, имеющим потенциал ка­тода, и анодом.

Форму электродов, обеспечи­вающую вдоль границы пучка распределение потенциала, соот­ветствующее (3), подбирают, как описано ранее, на электроли­тической ванне с применением пластины из диэлектрика, имити­рующей границу пучка. На (рис. 6) представлены конфигурации электродов, формирующих схо­дящиеся аксиально-симметричные потоки при различ­ных ра и углах схождения Θ.

Рис. 6. Примеры конфигурации электродов пушек сферического типа при различных Θ и ра

Эквипотепциаль, соответствующая фокусирующему электроду, подходит к границе потока под углом 67,5°, остальные — под углом 90°.

На практике обычно выполняют электроды более простой формы, в той или иной степени аппроксимирую­щей контуры требуемых поверхностей (рис. 7 и 8)

Рис. 7. Пример практической конфигурации

электродов пуш­ки сферического типа.

К — катод; ФЭ — фокусирующий электрод; а — анод.

Рис. 8. Пример пушки с про­стой конфигурацией электро­дов.

К — катод; ФЭ — фокусирующий электрод; а — анод.

1	2	3	4	5