Пушки Пирса с параллельным пучком

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.

2.2. 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.

3. Пушки Пирса с параллельным пучком

Для безграничного плоского диода (рис.3-а) соот­ношение между плотностью тока, напряжением и рас­стоянием от катода z имеет вид :

(3.1)

В плоскости анода при z = d, U = Ua, и, следовательно, распределение потенциала между электродами подчиня­ется выражению

(3.2)

Таково должно быть, как указывалось, и распределе­ние потенциала вдоль границы пучка.

Поле, удовлетворяющее сформулированным выше условиям, может быть рассчитано или, что часто и де­лается, определено с помощью электролитической ванны.

Для этого берется мелкая горизонтальная (в случае пушки, формирующей ленточный пучок) или наклонная (в случае аксиально-симметричного пучка) электролитическая ванна, в которую помещаются модели электродов и пластинка из диэлектрика, имитирующая границу пуч­ка (рис. 4). Очевидно, что эта пластинка моделирует границу пучка, на которой нормальная к ней составляю­щая напряженности поля равна нулю, так как направле­ние тока в электролите у ее поверхности может быть только параллельным этой поверхности. Таким образом, второе условие выполняется автоматически. Выполнение первого условия, а именно соответствия распределения поля вдоль границы пучка выражению (3.2), можно до­биться подбором формы электродов.

Полученная при этом в ванне совокупность эквипотенциалей и будет представлять собой искомое поле, обеспечивающее формирование параллельного ленточно­го или аксиально-симметричного пучка. Картины полей для обоих случаев приведены на рис. 5. В обоих слу­чаях нулевая эквипотенциаль представляет собой поверх­ность, сечение которой плоскостью симметрии дает вбли­зи катода прямую, подходящую к границе пучка под углом 67,5°, а остальные эквипотенциали имеют более сложную форму и подходят к границе пучка под прямым углом.

Рис. 4. Электролитические ванны для моделирования электронных пучков

,

а—мелкая плоская ванна;

б — мелкая наклонная ванна;

1 — анод;

2 — фоку­сирующий электрод;

3 — диэлектрик.

Если теперь электродам пушки, имеющим потенциалы катода и анода, придать форму соответствующих эквипотенциалей, то созданное ими поле сформирует требуемый электронный пучок. На практике обычно не требуется изготавливать электроды, на всем протя­жении совпадающие с рассчитанной эквипотенциалью. Достаточно выдержать их форму вблизи границы пучка.

Если заданы напряжение Ua, ток пучка I, а также его поперечный размер на выходе из пушки, то тогда расчет пушки сводится к определению расстояния анод— катод d. Площадь катода SК легко определить по задан­ным размерам пучка, что позволяет оценить плотность тока на катоде j.

Далее из (3.1)

и искомое

(3.3)

Следует иметь в виду, что наличие отверстия в аноде пушки приводит, как можно видеть, к образованию ти­пичной рассеивающей линзы-диафрагмы (аксиально-сим­метричной или цилиндрической).

В первом случае ее фокусное расстояние равно:

(3.4)

во втором:

(3.5)

Полагая, что напряженность поля справа от анода Еb равна нулю, и находя Еа дифференцированием выра­жения (3.2), находим:

fa = -3d (3.4а)

fa = -1,5d (3.5а)

Следовательно, рассматриваемые пушки будут давать на выходе, если не принимать дополнительных мер, рас­ходящиеся пучки с углами расхождения γ, определяю­щимися из выражений:

(3.4б)

(для аксиально-симметричного пучка);

(3.5б)

(для ленточного пучка), где rа — радиус анодного отвер­стия, а xа—половина высоты анодной щели.

Поэтому такие пушки применяют обычно в комбина­ции с поперечно-ограничивающей (фокусирующей) си­стемой, действие которой может начинаться непосредст­венно с катода.

Отметим, что в пушках с параллельным потоком плотность тока в пучке равна плотности тока на катоде, а сам катод по всей площади подвергается бомбардиров­ке ионами остаточных газов, что снижает его долговеч­ность.

1	2	3	4	5	6	7	8