Решение задач на тему: Значение электронной пушки. Особенности конструкции пушек, формирующих цилиндрические и ленточные

Введение

В большинстве современных электронных приборов радиотехнического назначения используются различные по пространственной конфигурации интенсивные (высокопервеансные) электронные пучки.

В приборах с электродинамическим управлением (клистронах, лампах бегущей волны и др.) эта особенность связана непосредственно с самим принципом управления током, основанным на использовании длительного пребывания электронов в рабочем пространстве. В приборах же с квазистатическим управлением применение электронных потоков в виде резко очерченных пучков не является принципиально обязательным, но оно открыло новые возможности в разработке сверхмощных триодов и тетродов. Таким образом, формирование и фокусировка интенсивных электронных пучков - одна из основных задач, решаемых при разработке современных электронных приборов.

Основная задача электронной пушки заключается в формировании интенсивного электронного пучка определенной конфигурации с заданными значениями тока и скорости и, по возможности, с ламинарным движением электронов.

Методы формирования и фокусировки электронных пучков, как правило, связаны с принципом управления ими, особенно в тех приборах, где элементы электронно-оптических устройств входят непосредственно в конструкции колебательных или замедляющих систем.

Рис. 1.1. Экспериментальная электронная пушка Пирса, Uа=50 кВ, Р=0.5 мкА/В3/2, Сj=100

Попытки получить пучки определенной конфигурации с заданными значениями тока и скорости и, по возможности, с ламинарным движением электронов при помощи электронных пушек, или прожекторов, используемых в электронно-лучевых трубках и микроскопах, не дали положительных результатов. Поэтому разработка лучевых приборов радиотехнического назначения была тесно связана с поисками новых формирующих и фокусирующих систем.

Существенный вклад был сделан американским ученым Пирсом, предложившим метод формирования прямолинейных ламинарных электронных пучков простой конфигурации: ленточного, цилиндрического и конического. На основе этого метода были разработаны высокоэффективные электронные пушки, которые широко известны под названием пушек Пирса.

В клистронах и лампах бегущей волны в целях получения большой высокочастотной мощности без существенного сокращения срока службы катода очень часто используются аксиально-симметричные электронные пучки с плотностью тока, превышающей допустимую плотность тока катода. Получить такие пучки можно, например, при помощи пушки Пирса (рис. 1.1), конструкция которой состоит из вогнутого сферического эквипотенциального катода 2 с подогревателем 1, широко раскрытого прикатодного электрода 4 и анода 3 с центральным отверстием. Обычно прикатодный электрод имеет потенциал, одинаковый с катодом, и располагается так, что его поверхность является как бы продолжением поверхности катода. Это дает основание называть такую пушку диодной.

Путем соответствующего расчета формы электродов, производимого аналитическим методом или с помощью математического моделирования, в пушке создается такая конфигурация электрического поля, при которой электроны со всей поверхности катода равномерно сходятся в узкий электронный пучок, проходящий сквозь отверстие анода.

Рис. 1.2. Экспериментальная модифицированная пушка Пирса, Uа=20кВ, Р=3 мкА/В3/2, Сj=6: 1--подогреватель; 2--катод; 3-прикатодный электрод; 4- -анод; 5-коллектор.

Степень сходимости электронов характеризуется так называемым коэффициентом сходимости (сжатия или компрессии). Различают коэффициент сходимости по плотности тока (или площади поперечного сечения пучка)-Сj, равный отношению максимальной плотности тока в электронном пучке к плотности тока, снимаемого с катода, и коэффициент сходимости по радиусу -Сr, определяемый отношением радиуса катода к радиусу минимального сечения (кроссовера) пучка. Очевидно, что при небольшой кривизне катода .

По мере увеличения коэффициента сходимости в пучке возрастают электростатические силы поперечного расталкивания, препятствующие сжатию пучка. Следовательно, коэффициент сходимости будет зависеть от объемного заряда в формируемом пучке, который определяется первеансом.

Следует подчеркнуть, что в диодных пушках Пирса, которые обычно работают в режиме пространственного заряда, значение первеанса Р=I/U3/2 не зависит от анодного напряжения и, как следует из закона "степени 3/2" для диода, определяется только геометрическими размерами пушки. Поэтому первеанс, являясь параметром электронного пучка, мерой его интенсивности, одновременно является параметром самой пушки, т. е. ее конструкции.

При помощи рассмотренной пушки Пирса можно получать сходящиеся электронные пучки с первеансом Р£ 1 мкА/В. При малых значениях первеанса коэффициент сходимости по плотности может составлять 100 и более, как, например, в пушке, разработанной в лаборатории радиотехнической электроники ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) (см.рис.1.1). При больших значениях Р коэффициент сходимости обычно составляет несколько единиц.

Для получения сходящихся потоков с - более высоким первеансом используют различные модификации пушек Пирса (рис. 1.2). Они характеризуются относительно небольшими расстояниями катод-анод и применением прикатодных электродов закрытой конструкции (см. рис. 1.2). Благодаря таким электродам электрические поля пушек более эффективно компенсируют поперечные расфокусирующие силы пространственного заряда, возрастающие по мере повышения первеанса, и тем самым обеспечивают формирование высокопервеансных сходящихся пучков с минимальными потерями катодного тока на аноде (не более 1-2%). Однако из-за влияния анодных отверстий пушек, заметно ослабляющих поля в центре катодов и работающих как рассеивающие линзы со сферической аберрацией, формируемые ими пучки оказываются неламинарными, с неравномерным распределением плотности тока по радиусу пучков.

2. Проектирование и особенности конструкции пушек, формирующие цилиндрические и ленточные пучки

Физические принципы, на которых базируются пушки Пирса, используются для формирования не только сплошных сходящихся (конических) электронных пучков, но также цилиндрических, плоских (ленточных и клиновидных), трубчатых (полых) пучков.

Формирование параллельного ленточного пучка. Электронная пушка, формирующая параллельный ленточный пучок, может быть создана путем использования части плоскопараллельного потока, который характеризуется соотношениями:

где z-продольная координата, отсчитываемая от катода (рис. 2.1); А=Uа/d4/3 при z=d, U=Uа.

Если из такого потока вырезать слой толщиной 2уn, то для сохранения характера движения электронов в этом слое необходимо, чтобы на его границах выполнялись условия при у==0:

Рис. 2.2. Форма эквипотенциальных линий, получающихся в результате расчета внешней задачи для параллельного ленточного пучка электронов и потенциалов: 1- -0,25 Uа 2- -0,1 Uа 3- -0,05 Uа 4-0; 5-0,25 Uа 6-0,5 Uа 7- Uа

Решение задачи Коши для уравнения Лапласа в области,, внешней к катоду, которое удовлетворяет условиям (2.3), находится методом аналитического продолжения функции и имеет вид

Форма эквипотенциальных линий, определенная с помощью этого выражения, представлена на рис. 2.2. Нулевая эквипотенциаль является прямой линией, наклоненной к границе пучка под углом 67,5°. Полученные результаты строго справедливы для потока, имеющего бесконечную протяженность в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа (в направлении оси х). С определенным приближением они могут быть использованы для потоков конечной ширины, при условии, что ширина потока хп>>2yп и влияние краевых эффектов незначительно. Первеанс такой пушки, рассчитанный на единицу ширины потока, находится из закона "степени 3/2":

Анодный электрод реальной пушки обычно имеет отверстие, не закрытое сеткой (рис.2.3). Отверстие нарушает распределение электрического поля, положенное в основу описанного выше расчета, приводит к появлению y-составляющей поля вблизи анодного электрода и уменьшению z-составляющей поля в области катода. Это в свою очередь приводит к появлению у электронов на выходе из пушки y-составляющих скоростей и уменьшению первеанса потока (при 2уп @ d). Расфокусирующее действие анодного отверстия можно учесть, если рассматривать его как щелевую линзу. Фокусное расстояние последней определяется выражением f=2U/(Е1-Е2), где U-потенциал электрода щелевой линзы (он принимается равным потенциалу анода U= Uа); Е1 и Е2 напряженности поля слева и справа от электрода при отсутствии в нем отверстия. В рассматриваемом случае Е2=0, а Е1 рассчитывается следующим образом:

Рис. 2.4. Клиновидный ленточный пучок. Граничные условия

В этом случае получаем f= - 3/2d. Отрицательная величина фокусного расстояния указывает на рассеивающий характер линзы. Для угла наклона граничной электронной траектории на выходе из пушки получаем следующую приближенную формулу:

и для граничных электронов:

Формирование клиновидного пучка. Электронная пушка для формирования клиновидного (сходящегося) пучка может быть построена путем использования части радиального цилиндрического потока (рис. 2.4). Такой поток характеризуется следующими основными соотношениями: распределение потенциала

Ток в секторе, имеющем единичную ширину (размер в направлении оси r) и половинный угол q (угол в градусах),

где (-b)2-функция отношения радиуса кривизны катода rк к текущему радиусу r.

Как и в предыдущем случае, для сохранения характера движения электронов в секторе с половинным углом q действие отброшенной части электронного потока заменяется действием фокусирующих электродов, которые должны обеспечивать выполнение вдоль границы пучка следующих условий: U=f(r), дU/дq=0. Форма фокусирующих электродов находится в результате решения внешней задачи синтеза. На рис. 2.5 показано семейство эквипотенциальных линий, найденное аналитически.

Влияние анодного отверстия в анодном электроде на отбор тока с катода и формирование пучка аналогично рассмотренному в предыдущем случае.

Рис.2.5. Универсальная карта эквипотенциалей для расчета электродов пушки, формирующей клиновидный ленточный пучок.

Формирование параллельного цилиндрического пучка. Задача формирования параллельного цилиндрического пучка решается аналогично рассмотренной выше задаче формирования параллельного ленточного пучка, с той лишь разницей, что из бесконечного параллельного потока "вырезается" область в виде цилиндра (рис. 2.6). Для определения формы фокусирующих электродов решается внешняя задача при следующих начальных условиях, заданных на границе области:

Оглавление

- Назначение электронной пушки

- Особенности конструкции пушек, формирующих цилиндрические и ленточные пучки

- Процедура проектирования электронной пушки

- Предварительный расчет

- Результаты проектирования методом синтеза

- Результаты проектирования методом анализа СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список литературы

- Математические модели и автоматизированное проектирование электронных приборов . Методические указания к лабораторным работам. Под редакцией В.К. Федяева. 2143. Рязань 1993. 60 с.

- С.И. Молоковский А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

- А.А. Жигарев Г.Г. Шамаева. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1982. - 463с.