WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 3 09;10;11;12 Формирование электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами с большим аспектным отношением © Н.И. Айзацкий, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько, Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец Научно-исследовательский комплекс ”Ускоритель” Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 61108 Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 21 мая 2001 г.) Исследована генерация электронных пучков в магнетронных пушках с холодными металлическими вторично-эмиссионными катодами малого диаметра с большим аспектным отношением. Приведены параметры электронных пучков в зависимости от величины электрического и магнитного полей при различных методах формирования импульса напряжения для вторично-эмиссионного размножения электронов и генерации пучка.

Введение полярности от модулятора 1, формирующего импульс напряжения с амплитудой 4... 100 kV, длительностью Исследование магнетронных пушек с холодными ме- 4... 10 µs и частотой следования 50 Hz, подается на таллическими катодами, работающих в режиме вторич- катод 5 пушки, а ее анод 6 заземлен через резистор R3 и ной эмиссии [1–8], связано с рядом их преимуществ подключен к импульсному генератору 2. В первом слу(большое время жизни, высокая плотность тока, отно- чае процесс вторично-эмиссионного размножения элексительная простота конструкции и т. д.), которые дают тронов осуществлялся на спаде импульса напряжения возможность их использования в качестве источников специальной формы, который формировался модулятоэлектронов в ускорительной технике и при создании ром 1, во втором — спадом импульса напряжения мощных долговечных СВЧ приборов [2,9–11]. Принцип генератора 2.

работы таких пушек основан на обратной бомбардировке Магнетронная пушка с медным катодом диаметкатода первичными электронами. При этом происходят ром 2 mm и анодом из нержавеющей стали или меди длипроцессы вторично-эмиссионного размножения электроной 120 mm размещалась внутри вакуумной камеры 3, нов, образования электронного облака и формирования которая откачивалась до давления 10-6 Torr.

электронного пучка [1–4,8] в скрещенных электрических Магнитное поле для генерации и транспортировки и магнитных полях. Настоящая работа посвящена исслепучка создавалось соленоидом 4, который состоял из дованиям по генерации пучков в магнетронных пушках 4 секций общей длиной 550 mm, питаемых от отдельных с холодными вторично-эмиссионными катодами малого источников тока, что позволяло изменять пространствендиаметра (2... 5mm).

ное распределение магнитного поля и его амплитуду.

Транспортировка пучка осуществлялась на расстояние 80... 160 mm от среза анода до цилиндра Фарадея.

Экспериментальная установка Измерение тока пучка производилось с помощью ции методики исследований линдра Фарадея 7, выполненного в виде отрезка коаксиальной линии и резистора R4 = 12, равного волновому Исследования по генерации пучка в магнетронных сопротивлению линии, напряжения на катоде — с попушках с холодными вторично-эмиссионными катодами мощью делителя R1R2, размеров пучка — с помощью проводились на установке, схема которой приведена на отпечатка на рентгеновской пленке и на молибденовой рис. 1. В этих экспериментах импульс отрицательной фольге, расположенных на торце коаксиальной линии.

Экспериментальные результаты и их обсуждение 1) Особенности формирования пучка в магнетронных пушках. В работах [6,8] показано, что в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами формируется трубчатый электронный пучок, при Рис. 1. Схема экспериментальной установки. этом внутренний диаметр пучка примерно равен диамеФормирование электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами... тру катода, а толщина стенки составляет 1.5... 2 mm.

С целью получения малых поперечных размеров пучка в экспериментах исследовалась генерация пучков и измерялись их параметры в одиночных пушках с диаметром катода 2 и 5 mm и диаметрами анодов, равными 10, 22, 50 и 78 mm. В этих экспериментах аспектное отношение (Ra/rc), т. е. величина отношения радиуса анода Ra к радиусу катода rc, изменялась в широких пределах — 5... 39. Эта область аспектного отношения практически не исследована.

Необходимое для генерации пучка в магнетронной пушке электрическое поле в промежутке анод–катод должно иметь два временных интервала: первый — участок со спадающим полем, на котором происходит вторично-эмиссионное размножение и формирование облака электронов вокруг катода, и второй — участок Рис. 2. Осциллограммы тока пучка и напряжения на катоде.

с постоянным полем, обеспечивающий стационарную стадию вторично-эмиссионного процесса и генерацию пучка [1,3,8]. Крутизна и длительность спада выброса части импульса напряжения, что оказалось недостаточно определяют стабильность генерации пучка и временную для генерации пучка. При подключении корректирующей нестабильность генерации фронта импульса тока пучка.

емкости C = 7.5 nF амплитуда выброса возрастала Величина крутизны спада, которая обеспечивает продо 50%, а при C = 15 nF амплитуда выброса составляцесс вторично-эмиссионного размножения, должна прела 80% от амплитуды импульса напряжения. Крутизна вышать 20... 30 kV/µs [1,8]. В дальнейшем при постоянспада при этом составляла соответственно 25 и 40 kV/µs ной амплитуде вершины импульса наступает стационарпри длительности спада 0.6µ, что было достаточно для ная стадия генерации пучка. Неравномерность вершины развития процесса вторично-эмиссионного размножения плоской части импульса может приводить к модуляции и генерации пучка. Возможен также другой способ форимпульса тока пучка, или к ее срыву на неравномерных мирования импульса — это суммирование на общей участках вершины импульса напряжения, или к гененагрузке — катоде двух импульсов напряжения: длительрации нескольких электронных сгустков в одном имного импульса с плоской вершиной и короткого импульса пульсе напряжения [8], а также определяет допустимый с крутым спадом и получение импульса напряжения, энергетический разброс электронного пучка. Поэтому близкого по форме к описанному выше.

при проведении экспериментов уделялось значительное внимание формированию необходимой временной зави- На рис. 2 приведена типичная осциллограмма импуль симости напряжения между катодом и анодом пушки. са напряжения на катоде (U) и импульса тока пучка (I) Получение заданной зависимости электрического поля на цилиндре Фарадея для приведенной схемы формироот времени между катодом и анодом достигается фор- вания импульсов напряжения для пушки с диаметрами мированием импульса напряжения специальной формы катода 2 mm и анода 50 mm. При амплитуде напряжения с выбросом на вершине с коротким спадом и длительной на плоской части 32 kV ток пучка составлял 0.6 A плоской частью на катоде или одновременной подачей (при магнитном поле 800 Oe), а крутизна спада двух импульсов напряжения на катод и анод, формирую- составляла > 40 kV/µs. Видно, что процесс вторичнощих заданное электрическое поле. эмиссионного размножения начинается на спаде выброса импульса напряжения, а на плоской части импуль2) Формирование заданной зависимости са — стационарная стадия генерации пучка. Следует электрического поля от времени. Первый отметить, что, как видно из осциллограмм, на спаде метод основан на формировании импульса катодного выброса достаточно большая часть электронов имеет напряжения специальной формы с выбросом на вершине.

энергию, превышающую их энергию на стационарной В модуляторе с полным разрядом формирующей линии стадии генерации пучка, что расширяет энергетический импульс напряжения с выбросом на вершине и плоской спектр пучка. Для уменьшения энергетического разброса его частью можно получать с помощью корректирующей емкости C (рис. 1), подключенной параллельно фор- частиц пучка и сокращения времени нарастания импульса тока пучка необходимо уменьшать длительность и мирующей линии [12]. Изменяя значение C, можно регулировать амплитуду выброса. В этом случае гене- увеличивать крутизну спада. Для достижения этой цели необходимо использовать другую схему формирования ратор 2 отключен. Формирующая линия (PFL) имела импульсов.

волновое сопротивление 40, длительность импульса на полувысоте 4.5 µs. Импульс напряжения модулятора Второй метод — это суммирование в зазоре анод– на «холостом ходу» при отсутствии корректирующей катод электрических полей двух импульсов: длительного емкости имел выброс 25% от амплитуды плоской импульса с плоской вершиной, подаваемого на катод, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 78 Н.И. Айзацкий, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько...

и короткого импульса с крутым спадом, подаваемого d, mm D, mm U, kV I, A H, Oe на анод пушки, для получения заданной зависимости 2 50 40... 55 0.8 800... суммарного электрического поля от времени [6]. Им2 50 40... 55 7 пульс напряжения достаточно большой длительности 2 78 40... 55 1.0 700... с плоской вершиной от модулятора 1 (при отключенной 5 50 45... 55 0.5 емкости C) подается на катод пушки. Генератор 2 под5 50 45... 55 1.0 ключается к сопротивлению R3, и импульс напряжения 5 50 45... 55 10 малой длительности с коротким спадом поступает на 5 78 26 0.5 анод пушки с задержкой во времени. В зазоре анод–катод 5 78 26 3 эти импульсы создают необходимую для генерации пучка зависимость электрического поля от времени. В этой схеме разделение цепей подачи импульсов позволяет использовать для передачи импульса от генератора 2 пучка 7 A, что соответствует импульсной мощности в на анод широкополосную передающую линию. При этом пучке 350 kW и микропервеансу 0.6. Напряженность длительность спада импульса на аноде, обеспечивающая магнитного поля при этом составляла 2900 Oe.

процесс вторично-эмиссионного размножения и синхро- Проведены исследования по генерации электронных низацию импульсов тока пучка может достигать не- пучков в магнетронных пушках с диаметром катодов 2 и скольких наносекунд, а крутизна спада иметь величи- 5 mm и диаметрами анодов 50 и 78 mm в зависимости от ну 1000 kV/µs. величины магнитного поля. Показано, что при диаметре катода 2 mm, амплитуде напряжения плоской части 3) Исследование процессов генерации импульса 40... 55 kV и небольших магнитных полях пучков и измерение их параметров. Иссле(700... 1200 Oe) наблюдается генерация электронных дования параметров пучков производились с использопучков с током 0.5... 1.5A (поле отсечки Хелла в этом ванием обоих методов формирования импульса напряжеслучае составляло соответственно 600 и 400 Oe).

ния. Эксперименты показали, что амплитуда тока пучка При этом наружный диаметр пучка составлял 15 mm.

на цилиндре Фарадея имеет пороговую зависимость от При увеличении магнитного поля до 2500... 3000 Oe крутизны спада и не зависит от схемы возбуждения получены электронные пучки с током 5... 7A при веливторично-эмиссионного процесса. На рис. 3 приведена зачине магнитного поля 2500... 3000 Oe. В этом случае висимость тока на цилиндр Фарадея от амплитуды напряпучок магнетронной пушки с диаметром катода 2 и жения на катоде пушек при указанных выше диаметрах анода 50 mm на расстоянии 130 mm от среза анода имел анодов. Видно, что результаты измерений согласуются наружный диаметр 4 и внутренний 2 mm. Аналогичные с расчетом по закону «3/2». В процессе измерений, в результаты получены и для диаметра катода 5 mm и тех каждой точке, величина магнитного поля устанавливаже диаметрах анода.

лась по максимальному значению тока пучка. Например, Были проведены расчеты при энергии электронов в пушке с диаметром катода 2 mm и анода 50 mm при 60 keV и токе пучка 10 A, при этом наружный диаметр амплитуде напряжения на катоде 50 kV получен тока пучка составлял 5 mm. Расчеты показали, что в пределах изменения энергетического разброса электронов в пучке от 0 до ±20% диаметр пучка при его транспортировке в спадающем магнитном поле на расстояние до 150 mm увеличивается не более чем на 20%, что согласуется с результатами экспериментов. В таблице приведены значения тока на цилиндре Фарадея I, напряжения на катоде U, напряженности магнитного поля H.

Как следует из приведенных результатов, при небольших магнитных полях ларморовский радиус электронов достаточно велик, но электроны при своем движении набирают энергию, достаточную для вторично-эмиссионного размножения и генерации пучка. Электронный слой занимает значительную область межэлектродного пространства вблизи катода в поперечном направлении.

При этом провисание потенциала в промежутке катод– анод, связанное с пространственным зарядом электронного слоя, обеспечивает процесс вторично-эмиссионного размножения и генерацию пучка на стационарной стадии работы пушки. При больших магнитных полях лармоРис. 3. Зависимость тока пучка от напряжения на катоде ровский радиус уменьшается и поперечные размеры при различных диаметрах анода. Диаметр анода, mm: 1 — 10, 2 — 22, 3 — 50. Диаметр катода 2 mm. электронного слоя вблизи катода существенно меньЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Формирование электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами... Заключение Проведенные исследования показывают возможность запуска вторично-эмиссионного размножения и генерации пучка при различных методах формирования импульсов напряжения. Экспериментально показано существование широкой зоны магнитного поля для генерации пучков в магнетронных пушках с большим аспектным отношением. При напряженности магнитного поля 2500 Oe получены электронные пучки с наружным радиусом 4 mm и энергий частиц 5... 60 keV.

Список литературы Рис. 4. Зависимость микропервеанса пучка от диаметра анода:

1 —расчет, 2 — эксперимент. [1] Ломакин В.М., Панченко Д.В. // Электронная техника.

Сер. Электроника СВЧ. 1970. Вып. 2. С. 33–42.

[2] Skowron J.F. // Proc. IEEE. 1973. Vol. 61. N 3. P. 69–101.

[3] Черенщиков С.А. // Электронная техника. Сер. 1. 1973.

№ 6. С. 20–28.

ше. В этом случае провисание потенциала сильнее и [4] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // ВАНТ.

это обеспечивает набор энергии электронов до необСер. Ядерно-физические исследования. 1997. Вып. 2, 3 (29, ходимой для развития процесса вторично-эмиссионного 30). С. 134–140.

размножения на меньшей длине. Это позволяет также [5] Saveliev Y.M., Sibbett W., Parkes D.M. // Phys. Plasmas.

иметь больший пространственный заряд электронного 1997. Vol. 4. N 7. P. 2319–2321.

слоя и, как следствие, больший ток пука. Как следует [6] Довбня А.Н., Закутин В.В., Решетняк Н.Г. и др. // ВАНТ.

из вышеприведенного, в пушках с большим аспектным Сер. Ядерно-физические исследования (35). 1999. Вып. 4.

отношеним, по-видимому, существует широкая зона (или С. 34–35.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.