WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 3 10;11;12 Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами © В.В. Закутин, А.Н. Довбня, Н.Г. Решетняк, Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец Научно-исследовательский комплекс ”Ускоритель” Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 61108 Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 13 марта 2000 г.) Приведены исследования мощных электронных пучков в магнетронных инжекторах на основе холодных вторично-эмиссионных катодов. Получен устойчивый процесс генерации электронного пучка мощностью до 8 MW.

Введение размещалась в вакуумной камере 3 из нержавеющей стали, в которой поддерживалось разрежение 10-6 Torr.

В последние годы широкий интерес вызывает иссле- В экспериментах по получению мощных электронных пучков для создания магнитных полей для генерации дование магнетронных пушек с холодными катодами пучка и его транспортировки использовались два метода:

обычного [1–6] и обращенного [6,7] типов, работающих в импульсный разряд конденсатора через соленоид [9] и режиме вторичной эмиссии в скрещенных электрических питание постоянным током соленоида с водяным охлаи магнитных полях. Интерес к таким источникам связан ждением [10]. На рис. 2 приведено распределение напряс рядом преимуществ (большое время жизни, высокая женности магнитного поля вдоль оси соленоида для этих плотность тока, относительная простота конструкции, получение трубчатых пучков и т. д.), которые дают воз- двух случаев и показано расположение магнетронного можность использования магнетронных пушек с холод- диода и цилиндра Фарадея. В первом случае (рис. 2, кривая 1) могут быть получены высокая однородность ными вторично-эмиссионными катодами при создании мощных долговечных СВЧ-источников [3] и быстродей- поля вдоль оси соленоида (±5%) и значительная его величина (до 5000... 6000 Oe). Такой метод можно ствующей высоковольтной техники [8]. Применение использовать как для получения пучка в магнетронной магнетронных пушек с вторичноэмиссионными катодами пушке с вторичноэмиссионным катодом, так и для трансв СВЧ приборах, например в клистронах, связано с портировки электронного пучка в резонансной системе возможностью получения мощных электронных пучков, СВЧ прибора. Частота повторения импульсов магнитночто необходимо для достижения большой импульсной го поля ограничена выбором накопительной емкости и мощности СВЧ-колебаний.

коммутатора. Кроме того, необходимо учитывать затухание импульсного магнитного поля при его диффузии через стенки резонаторов и вакуумной камеры, что Экспериментальная установка может изменять продольное распределение импульсного магнитного поля (см., например, [9,11]). При работе Эксперименты по получению мощных электронных магнетронной пушки с низкой частотой посылок за пучков в магнетронных пушках с вторичноэмиссионнывремя между высоковольтными импульсами поверхность ми катодами проводились на установке, схема которой катода загрязняется примесями, которые под действиприведена на рис. 1. Магнетронная пушка питалась ем электронной бомбардировки выходят в промежуток от модулятора 1, формирующего импульс напряжения анод–катод. Это может приводить к вакуумному пробою с амплитудой 4... 100 kV, длительностью 2... 10 µs промежутка [12].

и частотой следования 10... 50 Hz. Импульс отрицательной полярности Uk подавался на медный катод 5, а анод 6 (из нержавеющей стали или меди) заземлен через резистор R3. Запуск вторично-эмиссионного процесса производился двумя способами: на спаде специально сформированного выброса на импульсе катодного напряжения или на спаде импульса внешнего генератора 2.

Магнитное поле для генерации и транспортировки пучка создавалось соленоидом 4. Измерение тока пучка производилось с помощью цилиндра Фарадея 7 ирезистора R4, напряжения на катоде — с помощью делителя R1R2, размеров пучка — с помощью отпечатка на рентгеновской пленке и на молибденовой фольге. Магнетронная пушка Рис. 1.

Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами 100 kV получен режим устойчивой генерации пучка с током около 50 A, что соответствовало микропервеансу 1.6 и мощности в пучке 5 MW. Магнитное поле составляло в этом случае 1600 Oe. Измерения показали, что эта пушка надежно выдерживает напряжение 120 kV, что позволит получить мощность в электронном пучке до 8 MW.

Магнетронная пушка с медным катодом диаметром 40 mm и анода из нержавеющей стали диаметром 50 mm и длиной 100 mm при напряжении 30 kV и магнитном поле 2200 Oe генерировала ток пучка 50 A, что соотРис. 2.

ветствавало микропервеансу 10 и мощности в пучке 1.5MW.

Аналогичные результаты получены в работе [6]. В этой работе магнетронная пушка изготовлена из матеВо втором случае для создания постоянного магнитриалов BeCu и нержавеющей стали, обычного (диаметр ного поля при пропускании тока через соленоид требукатода 50 mm, диаметр анода 60 mm) и обращенного ются большая мощность питания и водяное охлаждение.

типов (диаметр катода 54 mm, диаметр анода 43 mm).

При этом величина магнитного поля ограничивается Получен ток пучка 100 A при напряжении 40 kV нагревом соленоида, а распределение магнитного поля и магнитном поле 1800 Oe. Это соответствовало вдоль оси соленоида имеет худшую однородность (рис. 2, мощности в пучке 4 MW и микропервеансу 12.

кривая 2). Необходимо учитывать также пульсации тока Как видно из приведенных результатов, магнетронные в катушках, что требует ”привязки” импульсов запуска пушки с вторично-эмиссионными катодами позволяют модулятора к частоте сети.

получать значительные мощности в электронном пучке.

Однако значительный микропервеанс и наружный диаметр пучка (который составляет в различных экспериЭкспериментальные результаты ментах 45... 55 mm) могут создать трудности при их и их обсуждение использовании в СВЧ приборах.

Другой путь увеличения мощности в пучке состоит в Проведены экспериментальные исследования по полуиспользовании системы, состоящей из нескольких (6 и чению больших мощностей в электронном пучке магболее) магнетронных пушек, включенных параллельно.

нетронных пушек с вторичноэмиссионными катодами.

При этом ток пучка, мощность, микропервеанс и размеИсследована магнетронная пушка с медным катодом ры пучка каждой пушки невелики, но суммарный ток и диаметром 40 mm и анодом из нержавеющей стали мощность пучка системы имеют большую величину.

диаметром 78 mm и длиной 100 mm. Запуск вторичноПри создании системы параллельно включенных магэмиссионного процесса происходил на спаде выброса нетронных пушек с вторично-эмиссионными катодами (амплитудой до 160 kV) на импульсе катодного напрямогут возникать трудности, такие же как и при паралжения. На рис. 3 приведена зависимость тока пучка на лельном включении коммутаторов. Это связано с тем, цилиндре Фарадея от амплитуды импульса катодного начто при возникновении генерации пучка в одной из пряжения. Как следует из рисунка, ток пучка подчиняется пушек амплитуда напряжения на катодах других пушек закону ”3/2”. При этом в процессе измерений каждому уменьшается, что может приводить к отсутствию генефиксированному значению напряжения соответствовало рации пучка в них. Возможно также снижение электриоптимальное значение магнитного поля, при котором амческой прочности системы за счет увеличения общей плитуда тока пучка была максимальной. При напряжении площади электродов (пробивное напряжение обратно пропорционально S0.1, где S — площадь электродов).

Однако при создании системы из большого числа пушек ( 6 и более) снижение электрической прочности невелико ( 10-20%), а при использовании для их питания низкоомного модулятора уменьшение амплитуды составляет малую величину (в наших экспериментах менее 30% при выходном сопротивлении модулятора 2000 ). В работе [13] показано, что генерация пучка сохраняется при изменении напряжения на катоде на 40%, что больше указанной величины. С другой стороны, оценки показывают, что напряжение на катодах пушек уменьшается через время, равное нескольким наносекундам. В работе [14] показано, что время формирования Рис. 3.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 80 В.В. Закутин, А.Н. Довбня, Н.Г. Решетняк, Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец поле вблизи расположения рентгеновской пленки уменьшалось примерно в 1.8 раз по сравнению с полем, в области которого находится магнетронная пушка. Однако размеры пучка во всех этих случаях практически одинаковы. Приведенные результаты указывают на то, что электронный пучок достаточно сильно ”замагничен” и спадающее магнитное поле не приводит к расплыванию пучка. Это может быть использовано как для транспортировки электронного пучка, так и при инжекции электронного пучка из магнетронной пушки в другие Рис. 4.

системы.

Заключение электронного слоя в магнетронных пушках с вторичноэмиссионными катодами, а следовательно и время нараПроведенные исследования показывают, что использостания импульса тока пучка, может быть уменьшено до вание одиночных магнетронных пушек и системы магне2 ns. Таким образом, проблемы, связанные с генерацией тронных пушек позволяет получать значительные мощэлектронного пучка в системе магнетронных пушек, ности в электронном пучке, что дает возможность примогут быть преодолены.

менения магнетронных пушек с вторично-эмиссионными Эксперименты проводились с системой, состоящей из катодами в качестве источников электронов в мощных 6 и 8 магнетронных пушек. В первом случае система СВЧ приборах.

генерировала 6 пучков, все пушки располагались на окружности диаметром 60 mm с диаметром катода Список литературы 5 mm и диаметрами анода 26 mm. Наружный диаметр пучка составляет 9 mm. При напряжении на катоде [1] Skowron J.F. //Proc. IEEE. 1973. Vol. 61. N 3. P. 69–101.

40 kV и напряженности магнитного поля 2000 Oe [2] Черенщиков С.А. // Электронная техника. Сер. 1. 1973.

каждая пушка генерирует ток пучка 18 A с микропер№ 6. С. 20–28.

веансом 2.5. Суммарный ток пучка всей системы [3] Dovbnya A.N., Zakutin V.V., Zhiglo V.F. et al. // Proc. The составлял 100 A с мощностью в пучке 4MW.

5th Epac/ Ed. S. Myers, A. Pacheco, R. Pascual et al. Institute Во втором случае система генерировала 8 пучof Physics Publishing. Bristol and Philadelphia, 1996. Vol. 2.

ков, пушки располагались на окружности диаметром P. 1508–1509.

[4] Dovbnya A.N., Mitrochenko V.V. et al. // Proc. The 70 mm с диаметрами катода 5 mm и диаметрами анода Pac / Ed. M. Comyn, M.K. Craddok, M. Reiser, J. Thomson.

22 mm. Наружный диаметр пучка также составляет Vancouver, 1997. Vol. 3. P. 2820–2822.

9 mm. При напряжении на катоде 30 kV и напря[5] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // ВАНТ.

женности магнитного поля 2000 Oe суммарный ток Сер. Ядерно-физические исследования. 1997. Вып. 2,пучка всей системы составлял 60 A с мощностью (29,30). Т. 1. С. 134–140.

в пучке 2 MW, при этом микропервеанс каждого [6] Saveliev Y.M., Sibbett W., Parkes D.M. // Physics of Plasmas.

пучка составлял 2. В настоящее время проводятся Vol. 4. N 7 (July). 1997. P. 2319–2321.

исследования, направленные на получение мощности в [7] Чурюмов Г.И. // Радиоэлектроника. 1997. № 7. С. 77–80.

пучке такой системы, достигающей 10 MW.

[8] Вишневский А.И., Солдатенко А.И., Шендаков А.И. // Транспортировка пучка магнетронной пушки с втоИзв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1968. Т. 11. № 6.

рично-эмиссионным катодом осуществлялась импульсС. 555–564.

ным магнитным полем (рис. 2, кривая 1) на расстояние [9] Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля.

М.: Мир, 1972. 390 с.

50... 100 mm от среза анода. Транспортировка пучка [10] Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. М., постоянным магнитным полем (рис. 2, кривая 2) проЛ.: Госэнергоиздат, 1962. 543 с.

изводилась на расстояние 50 и 180 mm от среза анода.

[11] Закутин В.В., Шендерович А.М. // ПТЭ. 1976. № 5. С. 238.

При измерении поперечных размеров пучка на коллек[12] Довбня А.Н., Закутин В.В., Решетняк Н.Г. и др. // ВАНТ.

торе было обнаружено, что в обоих случаях пучки в Сер. ЯФИ. 1997. № 1 (28). С. 53–58.

поперечном сечении имеют вид колец с равномерным [13] Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В. и др. // распределением интенсивности по азимуту, с внутренЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 2. С. 000.

ним диаметром, примерно равным диаметру катода, и [14] Айзацкий Н.И., Довбня А.Н., Митроченко В.В. и др. // толщиной ”стенки” 1... 1.3 mm. На рис. 4 показано ВАНТ. Сер. ЯФИ (34). 1999. № 3. С. 38–40.

радиальное распределение интенсивности электронов на выходе пушки на расстоянии от среза анода 50 mm при диаметре катода 5 mm и диаметре анода 26 mm. Видно, что наружный диаметр пучка не превышает 10 mm. При этом, как следует из кривой 2 на рис. 2, магнитное Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 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.