WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 7 09;10;12 Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами © Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько Научно-исследовательский комплекс ”Ускоритель” Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 61108 Харьков, Украина (Поcтупило в Редакцию 10 октября 2000 г.) Приводятся результаты исследований по генерации мощных элекронных пучков в одиночной и системе инжекционных магнетронных пушек с холодными вторичноэмиссионными катодами. Получены трубчатые электронные пучки с током 50... 100 A, энергией частиц 30... 100 kV и импульсной мощностью 1... 5MW.

Такие пучки могут быть использованы как источники электронов в ускорительной технике и при создании мощных СВЧ приборов обычного и многолучевого типов.

Введение от величины электрических и магнитных полей, а также измерениям поперечных размеров пучков.

В последние годы широкий интерес вызывает исследование магнетронных инжекционных пушек с холодными Экспериментальная установка катодами обычного [1–6] и обращенного [6,7] типов, работающих в режиме вторичной эмиссии. Интерес к и методики исследования таким источникам связан с рядом преимуществ (большое время жизни, высокая плотность тока, относитель- Эксперименты по получению мощных электронных ная простота конструкции, получение трубчатых пуч- пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионныков и т. д.), которые дают возможность использования ми катодами проводились на установке, схема которой таких пушек в ускорительной технике, при создании приведена на рис. 1. Магнетронная пушка питалась мощных долговечных СВЧ источников [3] и быстродей- от модулятора 1, формирующего импульс напряжения ствующей высоковольтной техники [8]. Принцип дейст- с амплитудой 4... 200 kV, длительностью 4 µs и часвия магнетронных инжекционных пушек с холодными тотой следования 10... 50 Hz. Импульс отрицательвторично-эмиссионными катодами основан на обратной ной полярности (с выбором на вершине и плоской бомбардировке катода (коэффициент вторичной эмиссии ее частью) подавался на медный катод 5, а анод материала катода больше единицы) первичными элек- (из нержавеющей стали или меди) заземлен через тронами, которые двигаясь в спадающем электрическом резистор R3. Запуск вторично-эмиссионного процесса поле увеличивают свою энергию. Первичные электроны происходил в спадающем электрическом поле, которое могут образовываться за счет автоэмиссии, эмиссии создается спадом (длительностью 0.6 µs и крутизной с диэлектрических вкраплений на поверхности катода спада 50... 100 kV/µs) специально сформированного выили эмиссии с дополнительного термокатода [6]. При броса на вершине импульса катодного напряжения [4].

этом происходят вторично-эмиссионное размножение с Магнитное поле создавалось соленоидом 4. Измерелавинным нарастанием плотности электронов, образова- ние тока пучка производилось с помощью цилиндра ние электронного слоя вблизи катода, формирование и Фарадея 7 и резистора R4, напряжения на катоде — с вывод электронного пучка из пушки. Процесс вторичноэмиссионного размножения в начальной стадии образования электронного слоя обусловлен набором энергии электронами за счет спада электрического поля за время движения электрона по участку циклоиды, а после накопления электронов, на стационарной стадии, — за счет электрических полей, возникающих при колебаниях плотности пространственного заряда. Представляет интерес исследование процессов стабильной генерации электронных пучков в магнетронных инжекционных пушках с холодными вторично-эмиссионными катодами при большой импульсной мощности. Настоящая работа посвящена исследованиям по генерации мощных электронных пучков в одиночной и системе инжекционных магнетронных пушек, изучению зависимости тока пучка Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами учитывать пульсации тока в соленоиде, что требует ”привязки” импульсов запуска модулятора к частоте питающей сети.

Экспериментальные результаты и их обсуждение 1. Получение мощных пучков в одиночных магнетронных пушках. Получение мощных пучков в одиночных магнетронных пушках возможно при значительных диаметрах катода. Это связано с тем, что увеличение тока пучка и, следовательно, мощности в пучке обусловлено повышением напряжения между катодом и анодом пушки, а увеличение напряжения ограничивается Рис. 2. Продольное распределение магнитного поля. A —анод, развитием пробоя между этими электродами. При увеC —катод, FC — цилиндр Фарадея.

личении диаметра катода уменьшается напряженность электрического поля на катоде и, следовательно, вероятность пробоя, что позволяет использовать более высокие напряжения. Исследования проводились с магнетронныпомощью делителя R1, R2, измерение анодного тока — ми пушками с диаметрами катодов 40... 80 mm и диас помощью резистора R3 и регистратора 2; размеров метрами анодов 50... 140 mm, амплитуда напряжения пучка — с помощью отпечатка на рентгеновской пленке изменялась от 20 до 120 kV.

и на молибденовой фольге, расположенных на цилиндре В одиночной магнетронной пушке с диаметром катоФарадея. Магнетронная пушка размещалась в вакуумной да 40 mm и анода диаметром 78 mm, длиной 100 mm камере 3 из нержавеющей стали, в которой поддерживапри амплитуде импульса напряжения 100 kV (здесь и нилось разрежение 10-6 Torr.

же указана амплитуда плоской части вершины) получен В экспериментах по получению мощных электронных режим устойчивой генерации пучка с током около 50 A, пучков для генерации пучка и его транспортировки что соответствовало микропервеансу 1.6 и мощности использовались два метода создания магнитных полей:

в пучке 5 MW. Магнитное поле составляло в этом импульсный разряд конденсатора через соленоид [9] и случае 1800 Oe. На рис. 3 приведена зависимость питание соленоида постоянным током [10]. На рис. тока пучка на цилиндре Фарадея от амплитуды импульса приведено распределение напряженности магнитного покатодного напряжения. Как следует из рисунка, ток пучка ля вдоль оси соленоида для этих двух случаев и показано подчиняется закону расположение магнетронной пушки и цилиндра Фарадея.

”3/2”. При этом в процессе измеВ первом случае (рис. 2, кривая 1) могут быть рений каждому фиксированному значению напряжения получены высокая однородность поля вдоль оси соответствовало оптимальное значение магнитного поля, соленоида (±5%) и значительная его величина при котором амплитуда тока пучка была максимальной.

(до 5000... 6000 Oe). При этом необходимо учитывать Измерения показали, что эта пушка надежно выдерживазатухание импульсного магнитного поля при его ет напряжение 120 kV, что позволит получить мощность диффузии через стенки резонаторов и вакуумной в электронном пучке до 8 MW. В процессе исследований камеры, что может изменять продольное распределение измерялся ток электронов на анод. Величина анодного импульсного магнитного поля (см., например, [9,11]). тока составляла 1... 10% тока в пучке в зависимости от Частота повторения импульсов магнитного поля условий эксперимента.

ограничена выбором накопительной емкости и Было проведено также исследование параметров пучка коммутатора. При работе магнетронной пушки с низкой в зависимости от электрического и магнитного полей.

частотой посылок за время между высоковольтными При значениях амплитуды напряжения на катоде выше импульсами происходит загрязнение поверхности или ниже оптимального (при фиксированном магнитном катода примесями, которые под действием электронной поле) нарушаются условия вторично-эмиссионного разбомбардировки выходят в промежуток анод–катод, что множения, что приводит к срыву вторично-эмиссионного может приводить к вакуумному пробою промежутка [12]. процесса. При формировании импульса напряжения сиВо втором случае для создания постоянного магнит- нусоидальной модуляцией его вершины на выходе пушки ного поля значительной величины при пропускании тока наблюдаются сгустки электронов, расположенные по через соленоид требуются большая мощность питания времени в тех местах, где синусоида имеет спад (прии водяное охлаждение. При этом величина магнитного нудительная модуляция [4]). Исследование зависимости поля ограничивается нагревом соленоида, а распределе- тока пучка от величины магнитного поля показало, ние магнитного поля вдоль оси соленоида имеет худшую что при увеличении магнитного поля (при постоянной однородность (рис. 2, кривая 2). Необходимо также амплитуде напряжение на катоде) амплитуда тока пучка Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 90 Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько При формировании стабильных электронных пучков с помощью системы параллельно включенных магнетронных пушек с вторично-эмиссионными катодами могут возникать трудности, подобные тем, какие возникают при параллельном включении коммутаторов. Это связано с тем, что при возникновении генерации пучка или при пробое в одной из пушек амплитуда напряжения на катодах других пушек снижается, что может приводить к отсутствию генерации или нестабильности пучка в них.

Оценка показывает, что в реальных системах уменьшение напряжения на катодах остальных пушек, связанное с наличием паразитных индуктивностей и емкостей, происходит за время, равное нескольким наносекундам. В работе [3] показано, что время формирования электронного слоя в пушках с вторично-эмиссионными катодами, а следовательно, и нарастания импульса тока пучка может Рис. 3. Зависимость тока пучка от амплитуды импульса быть уменьшено до 2 ns (при запуске процесса вторичнокатодного напряжения.

эмиссионного размножения наносекундным спадом импульса напряжения с крутизной спада более 300 kV/µs).

Таким образом, образование электронного слоя и генерация пучка в системе пушек происходит даже при пробое на цилиндре Фарадея имеет резкий рост, плоское плато в одной из них. Уменьшение амплитуды питающего и резкий спад. Такой характер зависимости связан с импульса при генерации пучка в случае использования изменением траекторий и условиями набора энергии для питания пушек модулятора с низким выходным электронами в промежутке анод–катод при увеличении сопротивлением составляет малую величину (в наших магнитного поля. При изменении амплитуды магнитного экспериментах менее 20% при выходном сопротивлении поля импульс тока пучка изменялся. Так, при напряжемодулятора 2000). В работе [14] показано, что генерании на катоде пушки 55 kV и магнитном поле 700 Oe ция пучка сохраняется (при фиксированном магнитном импульс тока пучка приобретает пичковый характер с поле) при изменении напряжения на катоде на 30%, что амплитудным значением тока 30 A и длительностью больше указанной величины. Это показывает, что трудпичков 10... 30 ns. При увеличении магнитного поля ности, возникающие при генерации электронного пучка до 1200 Oe импульс тока электронного пучка имеет в системе магнетронных пушек, могут быть преодолены.

плоскую вершину.

В системе магнетронных пушек возможно снижеПри исследовании магнетронной пушки с медным ние электрической прочности системы за счет увеликатодом диаметром 40 mm и анода из нержавеющей чения общей площади электродов (пробивное напрястали диаметром 50 mm и длиной 100 mm при напжение обратно пропорционально S0.1, где S — плоряжении 30 kV и магнитном поле 2200 Oe получен ток щадь электродов). В системе из большого числа пупучка 50 A, что соответствовало микропервеансу 10 и шек (8 и более) это снижение пробивного напряжения импульсной мощности в пучке 1.5MW.

составляет 15-20%. Экспериментально показано, Следует отметить, что в работе [6] одиночные магчто в системе из 8 пушек с диаметрами катода 5 mm нетронные пушки, изготовленные из материалов BeCu и анодом 22 mm пробивное напряжение уменьшилось и нержавеющей стали (анод), обычного (диаметр капримерно на 30% (с 70 до 50 kV) по сравнению с тода 50 mm, диаметр анода 60 mm) и обращенного одиночной пушкой с такими же диаметрами катода и типов (диаметр катода 54 mm, диаметр анода 43 mm) анода. Следует отметить, что такое снижение пробивного генерировали ток пучка 100 A при напряжении 40 kV напряжения связано не только с указанным эффектом, и магнитном поле 1800 Oe. Это соответствовало но и с некоторой несимметрией пушки при сборке, мощности в пучке 4 MW и микропервеансу 12, что вакуумными условиями и другими факторами.

согласуется с приведенными выше результатами.

Эксперименты по получению мощных пучков прово2. Получение многолучевых электронных дились с системой, состоящей из 6 и 8 магнетронных пучков в системе магнетронных пушек. Друпушек. Катоды и аноды пушек были изготовлены из меди, гой путь увеличения мощности в пучке состоит в ис- длина пушке составляла 100 mm.

пользовании системы, состоящей из нескольких магне- В первом случае система генерировала 6 пучков, все тронных инжекционных пушек, включенных параллель- пушки располагались на окружности диаметром 60 mm но. При этом ток пучка, мощность, микропервеанс и с диаметрами катода 5 mm и диаметрами анодов 26 mm.

размеры пучка каждой пушки невелик, но суммарный При напряжении на катоде 40 kV и напряженности магток и мощность пучка системы имеют значительную нитного поля 2000 Oe каждая пушка генерирует ток величину. пучка 18 A с микропервеансом 2.5. Суммарный ток Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с вторично-эмиссионными катодами пучка всей системы составлял 100 A с мощностью в Список литературы пучке 4MW.

[1] Skowron J.F. // Proc. IEEE. 1973. Vol. 6. N 3. P. 69–101.

Во втором случае система генерировала 8 пучков пуш[2] Черенщиков С.А. // Электронная техника. Сер. 1. 1973.

ки располагались на окружности диаметром 70 mm с № 6. С. 20–28.

диаметрами катода 5 mm и диаметрами анодов 22 mm.

[3] Dovbnya A.N., Zakutin V.V., Zhiglo V.F. et al. // Proc. 5th При напряжении на катоде 30 kV и напряженности Epac / Ed. S. Myers, A. Pacheco, R. Rascual et al. Bristol;

магнитного поля 2000 Oe суммарный ток пучка всей Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 1996, Vol. 2.

системы составлял 60 A с мощностью в пучке 2MW, P. 1508–1509.

при этом микропервеанс каждого пучка составлял 2.

[4] Dovbnya A.N., Mitrochenko V.V. et al. // Proc. 1997 PAC / Ed.

3. Измерение размеров пучков. ТранспорM. Comyn, M.K. Craddok, M. Reiser, J. Thomson. Vancouver, тировка пучка магнетронных пушек с вторично-эмис- 1997. Vol. 3. P. 2820–2822.

сионным катодом осуществлялась на расстояние [5] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // ВАНТ. Сер. Ядерно-физические исследования. 1997.

50... 100 mm от среза анода. Измерение поперечных Вып. 2, 3 (29, 30). Т. 1. С. 134–140.

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.