WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 12 Краткие сообщения 09;10;11;12 Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с холодными вторично-эмиссионными катодами © 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 e-mail: dovbnya@nik.kharkov.ua (Поступило в Редакцию 12 марта 2002 г.) Приводятся результаты исследований генерации мощных электронных пучков в одиночной и системе инжекционных магнетронных пушек с холодными вторично-эмиссионными 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 катодами при большой импульсной мощности. Настоящая работа посвящена исследованиям по получению В последние годы широкий интерес вызывает исследо- мощных электронных пучков в одиночной и системе вание магнетронных инжекционных пушек с холодными магнетронных пушек, изучению зависимости тока пучка катодами, обычного [1–6] и обращенного [6,7] типов, от величины электрических и магнитных полей, а также работающих в режиме вторичной эмиссии. Интерес к измерениям поперечных размеров пучков.

таким источникам связан с рядом преимуществ (большое время жизни, высокая плотность тока, относиЭкспериментальная установка тельная простота конструкции, получение трубчатых и методика исследования пучков и т. д.), которые дают возможность использования таких пушек в ускорительной технике, при создании Эксперименты по получению мощных электронмощных долговечных СВЧ источников [3], быстродейных пучков в магнетронных пушках с вторичноствующей высоковольтной техники [8]. Принцип дейэмиссионными катодами проводились на установке, схествия магнетронных инжекционных пушек с холодными ма которой приведена на рис. 1. Магнетронная пушвторично-эмиссионными катодами основан на обратной ка питалась от модулятора 1, формирующего импульс бомбардировке катода (коэффициент вторичной эмиссии напряжения с амплитудой 4... 200 kV, длительностью материала катода больше единицы) первичными элек 4 µs и частотой следования 10... 50 Hz. Импульс тронами, которые, двигаясь в спадающем электрическом отрицательной полярности (с выбросом на вершине и поле, увеличивают свою энергию (первичные электроны плоской ее частью) подавался на медный катод 5, а могут образовываться за счет автоэмиссии, эмиссии с анод 6 (из нержавеющей стали или меди) заземлен через диэлектрических вкраплений на поверхности катода или эмиссии с дополнительного термокатода [6,9]). При этом происходят процесс вторично-эмиссионного размножения с лавинным нарастанием плотности электронов;

образование электронного слоя вблизи катода; формирование и вывод электронного пучка из пушки. Процесс вторично-эмиссионного 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 Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с холодными... время между высоковольтными импульсами происходит загрязнение поверхности катода примесями, которые под действием электронной бамбардировки выходят в промежуток анод–катод, что может приводить к вакуумному пробою промежутка [9].

Во втором случае для создания постоянного магнитного поля значительной величины при пропускании тока через соленоид требуется большая мощность питания и водяное охлаждение. При этом величина магнитного поля ограничивается нагревом соленоида, а распределение магнитного поля вдоль оси соленоида имеет худшую однородность (рис. 2, кривая 2). Необходимо также учитывать пульсацию тока в соленоиде, что требует „привязки“ импульсов запуска модулятора к частоте Рис. 2. Распределение магнитного поля вдоль оси соленоида питающей сети.

и расположение пушки (A —анод, C —катод) и цилиндра Фарадея (FC). 1 — импульсное магнитное поле, 2 — постоянное магнитное поле.

Экспериментальные результаты и их обсуждение резистор R3. Запуск вторично-эмиссионного процесса 1) Получение мощных пучков в одиночпроисходил в спадающем электрическом поле, которое ных магнетронных пушках. Получение мощных создается спадом (длительностью 0.6 µs и крутизной пучков в одиночных магнетронных пушках возможно спада 50... 100 kV/µs) специально сформированного выпри значительных диаметрах катода. Это связано с тем, броса на вершине импульса катодного напряжения [4].

что увеличение тока пучка и, следовательно, мощности Магнитное поле создавалось соленоидом 4. Измерение в пучке обусловлено повышением напряжения между тока пучка производилось с помощью цилиндра Факатодом и анодом пушки, а увеличение напряжения радея 7 и резистора R4; напряжения на катоде — с ограничивается развитием пробоя между этими элекпомощью делителя R1R2; измерение анодного тока — тродами. При увеличении диаметра катода уменьшается с помощью резистора R3; размеров пучка — с помощью напряженность электрического поля на катоде и, следоотпечатка на рентгеновской пленке и на молибденовой вательно, вероятность пробоя, что позволяет использофольге, расположенных на цилиндре Фарадея. Магневать более высокие напряжения. Исследования проводитронная пушка размещалась в вакуумной камере 3 из лись с магнетронными пушками с диаметрами катодов нержавеющей стали, в которой поддерживалось разре40... 80 mm и диаметрами анодов 50... 140 mm, амплижение 10-6 Torr, и была изолирована от нее изолятотуда напряжения изменялась от 20 до 120 kV.

рами 2.

В одиночной магнетронной пушке с диаметром катоВ экспериментах по получению мощных электронных да 40 mm и анода диаметром 78 mm, длиной 100 mm пучков для генерации пучка и его транспортировки при амплитуде импульса напряжения 100 kV (здесь и нииспользовались два метода создания магнитных полей:

же указана амплитуда плоской части вершины) получен импульсный разряд конденсатора через соленоид [10] и режим устойчивой генерации пучка с током около 50 A, питание соленоида постоянным током [11]. На рис. что соответствовало микропервеансу 1.6 и мощности приведено распределение напряженности магнитного поля вдоль оси соленоида для этих двух случаев и по- в пучке 5 MW. Магнитное поле составляло в этом случае 1800 Oe. На рис. 3 приведена зависимость тока казано расположение магнетронной пушки и цилиндра Фарадея. пучка на цилиндре Фарадея от амплитуды импульса катодного напряжения. Как следует из рисунка, ток пучка В первом случае (рис. 2, кривая 1) могут быть подчиняется закону 3/2. При этом в процессе измерений получены высокая однородность поля вдоль оси каждому фиксировнному значению напряжения соответсоленоида (±5%) и значительная его величина ствовало оптимальное значение магнитного поля, при (до 5000... 6000 Oe). При это необходимо учитывать котором амплитуда тока пучка была максимальной. Иззатухание импульсного поля при его диффузии через мерения показали, что эта пушка надежно выдерживает стенки резонаторов и вакуумной камеры, что может изменять продольное распределение импульсного маг- напряжение 120 kV. что позволит получить мощность в нитного поля (см., например, [9,12]). Частота повторе- электронном пучке до 8 MW. В процессе исследований ния импульсов магнитного поля ограничена выбором измерялся ток электронов на анод. Величина анодного накопительной емкости и коммутатора. При работе тока составляла 1... 10% тока в пучке в зависимости от магнетронной пушки с низкой частотой посылок за условий эксперимента.

7 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 100 А.Н. Довбня, В.В. Закутин, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько, Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец и магнитном поле 1800 Oe. Это соответствовало мощности в пучке 4 MW и микропервеансу 12, что согласуется с приведенными выше результатами.

2) Получение многолучевых электронных пучков в системе магнетронных пуш е к. Другой путь увеличения мощности в пучке состоит в использовании системы, состоящей из нескольких магнетронных инжекционных пушек, включенных параллельно. При этом ток пучка, мощность, микропервеанс и размеры пучка каждой пушки невелики, но суммарный ток и мощность пучка системы имеют значительную величину.

При формировании стабильных электронных пучков с помощью системы параллельно включенных магнетронРис. 3. Зависимость тока пучка на цилиндре Фарадея от ных пушек с вторично-эмиссионными катодами могут амплитуды напряжения на катоде. Штриховая линия — расчет по закону 3/2. возникать трудности, подобные тем, какие возникают при параллельном включении коммутаторов. Это связано с тем, что при возникновении генерации пучка или пробое в одной из пушек амплитуда напряжения на Было проведено также исследование параметров пучкатодах других пушек снижается, что может приводить ка в зависимости от электрического и магнитного полей.

к отсутствию генерации или нестабильности пучка в При значениях амплитуды напряжения на катоде выше них. Оценки показывают, что в реальных системах или ниже оптимальной (при фиксированном магнитном уменьшение напряжения на катодах остальных пушек, поле) нарушаются условия вторично-эмиссионного разсвязанное с наличием паразитных индуктивностей и множения, что приводит к срыву вторично-эмиссионного емкостей, происходит за время, равное нескольким напроцесса. При формировании импульса напряжения с синосекундам. В работе [13] показано, что время форминусоидальной модуляцией его вершины на выходе пушки рования электронного слоя в магнетронных пушках с наблюдаются сгустки электронов, расположенные по вторично-эмиссионными катодами, а следовательно, и времени в тех местах, где синусоида имеет спад (привремя нарастания импульса тока пучка могут составлять нудительная модуляция [4]). Исследование зависимости 2ns (при запуске процесса вторично-эмиссионного разтока пучка от величины магнитного поля показало, множения наносекундным спадом импульса напряжения что при увеличении магнитного поля (при постоянной с крутизной спада более 300 kV/µs). Таким образом, амплитуде напряжения на катоде) амплитуда тока пучка возможно образование электронного слоя и генерация на цилиндре Фарадея имеет резкий рост, плоское плато пучка в системе пушек даже при пробое в одной и резкий спад. Такой характер зависимости связан с из них. Уменьшение амплитуды питающего импульса изменением траекторий и условиями набора энергии при генерации пучка при использовании для питания электронами в промежутке анод–катод при увеличении пушек модулятора с низким выходным сопротивлением магнитного поля. При изменении амплитуды магнитного составляет малую величину (в наших экспериментах поля импульс тока пучка изменялся. Так, при напряжеменее 20% при выходном сопротивлении модулятонии на катоде пушки 55 kV и магнитном поле 700 Oe ра 2000 ). Авторами показано, что генерация пучка импульс тока пучка приобретает пичковый характер с сохраняется (при фиксированном магнитном поле) при амплитудным значением тока 30 A и с длительностью изменении напряжения на катоде на 30%, что больше пичков 10... 30 ns. При увеличении магнитного поля указанной величины. Это говорит о том, что трудности, до 1200 Oe импульс тока электронного пучка имеет возникающие при генерации электронного пучка в сиплоскую вершину.

стеме магнетронных пушек, могут быть преодолены.

При исследовании магнетронной пушки с медным В системе магнетронных пушек возможно также сникатодом диаметром 40 mm и анодом из нержавеющей жение электрической прочности за счет увеличения обстали диаметром 50 mm и длиной 100 mm при нащей площади электродов (пробивное напряжение обратпряжении 30 kV и магнитном поле 2200 Oe получен ток но пропорционально S0,1, где S — площадь электродов).

пучка 50 A, что соответствовало микропервеансу В системе из большого числа пушек (8 и более) это снии импульсной мощности в пучке 1.5MW.

жение пробивного напряжения составляет 15-20%.

Следует отметить, что в работе [6] одиночная маг- Эксперименты показали, что в системе из 8 пушек с нетронная пушка, изготовленная из материалов BeCu диаметрами катодов 5 mm и анодов 22 mm пробивное (катод) и нержавеющей стали (анод), обычного (диаметр напряжение уменьшилось примерно на 30% (с 70 kV катода 50 mm, диаметр анода 60 mm) и обращенного до 50 kV) по сравнению с одиночной пушкой с такими типов (диаметр катода 54 mm, диаметр анода 43 mm) же диаметрами катода и анода. Следует отметить, что тагенерировала ток пучка 100 A при напряжении 40 kV кое снижение пробивного напряжения связано не только Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Получение мощных электронных пучков в магнетронных пушках с холодными... с указанным эффектом, но и с некоторой несимметрией Заключение пушки при сборке, вакуумными условиями и другими Таким образом, проведенные исследования показывафакторами.

ют возможность получения электронных пучков знаЭксперименты по получению мощных пучков провочительной мощности в магнетронных пушках с холоддились с системой, состоящей из 6 и 8 магнетронных ными вторично-эмиссионными катодами. Исследованы пушек. Катоды и аноды пушек были изготовлены из зависимости тока пучка от величины электрических и меди, длина пушки составляла 100 mm.

магнитных полей, рассмотрены вопросы генерации пучВ первом случае система генерировала 6 электронных ка и электрической прочности в системе магнетронных пучков, все пушки располагались на окружности диаметпушек.

ром 60 mm с диаметрами катода 5 mm и диаметрами анода 26 mm. При напряжении на катоде 40 kV и наСписок литературы пряженности магнитного поля 2000 Oe каждая пушка генерирует ток пучка 18 A с микропервеансом 2.5.

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

Суммарный ток пучка всей системы составлял 100 A [2] Черенщиков С.А. // Электронная техника. Сер. 1. 1973.

с мощностиью в пучке 4MW.

№6. С. 20–28.

Во втором случае система генерировала 8 пуч[3] Dovbnya A.N., Zakutin V.V., Zhiglo V.F. et al. // Proc. Fifth ков, пушки располагались на окружности диаметром Epac / Ed S. Myers, A. Pacheco, R. Pascual et al. Bristol, 70 mm и диаметрами катода 5 mm и диаметрами анода Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 1996. Vol. 2.

P. 1508–1509.

22 mm. При напряжении на катоде 30 kV и напряжен[4] Dovbnya A.N., Mitrochenko V.V., Zakutin V.V. et al. // Proc.

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.