WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 2 09;10;12 Генерация электронных пучков в магнетронном диоде с металлическим вторично-эмиссионным катодом © Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.В. Митроченко, В.П. Ромасько, Г.И. Чурюмов Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 61108 Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 24 августа 1999 г. В окончательной редакции 15 февраля 2000 г.) Экспериментально исследованы зависимости процессов формирования и генерации электронных пучков от величины электрического и магнитного полей, крутизны спада запускающего импульса, поперечных размеров электродов. Приведены результаты математического моделирования вторично-эмиссионного размножения электронного потока. Получены трубчатые электронные пучки с толщиной ”стенки” 1.5... 2 mmс плотностью тока 1... 70 A/cm2 и энергией частиц 5... 100 keV. Показана возможность формирования нескольких сгустков электронов в течение одного импульса напряжения.

Введение 5... 200 kV, длительность импульса 2... 10 µs; амплитуда запускающего импульса до 15 kV и длительность Проблема повышения импульсной и средней мощ- 70 ns; высоковольтный генератор 2 для запуска втоности многих СВЧ источников, увеличения их долго- ричной эмиссии (амплитуда до 3.5 kV и длительность вечности тесно связана с используемым типом като- 1... 10 ns); фокусирующий соленоид 4 с напряженнода [1–4]. Как известно, магнетронные диоды, в ко- стью магнитного поля до 3500 Oe и неоднородностью в торых используется ”холодный” вторично-эмиссионный продольном направлении 8%; вакуумную камеру 3 с металлический катод, характеризуются большим вре- вторично-эмиссионным диодом с центральным медным менем жизни 100 000 h [2] и высокой плотностью катодом 5 и трубчатым анодом из нержавеющей стали 6, 50 A/cm2 [4] эмиссии электронов, относительной про- длина электродов от 100 до 140 mm, давление в камере стотой конструкции и могут быть использованы для поддерживается магниторазрядным насосом на уровне этих целей. Несмотря на все эти преимущества, име- 10-6 Torr; систему индикации — датчиков тока и ется недостаточное количество как экспериментальных, напряжения, цилиндра Фарадея 7 с калориметрическим так и теоретических работ по объяснению некоторых измерителем мощности. Измерение энергии электроэффектов, связанных с генерацией пучка. Одним из нов производилось методом поглощения в алюминиевой слабо изученных вопросов является вопрос об услови- фольге, а измерение размеров пучка — с помощью ях и времени формирования пространственного заряда отпечатка на рентгеновской пленке и на молибденовой между катодом и анодом в скрещенных электрических фольге; систему синхронизации. Исследование парамеи магнитных полях [5]. Это требует проведения как тров электронного пучка, формируемого магнетронным теоретических, так и экспериментальных исследований диодом, питаемом от импульсного модулятора, произвофизических процессов, протекающих в магнетронных дилось при частоте следования импульсов 10... 50 Hz.

диодах при магнитном поле H больше поля отсечки В экспериментах запуск вторичной эмиссии осуще-2 ствлялся как внешним импульсом напряжения, подаваХэлла HHull = 6.72(U)1/2 ra(1 - rk/ra), где H — продольное магнитное поле (Oe), U —напряжение на диоде (V ), rk и ra — соответственно радиусы катода и анода (cm). Настоящая работа посвящена исследованию процессов образования и формирования электронного слоя вблизи вторично-эмиссионного металлического катода и получения прямолинейных электронных пучков в магнетронном диоде.

Экспериментальная установка и методики исследований Экспериментальные исследования параметров пучков, генерируемых магнетронными диодами, проводились на установке, содержащей (рис. 1) высоковольтный импульсный модулятор 1 (амплитуда напряжения Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Генерация электронных пучков в магнетронном диоде с металлическим... генерация пучка. Следует отметить, что в зависимости от напряженности электрического поля E изменяется длительность фазы медленного спада. В эксперименте (rk = 0.25 cm, ra = 1.3cm) при уменьшении электрического поля от 120 до 40 kV/cm длительность фазы медленного спада увеличивалась от 250 до 600 ns.

Во время медленной фазы происходит автоэлектронная эмиссия и электроны, двигаясь в спадающем электрическом и постоянном магнитном полях по циклоидальным траекториям, набирают энергию и бомбардируют катод. При уменьшении электрического поля на катоде наступает момент, когда энергия электронов становится достаточной для выбивания вторичных электронов с коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы.

Это может быть как для нормального угла падения электронов с энергией 0.3... 1 keV, так и для наклонного падения электронов с более низкой энергией. В этот момент наступает вторая фаза спада напряжения — фаза быстрого спада, при которой происходит лавинообразное увеличение числа электронов, как бомбардирующих, так и выбиваемых. При этом за счет резкого увеличения числа электронов происходит ”подсадка” напряжения, Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения на катоде: 1 — что в свою очередь увеличивает крутизну спада напряхолостой ход модулятора, 2 — режим генерации пучка и тока жения и, как следствие, приводит к увеличению энерпучка с цилиндра Фарадея (3).

гии электронов, бомбардирующих катод до значений, больших энергии, при которой > 1. При этом число электронов возле катода еще больше увеличивается, емым на анод от отдельных импульсных источников пока не достигнет некоторого критического значения, (U = 1... 15 kV, спада 2... 100 ns), так и спадом при котором наступает динамическое равновесие, заспециально сформированного выброса в начальной части канчивается формирование электронного слоя вблизи импульса напряжения на катоде (автозапуск), амплитуда катода и устанавливается стационарная стадия вторичнокоторого изменялась от 10 до 100 kV, а длительность электронного размножения и начинается герерация пучспада составляла 1 µs (рис. 2).

ка. В экспериментах обнаружено, что генерация пучка происходит при величине дрейфовой скорости электронов v = E/H = 0.1... 0.2 s в зависимости от условий Экспериментальные результаты эксперимента.

и их обсуждение Эксперименты показали, что длительность быстрой фазы и, следовательно, время нарастания тока пучка 1) Формирование электронного пучка.

определяется диаметрами катода и анода, а также веИсследование процессов формирования электронного личиной крутизны спада напряжения и длительностью пучка производилось с магнетронными диодами с разспада. Например, при диаметре катода более 0.2 cm и личным аспектным соотношением ra/rk (1.2... 15).

анода более 2.2 cm при длительности спада 0.1... 0.5 µs На рис. 2 приведены типичные осциллограммы импульи крутизне спада более 20 kV/µs происходит генерация сов напряжения на катоде, и тока пучка с цилиндра Фаимпульса тока пучка с временем нарастания более 10 ns.

радея, полученного в магнетронной пушке (ra = 1.3 cm, Эксперименты, выполненные с магнетронными диодами rk = 0.25 cm) при запуске вторичной эмиссии спадом с диаметром катода 0.2 cm и анода 1.0 cm, показали, что выброса на импульсе катодного напряжения. Из осцилформировние тока пучка происходит за более короткое лограмм видно, что на спаде выброса происходит формивремя 1... 10 ns, которое равно длительности спада.

рование электронного слоя и генерация пучка. Процесс Крутизна спада при этом составляет 1200... 300 kV/µs.

возникновения тока пучка на спаде напряжения характеПри таком быстром спаде напряжения число первичризуется двумя временными фазами: фазой относительно ных автоэлектронов невелико, однако за счет большой медленного (сотни ns) спада напряжения, при которой крутизны спада импульса напряжения они за небольшое происходит автоэмиссия и накопление автоэлектронов число гиропериодов (10... 20) приобретают достаточно в промежутке анод–катод (соответствующей холостому ходу модулятора — кривая 1) и фазой быстрого спада на- большую энергию, при которой >1.

пряжения (единицы и десятки ns — кривая 2), во время Коллективное движение электронов в процессе их разкоторой происходит формирование электронного слоя и множения может являться причиной развития колебаний 7 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 100 Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.В. Митроченко...

пространственного заряда при достижении им определенной минимальной плотности на стационарной стадии, когда электронный слой начинает экранировать катод, вызывая провисание потенциала в промежутке анод– катод и уменьшение электрического поля на катоде.

Взаимодействие электронов с полями, возникающими при колебаниях пространственного заряда, приводят к изменению их энергии. Этот процесс характеризуется шумами, наблюдаемыми на импульсе тока пучка. В экспериментах обнаружено, что при большом диаметре катода (80 mm), т. е. при малой напряженности электрического поля, шумы значительно сильнее, чем при большой напряженности поля. Амплитуда шумов достигала 20% Рис. 3. Зависимость тока пучка от диаметра катода.

от амплитуды тока пучка, при этом период шумовых колебаний составлял единицы наносекунд.

2) Зависимость тока генерации пучка для классических магнетронов [6]. Из рис. 3 видно, что от геометрических размеров диода. Были с увеличением межэлектродного промежутка анод–катод изучены параметры электронных пучков в зависимости ток пучка уменьшается, но при этом проявляется полоот геометрических размеров диода в пределах изменения жительное свойство диода, позволяющее работать при диаметра катода d от 2 до 80 mm, диаметра анода D значительно меньших напряженностях магнитного поля от 10 до 140 mm. В таблице приведены значения тока ( 1000 Oe), не требующих подстройки магнитного поля пучка I на цилиндре Фарадея, напряжения на катоде U, при прогреве катушек магнитной системы. Кроме того, напряженности магнитного поля H при различных диаэто дает возможность конструирования магнетронного метрах анода и катода для 8 модификаций магнетронных диода с заданными параметрами: током, напряженностью диодов. В экспериментах напряженность электрического магнитного поля, геометрическими размерами.

поля на катоде (при постоянной амплитуде импульса 3) Влияние электрического и магнитнонапряжения) изменялась от 20 до 125 kV/cm. Исследого полей на формирование электронного вания показали, что ток пучка подчиняется ”закону 3/2”, п у ч к а. Проведено исследование влияния величины магпри этом в процессе измерений каждому фиксированнитного поля на генерацию пучка при постоянной амплиному значению напряжения соответствовало оптимальтуде напряжения на катоде. Показано, что при увеличеное значение магнитного поля, при котором амплитуда нии величины магнитного поля зависимость амплитуды тока пучка была максимальной. Получены электронные тока пучка на цилиндре Фарадея имеет резкий рост, пучки с различными значениями тока и энергии частиц плоское плато и резкий спад. Такой характер зависи(1... 50 A, 5... 100 keV).

мости связан с изменением траекторий и условиями В начальный момент генерации пучка на плато имнабора энергии электронами в промежутке анод–катод пульса тока пучка наблюдались короткие ( 1 µs) выпри увеличении магнитного поля. При больших межэлекбросы, обусловленные десорбцией газа с катода и его тродных промежутках эта зависимость становится более ионизацией [4]. После тренировки диода амплитуда и плавной, что позволяло регулировать ток пучка в широформа импульса тока пучка не изменялись.

ких пределах. В таблице приведены экспериментальные На рис. 3 показан ток пучка как функция диаметра данные для магнетронного диода (диаметр анода 50 mm катода. Результаты получены при напряжении 24 kV для напряжение 60 kV), показывающие, что при изменении межэлектродного зазора 5 и 20 mm (кривые 1 и магнитного поля от 1100 до 2000 Oe можно регулировать соответственно). Анализ этих зависимостей дает возток от 0.5 до 10 A.

можность утверждать, что ток пучка возрастает обратно Исследован диапазон работы диода при заданном знапропорционально логарифму отношения диаметров аночении магнитного поля в зависимости от амплитуды нада к катоду, что согласуется с зависимостью полученной пряжения на катоде. Показано, что при постоянном магнитном поле формирование электронного пучка сохраняd, mm D, mm U, kV I, A H, Oe ется при изменении амплитуды напряжения на 20% от оптимального значения. При приближении напряжения 2 10 7 1.6 на катоде к границе U сверху и снизу нарушаются 5 26 32 14 условия генерации пучка, поэтому внутриимпульсная 5 50 60 1 нестабильность импульса напряжения приводит к срыву 5 50 60 10 вторично-эмиссионного процесса (рис. 4).

16 50 17 5 Использование этого эффекта в наших экспериментах 40 50 30 50 40 78 100 50 1800 при работе с магнетронным диодом с диаметром анода 80 100 19 8 78 mm и диаметром катода 40 mm позволило достичь Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Генерация электронных пучков в магнетронном диоде с металлическим... 1–2 mm. Это соответствовало энергиям электронов в электронном слое 0.5-1 keV, что примерно соответствует максимуму коэффициента вторичной эмиссии для меди. Для магнетронного диода с катодом диаметром 80 mm обнаружено, что при нахождении катода в поперечном направлении (около 5%) в неоднородном магнитном поле, след пучка имел область с четким отпечатком толщиной около 2 mm и область с размытым широким отпечатком толщиной 3... 4 mm. Это размытие связано с указанной неоднородностью магнитного поля.

Рис. 4. Осциллограмма напряжения U на катоде и тока пучка I.

Диаметр катода 5 mm, диаметр анода 26 mm, H = 1800 Oe.

Теоретическое исследование процесса размножения электронного потока С целью выяснения особенностей физических процессов, имеющих место в магнетронном диоде, было проведено теоретическое моделирование развития вторичноэмиссионных процессов и стационарной стадии работы вторично-эмиссионного катода. Для анализа стационарной стадии используется трехмерная математическая модель диода, основу которой составляют самосогласованная система дифференциальных уравнений движения (для электронного потока) и уравнение Пуассона (для расчета сил пространственного заряда).

Расчеты проводились для магнетронного диода со следующими параметрами: диаметр катода 5 mm, диаметр Рис. 5. Осциллограмма тока пучка I инапряженияU на катоде.

анода 26 mm, анодное напряжение: пиковое значение H = 700 Oe.

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.