WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

(0 < t < t1) 75 kV, на ”полочке” импульса (t2 < t < t3) 35 kV, длительность спада (t1 < t < t2) 1.25 µs, длительность плоской части 60 µs, напряженность магнитного полной амплитудной модуляции тока пучка с часто- поля 2000 Oe, длина катода 90 mm. На анод подается той 1 MHz (рис. 5). Это достигалось путем формиро- импульс анодного напряжения, форма которого после вания вершины импульса напряжения с синусоидальной линейной аппроксимации представлена на рис. 6. В качемодуляцией и получением на выходе диода сгустков стве рабочего значения анодного напряжения выбираетэлектронов, расположенных по времени в тех местах, ся его значение на участке t2 < t < t3. Для исследования где синусоида имеет спад. Полной модуляции тока с динамики процессов формирования электронного потока частотой 1 MHz также удалось достичь в экспери- используется метод крупных частиц [7].

ментах с магнетронным диодом аналогичных размеров Электронные процессы в магнетронном диоде облапутем подбора распределения магнитного поля вдоль его дают особенностью, связанной, с одной стороны, с оси. Изменяя амплитуду и продольное распределение их нестационарностью (процесс вторично-эмиссионного магнитного поля, можно было создавать условия много- размножения протекает на спаде выброса на импульпичкового характера генерации электронного пучка. Так, при напряжении на катоде диода 55 kV и при напряженности магнитного поля 1150 Oe был получен импульс электронного пучка амплитудой 15 A и длительностью 8 µs (диаметр катода 40 mm, диаметр анода 78 mm).

При уменьшении магнитного поля до 700 Oe импульс тока пучка приобретает пичковый характер с периодом генерации 1 µs и амплитудным значением тока 30 A (с длительностью пичков 10... 30 наносекунд).

Производилось измерение размеров пучка на коллекторе. Измерения показали, что пучки в поперечном сечении имеют вид колец с равномерным распределением интенсивности по азимуту. Диаметр пучка примерно равен диаметру катода, а ”толщина” стенки пучка составляет Рис. 6. Форма импульса анодного напряжения.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 102 Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.В. Митроченко...

се анодного напряжения, участок (t1 t t2)), а с другой — с необходимостью исследования пространственного распределения электронного потока в трехмерной цилиндрической системе координат (r,, z).

Основу математической модели магнетронного диода составляет самосогласованная система уравнений движения (для электронного потока) vr r = E0(t) +rv2 - crv, t (r) 1 vrv vr = E0 (t) - 2 + c, t r2 r r Рис. 7. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии vz z r от энергии частиц (1) и зависимость количества первичных = E0(t), = vr, t t электронов Nk от энергии частиц при Ua/Ucr = 0.7 (2).

z =, = vz, (1) t t где vr,,z — составляющие скорости электронов;

c = B0 — циклотронная частота; = e/m — приведенный заряд электрона, и уравнение Пуассона (для расчета поля пространственного заряда(ПЗ)) 1 U 1 2U 2U r + + = -, (2) r r r r2 2 z2 где = (r,, z) — объемная плотность ПЗ.

Решение исходной системы уравнения (1) и (2) проводится в квазистационарном приближении при постоянном значении анодного напряжения в пределах шага интегрирования уравнения движения, начиная с момента времени t = t1. Шаг решения выбирался равным T =(1/10)Tc, где Tc = 2/c — период циклотронных колебаний. Решение уравнения движения проводилось Рис. 8. Ua/Ucr = 0.7 (1), 0.5 (2), 0.3 (3).

численно методом Рунге–Кутта 4-го порядка. В качестве модели исходных значений для координат и скоростей частиц в пространстве взаимодействия магнетронного более 60% от общего количества макрочастиц, бомдиода в начальный момент времени выбирается модель бардирующих катод. Наличие малоэнергетичных частиц ”спокойного старта” [8].

влияет на рспределение поля ПЗ в непосредственной Решение уравнения Пуассона (2) проводится конечноблизости от поверхности катода (на уровне, соответразностным методом Хокни с применением быстрого преобразования Фурье [9,10] при соответствующих на- ствующему размеру элементарной ячейки выбранной чальных и граничных условиях. Для определения на- сетки разбиения r = (ra - rk)/32), а их изменение влияет на установления режима токоотбора с катода пряженности электростатического поля E0 = - gradU (режим ограничения эмиссии полем ПЗ). Количество применяется численное дифференцирование значений потенциала ПЗ в узлах конечно-разностной сетки разбие- макрочастиц с энергией, превышающей энергию первого критического потенциала, при котором выполняется ния. Для уменьшения нежелательных ”вычислительных” условие > 1, зависит от приложенного напряжения флуктуаций поля ПЗ применяется метод локального и с ростом последнего смещается в область больших сглаживания дискретно заданных значений потенциала энергий. Здесь необходимо отметить, что для нормиПЗ (метод наименьших квадратов).

Результаты моделирования представлены на следую- ровки напряжения используется значение критического щих рисунках. На рис. 7 показаны энергетическое распре- потенциала, определяемого согласно формуле для поля отсечки Хелла и равного для случая исследуемого магделение первичных электронов (”крупных” частиц или макрочастиц, заряд которых равен q = 0.8 · 10-13 C) нетронного диода 139 kV.

и теоретическая аппроксимация экспериментальной за- На рис. 8 представлены теоретические зависимости висимости коэффициента вторичной эмиссии меди от радиального распределения плотности ПЗ в пространэнергии первичных электронов [11]. Как видно, количе- стве взаимодействия диода, а также экспериментальная ство малоэнергетичных макрочастиц, т. е. частиц с энер- кривая распределения интенсивности пучка по радигией, соответствующей условию, что 1, составляет усу на поверхности коллектора. Как показывает анализ Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Генерация электронных пучков в магнетронном диоде с металлическим... Рис. 9. График зависимости количества электронов в слое от времени при E = 300 eV.

Рис. 10. То же, что на рис. 9, при E = 700 eV.

представленных зависимостей, максимальные значения катод, который через несколько наносекунд выключалплотности ПЗ в каждом из трех случаев равны: слу- ся, и изучался процесс размножения электронов. При чай 1 — /br = 0.19, случай 2 — /br = 0.16 увеличении энергии первичных электронов до 700 eV и случай 3 — /br = 0.1, где br — бриллюэнов- через время > 30 ns в пространственном заряде развиваская плотность ПЗ. Случай 3, когда U/Ucr 0.3, ются нерегулярные возмущения плотности электронов теоретическая и экспериментальная зависимости распре- (рис. 10), в то время как при энергии 300 eV эти деления плотности ПЗ удовлетворительно согласуются возмущения незначительны (рис. 9). Эти результаты между собой. Наличие электронов в приосевой обла- находятся в качественном согласии с результатами расти обусловелено циклоидальным характером движения боты [5]. Приведенные результаты показывают, что в электронов. качестве материала катода необходимо использовать маПроведено численное моделирование эмиссии вторич- териал, у которого коэффициент вторичной эмиссии доных электронов с поверхности катода на стационарной стигает максимального значения при энергии падающих стадии напряжения (t2 t t3) под действием бом- электронов 500 eV. На рис. 11 приведена временная бардировки первичными электронами с энергиями 300, зависимость потенциала в средней точке промежутка 560, 700 eV. При расчетах напряжение на ”полочке” анод–катод. Видно, что термоэлектроны в начальный U = 40 kV, магнитное поле H = 2000 Oe. В качестве момент времени понижают потенциал в этой точке.

источника первычных электронов использовался термо- После выключения термоэмиссии сначала происходит Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 104 Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.В. Митроченко...

[4] Dovbnya A.N., Zakutin V.V. et al. // Proc. 5th EPAC / Ed.

S. Myers, A. Pacheco, R. Pascual et al. Institute of Physics Publishing (Bristol and Philadelphia), 1996. Vol. 2. P. 1508– 1509.

[5] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 1997. Вып. 2, 3 (29, 30). С. 137–139.

[6] Соминский Г.Г., Терехин Д.К., Фридрихов С.А. // ЖТФ.

1964. Т. 34. Вып. 9. С. 1666–1676.

[7] Хокин Р., Иствуд Д. Численное моделирование методом частиц. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 600 с.

[8] Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. М.:

Атомиздат, 1979. 224 с.

Рис. 11. Зависимость потенциала в средней точке промежутка [9] Hockney R.W. // J. ACM. 1965. Vol. 12. N 1. P. 95–113.

анод–катод от времени.

[10] Cooly J.W., Takey J.W. // Math. Comput. 1965. N 19. P. 161– 175.

[11] Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969. 408 с.

рассасывание накопленных электронов, что несколько повышает потенциал, а затем за время 10... 15 ns — спад потенциала, что связано с окончанием переходных процессов и формированием пространственного заряда, поддерживаемого вторично-эмиссионными процессами.

Проведенные расчеты удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов по получению электронных пучков в магнетронном диоде.

Заключение Проведенные исследования показывают возможность получения прямолинейных электронных пучков с высокой плотностью тока в магнетронных диодах с вторичноэмиссионными металлическими катодами. Получены трубчатые электронные пучки с плотностью тока до 50... 70 A/cm2, с наружным диаметром от 3.5 до 84 mm с толщиной ”стенки” 1.5... 2 mm и энергией частиц от 5 до 60 keV при длительности импульса 10 µs. Экспериментально показана возможность генерации цуга импульсов тока пучка в одном импульсе напряжения.

Показана возможность регулировки тока в 10... 20 раз с помощью изменения магнитного поля. Теоретически исследованы процессы размножения электронов и стационарная стадия вторично-эмиссионных процессов. Результаты проведенных исследований показывают, что магнетронные диоды могут быть использованы в качестве источников электронов при создании мощных СВЧ приборов, в ускорителях заряженных частиц и в качестве быстродействующих высоковольтных коммутаторов наносекундного диапазона.

Список литературы [1] Ломакин В.М., Панченко Л.В. // Электронная техника.

Сер. 1. 1970. № 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.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.