WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 8 01;10 Влияние электроннооптических факторов на коэффициент вывода пучка широкоапертурных ускорителей электронов © М.А. Аброян, Ю.В. Зуев, С.Л. Косогоров, В.Я. Шведюк Федеральное государственное унитарное предприятие „Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова“ 196641 Санкт-Петербург, Россия e-mail: glukhikh@niiefa.spb.su (Поступило в Редакцию 6 ноября 2002 г.) Представлена численно-аналитическая модель электронно-оптической системы широкоапертурного ускорителя. В рамках модели проводится анализ различных электронно-оптических факторов, влияющих на коэффициент вывода пучка. Для определения путей повышения коэффициента вывода рассчитаны пространственные и угловые характеристики пучка в различных его сечениях. Впервые детально исследовано влияние магнитного поля тока накала катодов.

Введение пучка. Сетки выполнены в виде стержней, параллельных нитям катода. Диаметр и шаг расстановки стрежней экранирующей сетки выбирается с учетом электричеШирокоапертурные ускорители электронов, имеюской прочности. Анод ускорителя одновременно являщие площадь сечения пучка на выходе из ускоритеется устройством вывода пучка. Он состоит из опорля порядка 102-104 cm2, находят большое применение ной решетки с установленной на ней фольгой, сквозь в радиационно-технологических процессах, а также в которую и происхоит вывод электронов из вакуумного качестве устройств ионизации газовых лазеров [1] и объема ускорителя в среду с атмосферным или иным плазмохимических реакторов. Эффективность этих ускодавлением.

рителей определяется отношением выведенного тока к Потери тока в отверстиях опорной решетки опреускоренному, т. е. коэффициентом вывода пучка. Для улучшения характеристик ускоренного пучка и повыше- деляются ее конструкцией и угловой расходимостью пучка. Эффективный вывод электронов требует орния коэффициента вывода была предложена планарная тогонализации электронных траекторий относительно электронно-оптическая система (ЭОС) с дискретными плоскости опорной решетки и фольги. Это требование протяженными катодами и сетками в виде стержней, параллельных катодам [2]. Такая система была примене- находится в определенном противоречии с дискретным характером системы, необходимостью взаимного на, например, в устройстве ионизации технологического наложения элементарных пучков, желанием максимальCO2 лазера с несамостоятельным разрядом [3]. Настояно использовать эмиссионную поверхность катода [3], щая работа содержит ряд рекомендаций по увеличению т. е. задача минимизации потерь является многокриэффективности ЭОС широкоапертурных ускорителей териальной и требует всестороннего анализа большоэлектронов.

го числа факторов с помощью моделей различного В оптических системах типа [2,3] формирование пучка уровня.

большого сечения с однородным распределением плотности тока предполагает суперпозицию элементарных пучков, которые эмиттируются отдельными катодными нитями и, перемешиваясь, создают общий поток электронов с характерным разбросом по поперечным скоростям. На рис. 1 схематически показана такая ЭОС с указанием системы координат, а также расчетные траектории электронов от одного эмиттера. Образующие катод прямонакальные эмиттеры располагаются в одной плоскости, их включение обеспечивает встречное протекание тока накала в двух соседних эмиттерах. Катод работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Потенциал катода имеет отражающий экран (спредер). Регулировка тока осуществляется потенциалом первой (управляющей) сетки. Вторая сетка экранирует прикатодную область от сильного ускоряющего Рис. 1. Схема ЭОС и расчетные тректории от одной катодной поля анода, в котором происходит основное ускорение нити (ось z перпендикулярна плоскости чертежа).

Влияние электроннооптических факторов на коэффициент вывода пучка широкоапертурных... Аналитическая модель, между спредером и анодом [4,5] связывающая расходимость пучка U(x, y) =A + Bx с параметрами ЭОС NC 2(x - xi) 2v Основные функциональные зависимости, связываю- + qi ln 2 cosh - 2cos, pi pi щие угловую расходимость электронов с электрически- i=ми и геометрическими параметрами системы, можно E = - gradU. (1) получить, если характеризовать влияние каждой сетки фокусным расстоянием f эквивалентной тонкой линЗдесь pi, xi, qi — шаг, пространственное положение зы [4,5] и заряд i-й сетки. Количество сеток NC и параметры A, B, xi, qi определялись из условия максимального f = 2Ud/(E2 - E1), подобия соответствующих эквипотенциалей профилю где Ud — действующий потенциал в плоскости сетки, реальных металлических поверхностей.

E2, E1 — напряженности электрических полей по обе ее Магнитное поле, индуцируемое током накала катода, стороны.

рассчитывалось в квазистатическом приближении через Максимальное изменение угла наклона траекторий векторный магнитный потенциал A из условия в зазоре между стержнями сетки B = rot A, div A = 0.

(tg )max =(p - d)/2 f, В плоскопараллельных полях вектор A имеет единственную составляющую Az (x, y), которая удовлетворягде p, d — шаг расстановки и диаметр стержней.

ет уравнению Пуассона [6], Очевидно, что влияние сетки на угловую расходимость снижается при выравнивании напряженности по2Az 2Az + = -µ0 jz (x, y), (2) лей E2 и E1, а также при уменьшении шага расстановки x2 yстержней p.

При исследуемых режимах и геометрии ЭОС уско- где jz — плотность тока накала.

рителя основной вклад в угловую расходимость (бо- Решение уравнения (2) с учетом трансляционной симметрии (эквидистантное расположение нитей катода лее 75%) вносит экранирующая сетка из-за большого и противоположное направление тока в соседних нитях) скачка напряженности поля. Примерно 20% с учетом последующего ускорения дает катод. Оставшиеся ме- может быть получено аналогично решению задачи о бесконечно длинном заряженном стержне, находящемнее 5% приходятся на управляющую сетку.

ся между параллельными металлическими пластинаПриведенные аналитические зависимости дают общую ми [5,7], информацию о влиянии отдельных факторов на угловую расходимость потока электронов, но не позволяют полу (x-x0) y cosh + cos чить данные о пространственном распределении тока по p p Az (x, y) =A0 ln, (x-x0) y сечению, необходимые при разработке широкоапертурcosh - cos p p ного ускорителя. Достоверные количественные оценки, учитывающие потери тока на сетках, реальную геометAz Az Bx =, By = -. (3) рию опорной решетки, форму и свойства эмиссионных y x поверхностей, требуют детального траекторного анализа Здесь p — расстояние между нитями катода, x0 —полосистемы в целом.

жение центральной нити. Постоянная интегрирования Aнаходится из условия Расчет электрического и магнитного Bdl = µ0I, полей l Если пренебречь эффектами нарушения трансляционl — произвольный контур, охватывающий нить катода с ной симметрии на краях, электрические и магнитные током I.

поля ЭОС можно рассматривать в планарном приближении.

Пространственное и угловое Для того чтобы с минимальной погрешностью рассчираспределение электронов в пучке тать сильно неоднородные поля вблизи проволок малого диаметра, электрическое поле в области, занимаемой Траектории частиц находились интегрированием уровпучком, моделировалось суперпозицией полей, созданений Ньютона–Лоренца в полях (1), (3). Так как реляваемых сетками из бесконечно тонких параллельных -1/равноотстоящих нитей, помещенных в однородное поле тивистский фактор массы = 1 - (2 + 2 + )/c7 Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 100 М.А. Аброян, Ю.В. Зуев, С.Л. Косогоров, В.Я. Шведюк в процессе ускорения частиц достигает величины по- Режимы работы ускорителя и коэффициент токопрохождения сеток рядка 1.4, использовалась следующая форма этих уравнений:

Потенциалы Мгновенное значение тока накала, Fx = e(Ex - By), = Fx - c на электродах 0A 11 A m = Fy -, Fy = e(Ey + Bx), Uk, V Uc1, V Uc2, V Ua, kV Kc1, % Kc2, % Kc1, % Kc2, % m0 c z = Fz - 0 600 1500 160 94.88 74.68 94.44 78., Fz = e(By - Bx), m0 c 0 600 1500 200 94.88 75.52 94.56 79.0 800 1500 200 94.52 78.80 94.24 72. 0 800 3000 200 95.08 77.36 94.88 80. = Fx + Fy + Fz. (4) c c c Предполагалось, что в начальный момент времени все частицы равномерно расположены на поверхности анода позже. Абсолютное значение z -составляющей скокатодной нити в сечении z = 0, но каждая частица в рости для всех частиц у опорной решетки практически зависимости от напряженности электрического поля в одинаковое. Ее асимптотическое значение точке старта Ej переносит определенную долю тока I /I, уносимого всеми Np частицами с единицы длины j p |Az (x0, y0)|c | | = нити dx, Ua + m0c2/e exp(4.39 Ej/T ) I j =, Np может быть найдено из интегралов движения (5).

I p exp(4.39 Ej/T ) Данные о потерях пучка на сетках в зависимости j=от ускоряющего напряжения Ua потенциалов на управляющей и экранирующей сетке Uc1 и Uc2 сведены в T — температура катода, равная 1950 K; Ej в V/cm [4].

таблицу. Коэффициенты токопрохождения сеток Kc1, KcСистема динамических уравнений (4) интегрироварассчитывались через отношение тока частиц, прошедлась численно методом Рунге–Кутта 4-го порядка с ших сквозь сетку, к току частиц, испускаемых катодом.

автоматическим выбором шага. Для контроля точности Фазовые портреты, полученные с учетом эмиссии расчетов использовались интегралы движения всех нитей, и соответствующие распределения тока I(y) по сечению элементарной ячейки ЭОС, равной шагу m0c2 = m0c2 - e U(x, y) - U(x0, y0), расстановки эмиттеров, приведены на рис. 4 и 5. Проек m0 = -e Az (x, y) - Az (x0, y0), (5) ции траекторий частиц, эмиттируемых тремя соседними нитями в максимуме накального тока, даны на рис. 6.

относительные отклонения от которых не превышали 0.1%. Здесь U(x0, y0), Az (x0, y0) — электростатический Обсуждение результатов численного и векторный потенциалы в точке старта, одинаковые для расчета пространственного и углового всех частиц одного эмиттера, так как x2 + y2 = r2, а 0 0 k rk — радиус поперечного сечения катодных нитей [6].

распределения электронов в пучке Поскольку время движения частиц от катода до анода существенно меньше периода изменения накального Из результатов траекторного анализа следует, что шитока, эффекты, связанные с изменением магнитного поля рина элементарного пучка вдоль оси y вблизи опорной во времени, не учитывались. решетки (x = 185 mm) составляет 120 mm и в четыре На рис. 2 представлена эволюция фазового портрета раза превышает расстояние между эмиттерами (рис. 2).

частиц, испускаемых одним эмиттером, т. е. элементар- Углы подлета частиц к решетке в плоскости x-y ного пучка в плоскости y - y по мере прохождения достигают 4.5 - 5. Они уменьшаются при увеличении частицами ЭОС. Хорошо заметны эффекты „нарезки“ потенциала Uc2 из-за снижения скачка напряженности пучка и фокусировки частиц стержнями сеток, располо- на экранирующей сетке (ср. рис. 4, a и 4, b). Прохождеженными в плоскости x = 45 и 65 mm. Влияние магнит- нию частиц экранирующей сетки соответствует „излом“ ного поля на вид фазовых характеристик в плоскости тректорий на рис. 6.

y - y незначительно. Аналогичные характеристики в Под действием магнитного поля электроны, испускаеплоскостях y - z и y - z приведены на рис. 3. При мые соседними эмиттерами, отклоняются вдоль нитей в нулевом магнитном поле направленное движение частиц противоположных направлениях (рис. 6). Максимальный вдоль катодных нитей отсутствует. В остальных случаях снос частиц вдоль оси z может достигать 20 mm при наблюдается снос частиц вдоль оси z, который коррели- угле подлета приблизительно в полградуса (рис. 3). Изрует с величиной и направлением накального тока. Мак- за взаимного перекрытия элементарных пучков размеры симальный снос испытывают частицы, эмиттируемые с поперечного сечения пучка, выводимого из ускорителя, тыльной стороны катодной нити (рис. 6) и достигающие пульсируют с удвоенной частотой накального тока.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние электроннооптических факторов на коэффициент вывода пучка широкоапертурных... Рис. 2. Изменение фазового портрета частиц на плоскости y-y при нулевой и максимальной интенсивности магнитного поля.

Портреты даны для частиц, эмиттируемых одной нитью катода в сечениях X = {15.5, 44.8, 45.2, 63.5, 66.5, 185 mm}.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 102 М.А. Аброян, Ю.В. Зуев, С.Л. Косогоров, В.Я. Шведюк Рис. 3. Пространственные и фазовые портреты частиц от одной нити катода при нулевой (центральная группа точек) и максимальной интенсивности магнитного поля (верхняя и нижняя группы в зависимости от направления тока в нити). Портреты даны для сечений X = {15.5, 63.5, 185 mm}. (A) —плоскость y-z ; (B) —плоскость y-z.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние электроннооптических факторов на коэффициент вывода пучка широкоапертурных... Рис. 4. Фазовые и пространственные распределения частиц у опорной решетки в пределах элементарной ячейки (катод в точке Y = 0) при нулевой интенсивности магнитного поля и различных потенциалах экранирующей сетки.

Рис. 5. То же, что на рис. 4, при максимальной интенсивности магнитного поля.

С мгновенным значением магнитного поля оказыва- с уплотнением частиц на периферии элементарного пучется связанным пространственное распределение тока ка (рис. 1). Результирующее распределение плотности по сечению. Геометрия рассмотренной ЭОС неизбежно наиболее однородно в тех случаях, когда края элеменприводит к образованию каустик–перехлеста траекторий тарных пучков перехватываются второй сеткой (рис. 5).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 104 М.А. Аброян, Ю.В. Зуев, С.Л. Косогоров, В.Я. Шведюк Рис. 6. Проекции траекторий частиц при максимальной интенсивности магнитного поля.

Если этого не происходит, эффективность ускорителя Для оптимизации влияния магнитного поля тока выше (см. таблицу), но распределение плотности будет накала необходима синхронизация момента включения содержать аномальные уплотнения (рис. 4, a), образо- импульса ускоряющего напряжения с фазой синусоиды питания накала.

ванные периферийными частицами, прошедшими в непоНекоторого снижения углового разброса вдоль оси y средственной близости от стержней сетки и имеющими можно добиться за счет уменьшения шага стержней вследствие этого наибольшую угловую расходимость.

управляющей сетки или катода. Влияние экранирующей сетки минимизировать сложнее. Ее геометрия определяет электическую прочность ускоряющего зазора ускоЗаключение рителя, а потенциал сетки не может быть существенно увеличен для снижения скачка напряженности из-за Предложенный в работе численно-аналитический мероста тепловых потерь, обусловленных токоперехватом.

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.