WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 10 10;11,12 Быстрое формирование электронного пучка в магнетронной пушке с вторично-эмиссионным металлическим катодом © 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 (Поступило в Редакцию 26 февраля 2001 г. В окончательной редакции 13 марта 2002 г.) Проведено исследование начальной стадии формирования электронного слоя и генерации электронного пучка в магнетронных пушках при запуске вторично-эмиссионного процесса наносекундными импульсами.

В пушках с малыми поперечными размерами получены трубчатые пучки электронов с наружным диаметром 4... 6mm и током 1... 2 A при напряжении на катоде 5... 10 kV. Полученные результаты показывают возможность формирования электронного облака и генерации фронта импульса тока пучка за время 2ns.

Введение 120 mm размещается внутри вакуумной камеры 3, которая откачивалась до давления 10-6 Torr. Аксиальное В последние годы широкий интерес вызывает ис- магнитное поле в пушке создавалось соленоидом 4.

следование источников электронов с холодными ка- Импульс напряжения отрицательной полярности Uc от тодами, работающими в режиме вторичной эмиссии модулятора 1, амплитудой 4... 100 kV, длительностью в скрещенных электрическим и магнитным полях [1–5]. 2... 10 µs и частотой следования 10... 50 Hz подается Интерес к таким источникам связан с рядом досто- на катод 5 магнетронной пушки, а ее анод 6 через инств (большое время жизни, высокая плотность тока, резистор R3 заземлен или присоединен к генератоотносительная простота конструкции и т. д.), которые ру 2. Использовалось два метода создания спадающего электрического поля. В первом использовался прямодают возможность использования магнетронных пушек с холодными вторично-эмиссионными катодами в уско- угольный импульс модулятора 1, процесс вторичноэмиссионного размножения осуществлялся на спаде рительной технике, при создании мощных долговечных СВЧ источников [5] и быстродействующей высоковольт- импульса напряжения генератора 2 (длительность импульса 2... 40 ns, амплитуда 3.5 kV на нагрузке 50, ной техники [6]. Процесс формирования электронного длительность переднего фронта и спада 1ns), котопучка в таких источниках происходит следующим обрарый подавался на анод 6. Во втором для осуществлезом. На спаде импульса катодного напряжения первичния вторично-эмиссионного размножения использовалные электроны (возникающие за счет автоэмиссии или ся спад (длительностью 0.6 µs) специально сформивнешней инжекции), возвращаемые магнитным полем рованного выброса на вершине импульса напряжения бомбардируют поверхность катода. При своем движемодулятора 1 [5] (генератор 2 при этом отключался).

нии по циклоидальным траекториям к катоду электроЭто позволило осуществить эксперименты и выполнить ны набирают энергию, пропорциональную изменению измерения при длительности спада от 2 до 600 ns электрического поля за время пролета. При опредеи крутизне спада напряжения от 20 до 1200 kV/µs.

ленных условиях, когда энергия падающих электронов Измерение тока пучка и размеров пучка производилось становится достаточной для достижения коэффициента на расстояниях до 180 mm от среза анода с помощью вторичной эмиссии больше единицы, начинается процесс вторично-эмиссионного размножения и при дальнейшем лавинообразном увеличении числа электронов вокруг катода образуется электронный слой, из которого происходит вытягивание электронов и формирование пучка. В работе проведено изучение вопроса о времени формирования пространственного заряда электронного слоя и временной стабильности генерации пучка в магнетронных пушках при длительности спада 2... 10 ns.

Экспериментальная установка и методики исследования Эксперименты проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1. Магнетронная пушка с медным катодом 5 и анодом 6 из нержавеющей стали длиной Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Быстрое формирование электронного пучка в магнетронной пушке с вторично-эмиссионным... В экспериментах, выполненных при длительности спада импульса запуска 0.6 µs и крутизне спада 20... 50 kV/µs (второй метод), начало процессов вторично-эмиссионного размножения и генерации пучка происходили через промежуток времени 100... 500 ns (в зависимости от условий эксперимента) от начала спада импульса напряжения. При такой небольшой крутизне спада количество первичных электронов должно быть значительным, так как лишь небольшая часть этих электронов набирает энергию, достаточную для Рис. 2. Осциллограммы запускающего импульса между катопроцесса вторично-эмиссионного размножения. Поэтодом и анодом пушки. 1 — длительность 2 ns, 2 — длительность 11 ns. му процесс накопления первичных электронов в этом случае длительный по времени и носит статистический характер с разбросом десятки наносекунд, что определяет временную нестабильность начала токового импульса цилиндра Фарадея 7, выполненного в виде отрезка коаки энергетический разброс частиц в пучке. С другой стосиальной линии длиной 40 cm, и резистора R4, разного роны, длительность фронта импульса тока пучка опредеволновому сопротивлению линии 18 Ohm, измерение ляется также крутизной спада запускающего импульса, напряжения на катоде — с помощью делителя R1R2, разпоэтому в этих экспериментах длительность фронта меров пучка — с помощью отпечатка на рентгеновской импульса тока пучка составляла десятки наносекунд.

пленке и на молибденовой фольге.

Для улучшения временной стабильности, сокращения Для осуществления вторично-эмиссионного процесса длительности фронта импульса и уменьшения разброса при наносекундных импульсах от генератора 2 необэнергий электронов в пучке необходимо увеличивать ходимо учитывать искажения их формы в передающих крутизну спада импульса запуска и уменьшать его длицепях. На описанной установке в цепь передачи импультельность.

са запуска входят коаксиальный кабель, высоковольтС этой целью были проведены эксперименты, при ный изолятор, вакуумная линия передачи, конструкция которых запуск процесса вторично-эмиссионного разкрепления анода пушки. С целью определения реальмножения осуществлялся импульсами (рис. 2) c наной формы импульса были проведены измерения его носекундной длительностью спада (первый метод).

параметров между анодом и катодом пушки. На рис. В этих экспериментах электронный пучок возникал приведены осциллограммы импульсов, полученные для через 1.5... 2 ns в первом случае и через 10 ns во двух случаев. В первом случае длительность импульса втором случае после начала спада амплитуды импульса генератора составляла 2 ns, а во втором — 6ns.

запуска. Это также наблюдалось по уменьшению амплиСигналы регистрировались осциллографом И2-7 (полоса туды импульса напряжения на катоде за счет нагрузки пропускания 3000 MHz). Осциллограммы показывают, пучком. На рис. 3 приведены типичные осциллограммы что короткий импульс практически не изменил форму, импульсов напряжения на катоде и тока пучка с циего время спада составляло 2 ns, а более длинный линдра Фарадея, полученного в магнетронной пушке деформировался, длительность его спада увеличилась с диаметром катода 2 mm и диаметром анода 10 mm.

и составила 11 ns.

При этом временная нестабильность начала импульса В проведенных экспериментах взрывная электронная тока пучка не превышает длительности спада импульса эмиссия с катода отсутствовала. Это было проверено запуска и достигает единиц наносекунд.

при подаче импульса напряжения амплитудой до 70 kV В таблице приведены результаты исследований, где dc, на катод пушки. При этом (при магнитном поле, равном Da — соответственно диаметры катода и аноды пушки;

нулю) ток с катода отсутствовал, а на вершине импульса Uc — напряжение на катоде; I — ток пучка; U, —сокатодного напряжения не наблюдалось спада, характерответственно амплитуда и длительность спада импульса ного для взрывной эмиссии (вследствие закорачивания запуска; H — магнитное поле. В процессе измерений промежутка анод–катод металлической плазмой сопроамплитуда напряжения на катоде изменялась в предетивление промежутка близко к нулю, ток определяется лах, ограниченных развитием пробоя между катодом мощностью источника питания, а напряжение между катодом и анодом также близко к нулю).

№ dc, Da, Uc, I, H, U,, Экспериментальные результаты пушки mm mm kV A Oe kV ns и их обсуждение 1 2 7 6 1.4 3000 2.4 Исследование генерации пучка производилось при 2 2 10 5.5 1 2200 4 различных параметрах импульса запуска вторично- 3 2 10 7.3 1.6 2400 3 4 3 14 7.6 2 1400 3 эмиссионного размножения.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 126 Ю.Я. Волколупов, А.Н. Довбня, В.В. Закутин, М.А. Красноголовец, Н.Г. Решетняк, В.П. Ромасько иметь значительно большую величину, чем при длитель ности спада 0.4... 0.6 µs.

При запуске пушки импульсом напряжения с наносекундным спадом улучшается энергетический спектр пучка за счет уменьшения количества высокоэнергетических электронов, образованных на спадающей части импульса, и уменьшения их энергетического разброса за счет малой его амплитуды.

Экспериментальные результаты находятся в удовлетворительном согласии с результатами численного моделирования процессов формирования электронного слоя в скрещенных полях. Расчеты, проведенные авторами [5], а также в работах [7,8], показывают, что электроны на спаде напряжения импульса запуска за время 1... 2ns могут набирать энергию, достаточную для развития процесса вторично-эмиссионного размножения. При таком быстром спаде напряжения число первичных электронов невелико, однако за счет большой крутизны спада импульса напряжения они за небольшое число гиропериодов приобретают достаточно большую энергию, при которой коэффициент вторичной эмиссии больше единиРис. 3. Осциллограммы импульсов тока пучка на цилиндре цы и процесс вторично-эмиссионного размножения идет Фарадея (4) и катодного напряжения без пучка (1) и с подгруздостаточно интенсивно.

кой током пучка (2). Момент подачи запускающего импульса Измерение поперечных размеров пучка показало, что показан стрелкой 3.

в обоих случаях пучки в поперечном сечении имеют вид колец с равномерным распределением интенсивности по азимуту и с внутренним диаметром, примерно равным и анодомпушки (в зависимости от конфигурации пушки диаметру катода, с толщиной „стенки“ 1... 2 mm. Намаксимальная амплитуда составляла 15... 25 kV). Втаб- пример, пучок магнетронной пушки 2 на расстоянии лице указаны значения той минимальной амплитуды 130 mm от среза анода имел наружный диаметр 4 mm напряжения, при которой еще сохраняется генерация и внутренний 2 mm. Пучок пушки 4 на расстоянии пучка, что представляет интерес с практической точ- 55 mm от среза анода имел наружный диаметр 6mm ки зрения, поскольку характеризует те минимальные и внутренний 2.5 mm.

значения напряжения, при которых происходит процесс вторично-эмиссионного размножения и генерации пучка.

Выводы Это связано с возможностью использования таких пушек в относительно низковольтных источниках электроТаким образом, проведенные эксперименты показали, нов для СВЧ-приборов. С другой стороны, для медного что возможно накопление облака пространственного катода, энергия первичных электронов бомбардирующих заряда и генерация электронного пучка в магнетронной катод, должна быть 0.4... 0.6 keV. При этих энергиях пушке с вторично-эмиссионным катодом за время 2ns.

электронов коэффициент вторичной эмиссии достигает Это позволяет формировать импульсы тока пучка с намаксимума и процессы вторично-эмиссионного размноносекундными временами нарастания и осуществлять жения протекают весьма интенсивно. В этом случае синхронизацию импульсов тока пучка с наносекундной энергия первичных электронов составляет 10% от точностью. При напряжении на катоде 5... 10 kV и магэнергии электронов на выходе пушки, что представляет нитном поле 1900... 3000 Oe получены трубчатые пучинтерес с точки зрения формирования и устойчивости ки электронов с током 1... 2 A с наружным диаметром электронного слоя, а также электронного пучка со 4... 6 mm.

значительным энергетическим разбросом частиц.

Исследование генерации пучка в зависимости от крутизны спада показало, что эта зависимость имеет Список литературы пороговый характер. Как видно из таблицы, запуск магнетронной пушки 1 и генерация пучка происходили [1] Skowron J.F. // Proc. IEEE. 1973. Vol. 61. N P. 69–101.

при крутизне спада более 1000 kV/µs, а для магнетрон[2] Черенщиков С.А. // Электронныая техника. Сер. 1. 1973.

ной пушки 2 — при крутизне спада более 300 kV/µs.

№6. С. 20–28.

Аналогичные зависимости получены для магнетронных [3] Zakutin V.V., Dovbnya A.N., Reshetnyak N.G. et al. // Proc.

пушек 3 и 4. При наносекундных временах запуска of the 1997 PAC/Ed. Comyn M., Craddok M.K., Reiser M., для устойчивой генерации пучка крутизна спада должна Thomson J. Vancouver, 1997. Vol. 3. P. 2820–2822.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Быстрое формирование электронного пучка в магнетронной пушке с вторично-эмиссионным... [4] Saveliev Y.M., Sibbett W., Parkes D.M. // Phys. Plasmas. 1997.

Vol. 4. N 7. P. 2319–2321.

[5] Волколупов Ю.А., Довбня А.Н., Закутин В.В. и др. // ЖТФ.

2001. Т. 71. Вып. 2. С. 98–104.

[6] Вишневский А.И., Солдатенко А.И., Шендаков А.И. // Изв.

вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1968. Т. 11. № 6. С. 555–564.

[7] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 1997. Вып. 2,3 (29, 30). Т. 1. С. 134–140.

[8] Агафонов А.В., Тараканов В.П., Федоров В.М. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования (35). 1999. № 4. С. 11–13.




© 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.