Электронная пушка. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Электронная пушка - электронно-оптическая система, формирующая электронный пучок. Практически электронными пушками называются системы, формирующие высокоинтенсивные пучки с большим первеансом; системы, образующие узкие неинтенсивные пучки - электронные лучи, используемые в разл. электронно-лучевых приборах, чаще наз. электронными прожекторами (см. Электронно-лучевые приборы).

Формирование интенсивных электронных пучков (с первеансом >=10^-7 А/В^3/2) системой электронных линз затруднительно, т. к. собств. пространств. заряд электронов пучка существенно искажает фокусирующие поля линз. Кроме того, само понятие "фокусировка" условно для интенсивных пучков, т. к. такие пучки принципиально невозможно свести в точку (фокус). Поскольку интенсивный пучок в свободном от электрич. и магн. полей пространстве неограниченно расширяется, формирование устойчивого интенсивного пучка определ. конфигурации возможно лишь при условии компенсации расталкивающей силы пространств. заряда электронов пучка противоположно направленными силами, создаваемыми внешними (по отношению к пучку) электрич. и магн. полями. Поэтому электронная пушка должна содержать электроды, создающие вблизи границы пучка распределение потенциала, обеспечивающее равенство нулю нормальной к границе пучка составляющей напряжённости электрич. поля. Кроме того, для устойчивости пучка необходимо, чтобы при смещении электронов с границы пучка в любую сторону возникала сила, возвращающая их на границу пучка.

Задача формирования интенсивных пучков решается двумя методами - методом анализа и методом синтеза.

В первом случае конфигурацию и потенциалы электродов формирующей системы выбирают ориентировочно и рассчитывают с помощью ЭВМ траектории электронов с учётом пространств. заряда. Если полученный пучок не удовлетворяет поставленным требованиям, вносят необходимые изменения формы и потенциалов электродов и снова рассчитывают траектории и т. д., до получения пучка с требуемыми параметрами. Этот метод очень трудоёмок и требует высокой квалификации разработчика.

Большее распространение получил метод синтеза, при использовании к-рого заданными являются параметры пучка-форма, первеанс или энергия и ток пучка, а определяемыми- необходимые для формирования данного пучка электрич. и магн. поля. В этом методе решаются две задачи-внутренняя и внешняя. Внутр. задача включает решение системы ур-ний, описывающих движение электронов внутри пучка, нахождение соотношений, характеризующих электрич. и геом. параметры пучка; внешняя - нахождение электрич. полей, создаваемых системой электродов с определ. потенциалами, и магнитных, создаваемых катушками с током или пост. магнитами. Во внутр. части задачи распределение потенциала в пучке описывается ур-нием Пуассона, во внешней - распределение потенциала вне пучка описывается ур-нием Лапласа.

Метод синтеза базируется на известных решениях внутр. задач для неограниченных ламинарных потоков между двумя параллельными плоскостями, двумя соосными цилиндрами и двумя концентрич. сферами. Связь между током I и напряжением U в этих потоках описывается "законом трёх вторых" (I=PU^3/2, P-первеанс); в этом случае все траектории прямолинейны и совпадают с силовыми линиями электрич. поля. Распределение потенциала вдоль любой траектории удовлетворяет соотношению U(z) = Az^4/3 (A - множитель, определяемый первеансом; z-координата, отсчитываемая вдоль любой траектории). Прямолинейность траекторий означает отсутствие силы, искривляющей траекторию, т. е. равенство нулю нормальной к траектории составляющей напряжённости электрич. поля (E_n = 0).

Создание системы формирования интенсивных пучков с помощью электрич. поля сводится к "вырезанию" из неограниченных потоков, для к-рых известны решения внутр. задачи, ограниченных пучков необходимой конфигурации; непременным условием при этом является совпадение границы пучка с прямолинейными траекториями. Из неограниченного потока между двумя параллельными плоскостями можно сформировать пучок любого поперечного сечения с границами, перпендикулярными исходным плоскостям: напр., в виде цилиндра с образующими, совпадающими с прямолинейными траекториями (осесиммет-ричный пучок), или в виде параллелепипеда с рёбрами, совпадающими с траекториями (ленточный пучок). Из потока между двумя соосными цилиндрами можно "вырезать" клиновидный сходящийся ленточный пучок, из потока между двумя концентрич. сферами-сходящийся конический осесимметричный пучок.

Простое "отбрасывание" оставшейся вне вырезанного ограниченного пучка части потока приведёт к изменению условий на границе пучка, в частности не будет выполнено требование Е_n = 0. Устойчивый ограниченный пучок можно сформировать, создав вне пучка электрич. поле, эквивалентное полю пространств. заряда отброшенной части потока. Это поле должно быть создано системой электродов, расположенных вне пучка. Форма и потенциал этих электродов определяются из решения ур-ния Лапласа с граничными условиями, вытекающими из решения внутр. задачи: распределение потенциала вдоль границы пучка определяется "законом 3/2" и нормальная к границе пучка составляющая Е_n = 0 в любой точке поверхности пучка. С достаточной для практич. целей точностью внеш. поле, формирующее устойчивый пучок, может быть создано двумя электродами - прикатодным (фокусирующим), совпадающим по форме с нулевой эквипотенциальной поверхностью, и анодным, совпадающим по форме с эк-випотенц. поверхностью, имеющей потенциал ускоряющего электрода (анода). Для пучков с прямолинейными траекториями имеются аналитич. решения внеш. задачи, согласно к-рым нулевая эквипотенц. поверхность образует с границей пучка угол 67,5°, все остальные эквипотенциали (с U>0) подходят к границе пучка под прямым углом.

Созданные на основе рассмотренного принципа системы формирования интенсивных пучков наз. системами или пушками Пирса. Такие электронные пушки состоят из источника электронов - катода (обычно термоэлектронного), прикатодного (фокусирующего) электрода и анода с отверстием для выхода сформированного пучка (рис. 1). Внеш. поле, формирующее пучок, должно достаточно точно соответствовать рассчитанному в непосредств. близости к границе пучка, что и определяет конфигурацию и потенциалы электродов вблизи пучка; вдали от пучка форма электродов выбирается с учётом конструктивных и технол. требований.

Рис. 1. Электродная система пушки Пирса: 1-катод; 2 - анод; 3 - фокусирующий электрод.

Многие электронные пушки должны формировать пучки с большой плотностью тока (до десятков и сотен А/см²), в то же время реальные термокатоды имеют ограниченную эмиссионную способность и увеличение токоотбора резко снижает срок службы катодов. Поэтому используются электронные пушки с большой компрессией (сжатием) электронного пучка - площадь сечения сформированного пучка на выходе из анодного отверстия в десятки и сотни раз меньше площади эмитирующей поверхности катода; наиб. распространение получили пушки Пирса, формирующие сходящиеся осе-симметричные и ленточные пучки.

Любая электронная пушка не только формирует пучок необходимой формы, но и ускоряет электроны пучка до необходимой энергии электрич. полем между анодом и катодом. Магн. поле, не изменяющее энергию электронов пучка, используется для дополнит. формирования (фокусировки) пучка. Поскольку сформированный пушкой электронный пучок на выходе из анодного отверстия за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется, получение протяжённого пучка ограниченного сечения возможно лишь при компенсации расталкивающего действия пространств. заряда внеш. электрич. или магн. полями. Ограничить расширение пучка можно с помощью продольного магн. поля (однородного или уменьшающегося в направлении катода) или последовательностью электронных линз (электростатических или магнитных), расположенных вдоль пучка. В электронных пушках, формирующих пучки с параллельными траекториями, используется продольное однородное магн. поле, силовые линии к-рого совпадают с траекториями, а вблизи катода и с электрич. силовыми линиями, что обеспечивает существование протяжённого устойчивого пучка. В электронных пушках с компрессией ограничивающее магн. поле уменьшается в прикатодной области, что обеспечивает примерное совпадение электрич. и магн. силовых линий. Такие пушки с частично экранированным катодом позволяют формировать высокопервеансные пучки.

Для формирования интенсивных трубчатых пучков (имеющих в сечении форму кольца) используются системы со скрещенными электрич. и магн. полями - магнетронные пушки. Схема электродной системы магнетронной пушки приведена на рис. 2. Внутр. катод и наружный анод конич. формы (один из электродов может иметь форму цилиндра) помещены в продольное однородное магн. поле. За счёт ускоряющего электрич. поля анода эмитированные катодом электроны движутся в направлении анода, а за счёт магн. поля траектории искривляются, приближаясь к циклоиде (как в магнетроне). При достаточно большой величине магн. индукции, большей критической, электроны перестают доходить до анода, между катодом и анодом создаётся облако пространств. заряда, вращающееся вокруг катода. Продольная составляющая электрич. поля, возникающая вследствие наклона к оси образующих катодного и анодного электродов, смещает электроны вдоль оси - формируется трубчатый электронный пучок. С помощью магнетронных пушек удаётся сформировать трубчатые электронные пучки с первеансом в несколько десятков мкА/В^3/2.

Рис. 2. Магнетронная электронная пушка: 1-катод; 2 - анод; 3 - электронный пучок.

Разновидностью систем формирования электронных пучков являются электронные пушки с модуляцией тока пучка. Управление током пучка в этих пушках производится спец. управляющим электродом, к-рый может быть выполнен в виде штыря, проходящего через отверстие в середине катода, сетки, помещённой между катодом и анодом, и толстой диафрагмы, расположенной вблизи анода. Изменение потенциала управляющего электрода позволяет в широких пределах - от нуля (запирания пушки) до максимально возможного для данной системы значения - изменять ток пучка.

Литература по электронным пушкам

Знаете ли Вы, что релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.