Пушки Пирса со сходящимся пучком

Отметим, что в этом случае ряд понятий геометрической оптики, такие, как фокусировка, электроннооптическая система и некоторые другие, по существу теряют смысл и могут применяться только условно.

Правильнее пользоваться в этом случае, например, терминами формирование пучка, система формирования и т. д., хотя термин фокусировка по инерции в литературе употребляется весьма широко. Общая схема системы формирования интенсивных электронных пучков.

Практически в любом случае систему, формирующую электронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыре основные (рис. 1) области:

Основные типы пучков Конфигурация встречающихся на практике пучков может быть весьма разнообразной.

Однако, хотя и несколько условно, можно из них выделить пучки наиболее типичной формы. В первую очередь это сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение которых имеет вид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2,а), так и коническими, т. е. сходящимися (рис. 2,б). Все больший интерес проявляется к трубчатым пучкам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которых представляет собой кольцо (рис. 2,в, г). Следует указать также на ленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собой прямоугольник, одна сторона которого значительно больше другой. Такие пучки также могут быть параллельными или сходящимися — клиновидными (рис. 2,д,е).

Другие типы пучков рассматриваются менее подробно. Ко всем типам пучков могут быть предъявлены некоторые общие требования, а именно: 1. Вполне определенный, часто возможно более высокий, микропер-веанс, который в настоящее время достигает единиц мкА/в 3/2 . Это отражает стремление получить пучки с возможно большим током при пониженных напряжениях. 2. Форма пучка должна, возможно лучше соответствовать заданной для того, чтобы его можно было пропустить через пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы пучка были возможно ближе к ее стенкам. При рассмотрении пучков мы будем, за исключением специально оговоренных разделов, предполагать: Параксиальность траекторий электронов в пучке.

Ламинарно c ть пучков. Это значит, что траектории отдельных электронов в пучке не пересекаются и пучок в целом имеет четкую границу, очерченную траекториями крайних электронов.

Равномерность распределения плотности объемного заряда в пучке.

Отсутствие начальных тепловых скоростей электронов на катоде.

Отсутствие релятивистских эффектов, в частности магнитных полей, создаваемых движущимися электронами.

Указанные предположения в той или иной степени на практике не реализуются.

Однако, как показывает опыт, они весьма близки к действительности и существенно облегчают рассмотрение основных характеристик пучков и систем их формирования.

Принцип построения пушек Пирса

Определив поле, отвечающее этим требованиям, необходимо рассчитать или подобрать конфигурацию электродов, из которых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а другой имеет потенциал анода и совпадает по форме с эквипотенциалью, соответствующей анодному напряжению U a . Тогда указанная система электродов образует требуемый электронный пучок с прямолинейными траекториями.

Такого типа пушки и получили название пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в их основу, иногда называют принципом прямолинейной оптики. Пушки Пирса со сходящимся пучком Используя часть сферического или цилиндрического диодов, показанных на рис. 1, б и в, можно, очевидно, получить соответственно сходящийся аксиально-симметричный или ленточный пучок (рис. 4). Очевидно, в таких пушках, если учесть рассеивающее действие линзы в области анодного отверстия, можно на выходе из пушки, в частности, получить параллельный пучок. Кроме того, плотность тока в пучке может значительно превышать плотность тока с катода (так называемая компрессия пучка). Наибольшее распространение получила пушка Пирса с аксиально-симметричным сходящимся потоком — пушка сферического типа (рис. 4), которую мы, в основном, и рассмотрим.

Зависимость sin / sin от a показана на рис.10. При a =1,45 sin / sin = 0. Следовательно, в этом случае при любых электроны выходят из анодного отверстия, параллельно оси z , т. е. на выходе пушки получается параллельный аксиально-симметричный пучок. Если a >1,45, то пучок на выходе пушки будет сходящимся, если a

Рассмотрение и расчет такой пушки аналогичны приведенным для сферической пушки.

Диафрагма с круглым отверстием (формирующий электрод) Представим себе весьма простую электроннооптическую систему (рис. 11,а), состоящую из двух плоских параллельных электродов с потенциалами U 1 , и U 2 между которыми помещен третий электрод, имеющий круглое отверстие, — диафрагма радиуса R и потенциал U a . Если R значительно меньше d 1 и d 2 — расстояний между плоскостями и диафрагмой, то вдали от нее электрическое поле будет однородным и его напряженность определится потенциалами соответствующих электродов и расстояниями между ними. В некоторой же области вдоль оси z будет иметь место провисание эквипотенциалей из области с большей напряженностью поля в область с меньшей напряженностью.

Следовательно, в этой области однородное поле искажается. Из геометрических соображений ясно, что оно будет аксиально-симметричным, т. е. в области диафрагмы образуется электронная линза.

Естественно, что это будет иметь место лишь в том случае, если выполняется соотношение:

Следовательно, при переходе области диафрагмы вдоль оси z скорость роста U ( z ) увеличивается (рис. 11 ,б). Величины U '( z ) и U ''( z ) будут меняться с расстоянием по оси z согласно (рис. 11, в и г) соответственно. Таким образом, в этой линзе U ''( z )>0, что свидетельствует о том, что линза собирающая. Оптический эквивалент такой электронной линзы может быть представлен в виде двояковыпуклой собирающей световой линзы (рис. 11,д). Второй возможный случай (рис. 12) соответствует уменьшению E при переходе через область диафрагмы.

Рассмотрение представленного на (рис. 12, бг) характера распределения потенциала вдоль оси и его первой и второй производных показывает, что в данном случае мы имеем рассеивающую электронную линзу, оптический эквивалент которой представлен на (рис. 12,д). Система формирования по принципу Пирса (Электростатическая) Представим себе сплошной безграничный электронный поток с плотностью тока j , распространяющийся в своеобразном триоде, состоящем из трех электродов (рис. 13,а). При этом потенциалы крайних электродов Рис. 13. Распределение потенциала в ячейке системы электростатического формирования (а) и расчетная форма электродов (б). равны U 1 , а потенциал среднего U 0 U 1 , причем электроды прозрачны для электронов, например представляют собой сетки.

Очевидно, что распределение потенциала между электродами будет иметь вид, представленный на (рис. 12) с минимумом при z = 0 . Если теперь отбросить большую часть пучка, оставив только требуемых размеров аксиально-симметричный или ленточный пучок, то для его формирования необходимо подобрать форму электродов, создающих на границе пучка поле, удовлетворяющее тем же требованиям, что и поле в пушках Пирса. Это можно сделать в электролитической ванне тем же методом, что и при расчете пушек Пирса. Форма получающихся при этом электродов представлена на (рис. 13,б). Кромка низковольтного электрода подходит к границе пучка под углом 45°, что является характерным для систем данного типа. В такой системе можно получить пучок постоянного сечения. При этом ясно, что при увеличении длины системы будет возрастать и необходимая для ее работы разность потенциалов ( U 1 — U 0 ), что практически ограничивает протяженность пучка. Для ее увеличения можно применить систему, составленную из ячеек, изображенных на (рис. 14). Наличие сеток в высоковольтных электродах ограничивает ток пучка из-за их перегрева, поэтому обычно сетки не применяются. Это приводит к расширению пучка при прохождении высоковольтных электродов аналогично тому, как это имеет место на аноде пушек Пирса.

Появляются радиальные силы и как следствие этого — пульсации. Для уменьшения этих эффектов увеличивается диаметр диафрагм в электродах и корректируется их форма.

Современное применение пушек для создания интенсивных электронных пучков Плавка Применение тугоплавких металлов приобретает все возрастающее значение в развитии науки и техники - атомной энергетике, авиационной и ракетной технике, химической промышленности и многих других. За последние десятилетия в технологии редких и тугоплавких металлов получили широкое распространение методы плавления в вакуумных электропечах разнообразной конструкции - индукционных, дуговых, электронно-лучевых. В институте Гиредмет разработан и нашел промышленное применение способ получения ниобия, тантала и других тугоплавких металлов восстановлением их пятиокисей алюминием, так называемый алюминотермический метод восстановления с последующей вакуумной плавкой. В 1998 - 1999 годах была создана электронно-лучевая установка для плавки ниобия и других тугоплавких металлов, полученных методом алюминотермического восстановления.

Установка работает следующим образом: исходный материал - дробленые куски ниобий-алюминиевого сплава в количестве 55- 65 кг , загружается в ванну медного водоохлаждаемого кристаллизатора и после электронно-лучевого переплава получается плоский слиток - полуфабрикат с размерами 20х200х2000 мм, пригодный для дальнейшей переработки. На установке применяется электронная двухкаскадная пушка аксиального типа.

Танталовый катод разогревается электронной бомбардировкой от разогретой вольфрамовой спирали - первый каскад.

Образующийся пучок электронов разгоняется в катод-анодном промежутке напряжением второго каскада и направляется на исходный материал, находящийся в кристаллизаторе.

Лучеводы электронной пушки снабжены фокусирующими магнитными линзами, системой управления электронного пучка.

Камера пушки имеет поперечный вакуумный затвор, позволяющий отсекать ее объем от рабочего объема установки.

Откачка объема пушки производится отдельной вакуумной системой.

Высоковольтная часть пушки закрыта защитным кожухом с блокировкой. В конструкции установки предусмотрена блокировка по высокому напряжению в случае ухудшения вакуума в рабочем объеме. С помощью автоматической системы управления электронный пучок в процессе плавки сканирует в пределах ширины ванны кристаллизатора, а сам кристаллизатор перемещается в продольном направлении со скоростью 8 - 30 мм/мин с помощью электромеханического привода.