Пушки Пирса со сходящимся пучком

Тип:
Добавлен:

Министерство Образования и науки Российской Федерации

НГТУ

Курсовая работа

«Пушка Пирса со сходящимся пучком»

Факультет:

Группа:

Студент:

Преподаватель:

Новосибирск 2007

Введение

В геометрической электронной оптике, где имеет ме­сто оптико-механическая аналогия, предусматривающая, в частности, отсутствие взаимодействия электронов меж­ду собой, рассматривается, как правило, формирование электронных пучков, в которых действием объемного за­ряда практически можно пренебречь. Тогда можно гово­рить о фокусировке электронных пучков в обычном опти­ческом смысле, что и имеет место в целом ряде элек­троннолучевых приборов.

В этом смысле наряду с понятием фокусировки пра­вомерны и понятия об электронном пучке, электронном луче, электронной линзе и т. д.

В ряде случаев, однако, когда объемный заряд, а сле­довательно, и взаимодействие электронов между собой становятся заметными, основные положения классичес­кой геометрической электронной оптики теряют силу. Необходимо уже обязательно учитывать действие прост­ранственного заряда.

Такое положение наблюдается в целом ряде прибо­ров СВЧ (клистроны, ЛБВ, ЛОВ и др.)» где работа при­бора основана па взаимодействии электронного потока с высокочастотными полями и параметры этого пото­ка— его размеры, ток, энергия электронов — решающим образом определяют качество прибора в целом. Так же обстоит дело и во все более развивающейся в настоящее время области применения электронных пучков для об­работки материалов (сварка, плавка, сверление и т. д.). Степень влияния объемного заряда в электронном пучке, как указывалось, оценивается его так называемой характеристической проводимостью или (наи­более широко употребляемый термин) первеансом пучка:

где / — ток пучка; U — пройденная электронами разность потенциалов. Ясно, что с ростом / и уменьшением U, взаимодействие электронов будет все более заметным. В обычных электроннолучевых приборах первеанс пучков, как правило, не превышает 10-9 А/в3/2, и в этом случае действием пространственного заряда в них можно пренебречь. Если же Р > 10-8 — 10-7А/в3/2, то действие прост­ранственного заряда необходимо учитывать.

Такие пучки уже следует считать интенсивными, и для их рассмотрения совершенно недостаточно аппарата обычной геометрической электронной оптики. 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:

Рис. 1. Общая схема системы фор­мирования электронных пучков.

I — область электронной пушки, состоящей из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода 3, в электрическом поле, которой, происходит первоначальное формирование пучка.

II — область пролетного канала (пролетной трубы) 4, в котором могут располагаться резонаторы, например в случае клистрона, или отклоняющие устрой­ства, например в случае сварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости и так на­зываемая поперечно-ограничивающая, «фоку­сирующая» система 5. Конструкции таких систем доволь­но многообразны. В частности, она может представлять собой длинный соленоид. Ее назначение — создать маг­нитное или электрическое поле, препятствующее расши­рению электронного пучка в пролетной трубе.

В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допу­стить осе

дания значи­тельной части тока пуч­ка на стенках трубы, т. е. обеспечить хоро­шее токопрохождение. В частном случае (на­пример, отражатель­ные клистроны) этой системы может и не быть.

III — приемник или коллектор пучка 6, кото­рый может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду в электронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». В последнем случае ос­новной эффект, ради которого создается прибор и фор­мируется пучок, происходит именно на приемнике, на­пример плавка или сварка.

И, наконец, IV область — переходная между пуш­кой и поперечно-ограничивающей системой, поля в кото­рой должны быть такими, чтобы обеспечить согласован­ное действие I и II областей. Как правило, переходная область является важнейшей с точки зрения формиро­вания пучка, хотя, в случае если поле поперечно-ограни­чивающей («фокусирующей») системы простирается до катода пушки, этой области может и не быть.

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).

Рис. 2. Основные типы пучков.

Ввиду наибольшей распространенности ак­сиально-симметричных пучков в дальнейшем рассмотрении им будет уделено основное внима­ние. 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/в3/2. 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.

Ламинарноcть 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

Наибольшее распространение получили так называе­мые пушки Пирса, принцип построения которых заклю­чается в следующем. Если рассмотреть диоды с идеаль­ной геометрией, а именно плоский, сферический или ци­линдрический (рис. 3), и выделить из всего электронно­го потока в них определенную часть требуемой конфигу­рации, как это показано на рисунке, то мы получим в зависимости от формы диода аксиально-симметричный или ленточный параллельный или сходящийся пучок.

Рис. 3. Выделение электронных пучков в диодах простой формы.

При этом влияние отброшенной части электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквива­лентным влиянием некоторого электрического поля, ко­торое, будучи созданным в пространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:

1. Распределение потенциала вдоль границы пучка должно остаться прежним, соответствующим распреде­лению поля в выбранном исходном диоде.

2. Напряженность поля, нормальная к границе пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы, приводящие к расширению пучка.

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 Ua. 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).

Наибольшее распространение получила пушка Пирса с аксиально-симметричным сходящимся потоком — пуш­ка сферического типа (рис. 4), которую мы, в основ­ном, и рассмотрим.

Рис. 4. К рассмотрению пуш­ки со сходящимся пучком.

Полный ток сферического диода в режиме простран­ственного заряда может быть представлен выражнием:

(1)

где (-α)2 — функция Ленгмюра, зависящая от величи­ны ρа=Rк/Rа (Rк и Ra — радиусы катода и анода). Плотность тока с катода, очевидно, равна:

(2)

Распределение потенциала между катодом и анодом, как ясно из (1), имеет вид:

(3)

Рис. 5. График функ­ции Ленгмюра для сфе­рического диода.

где p=RK/R, причем R является текущей координатой, а р меняется от 1 до ра.

Для формирования сходящегося аксиально-симме­тричного пучка с использованием катода, имеющего вид участка сферы радиуса RK, необ­ходимо, как и в предыдущем случае, заменить действие отбра­сываемой части потока полем, образуемым фокусирующим элек­тродом, имеющим потенциал ка­тода, и анодом.

Форму электродов, обеспечи­вающую вдоль границы пучка распределение потенциала, соот­ветствующее (3), подбирают, как описано ранее, на электроли­тической ванне с применением пластины из диэлектрика, имити­рующей границу пучка. На (рис. 6) представлены конфигурации электродов, формирующих схо­дящиеся аксиально-симметричные потоки при различ­ных ра и углах схождения Θ.

Рис. 6. Примеры конфигурации электродов пушек сферического типа при различных Θ и ра

Эквипотепциаль, соответствующая фокусирующему электроду, подходит к границе потока под углом 67,5°, остальные — под углом 90°.

На практике обычно выполняют электроды более простой формы, в той или иной степени аппроксимирую­щей контуры требуемых поверхностей (рис. 7 и 8)

Рис. 7. Пример практической конфигурации

электродов пуш­ки сферического типа.

К — катод; ФЭ — фокусирующий электрод; а — анод.

Рис. 8. Пример пушки с про­стой конфигурацией электро­дов.

К — катод; ФЭ — фокусирующий электрод; а — анод.

В пушке сферического типа анодное отверстие также служит причиной появления рассеивающей линзы, и по­этому угол схождения пучка по выходу из пушки всег­да меньше Θ — угла его схождения в пушке (рис. 9).

Вместо точки О, где должны сойтись продолжения край­них траекторий пучка, они сойдутся в точке О'. Легко увидеть, что О является мнимым изображением О'. Используя формулу тонкой рассеивающей линзы 1/f = 1/L2 - 1/L1, а также параксиальность пучка получаем:

Рис. 9. К расчету действия анод­ной линзы в пушке сферического типа.

Величина f равна 4Ua/Ea. Так как Eb= 0.

Следовательно, величина

Окончательно:

Таким образом, отноше­ние sinγ/sinΘ определяется только ρa=Rk/Ra и не за­висит от других парамет­ров пушки. Зависимость sinγ/sinΘ от ρa показана на рис.10. При ρa =1,45 sinγ/sinΘ = 0.

Следовательно, в этом случае при любых Θ элек­троны выходят из анодного отверстия, параллельно оси z, т. е. на выходе пушки получается параллельный аксиально-симметричный пучок. Если ρa >1,45, то пучок на выходе пушки будет сходящимся, если ρa <1,45, то расходящимся.

Рис. 10. Графики для расче­та пушки сферического типа.

Рассмотрим теперь элементы расчета пушки сфери­ческого типа. Ток части сферического диода /, образую­щего пушку, относится к полному току диода /Сф как , где - площадь катода, ограниченного углом Θ.Тогда, используя (2), получаем:

(4)

Если учесть, что , то (8-9) преобразуется к виду:

(5)

Следовательно, величина

(6)

Угол Θ определяется так

(7)

Кроме того, считая углы Θ и γ малыми и примерно равными их синусам и обозначая отношение , из выражения (6) получаем:

(8)

График функции F(pa) представлен на рис. 10. Тогда, если заданы требуемые ток пучка / и Uа, а также γ — угол наклона крайних траекторий пучка и rа — его радиус на выходе из пушки, можно из (8) определить F(pa), по которой определить ра и угол Θ рис.10, затем по простому гео­метрическому соотноше­нию рис. 9 опреде­ляется Rа = ra/sin Θ, от­куда легко определяется Rк и плотность тока на катоде.

В дальнейшем мы увидим, что при расчете пушки могут иметь место и иные исходные данные, вытекающие из задачи ее согласования с попереч­но-ограничивающей системой, однако они в конечном счете могут быть связаны с величинами /, U, γ и rа.

Пушка цилиндрического типа, образованная частью цилиндрического диода (рис. 3,в), может, как указы­валось, сформировать сходящийся ленточный (клиновид­ный) пучок. 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 U1, и U2между которыми помещен третий электрод, имеющий круглое отверстие, — диафрагма радиуса Rи потенциал Ua. Если Rзначительно меньше d1и d2— 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 zбудет 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:

Рис. 11. Собирающая линза—диафрагма.

Рис. 12. Рассеивающая линза—диафрагма.

При этом возможны два случая, иллюстрируемые на (рис. 11 и 12). В первом случае (рис. 11,а) величина Е1 в пространстве слева от диафрагмы меньше, чем величина Е2 справа от нее. Следовательно, при переходе области диафрагмы вдоль оси zскорость роста U(z) уве­личивается (рис. 11 ,б). Величины U'(z) и U''(z) будут меняться с расстоянием по оси zсогласно (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, б- г)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 U1, а потенциал среднего U0<U1, 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 (U1U0), 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.

Рис. 14. Электростатическая си­стема формирования пучка по принципу Пирса.

Строго говоря, рассматриваемая система при отсутст­вии сеток перестает быть системой типа Пирса и имеет отличное по сравнению с пушками Пирса распределение потенциала вдоль границы пучка. 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.

Сварка

Классификация технологических приемов сварки и ремонта швов электронным пучком. По степени изученности и применяемости известные технологические приемы сварки можно разделить на три группы. К первой относятся наиболее изученные и широко применяемые в промышленности приемы: развертка и наклон электронного пучка; модуляция тока электронного пучка; подача присадочного материала; применение подкладок; сварка смещенным и расщепленным электронным пучком; выполнение прихваток, предварительных и "косметических" проходов; сварка секциями. Вторая группа включает приемы, хорошо изученные в лабораторных условиях, но не получившие пока практического применения: "тандемная" сварка; сварка в узкий зазор; сварка "пробковыми" швами. В третью группу входят приемы, целесообразность или возможность реализации которых недостаточно обоснована: оплавление корневой части шва "проникающим" электронным пучком; осцилляция уровня фокусировки электронного пучка; применение флюсов; сварка с использованием широкой вставки; сварка с дополнительным теплоотводом; двухсторонняя сварка; вибрация свариваемого изделия; ввод ультразвуковых колебаний в сварочную ванну. По типам физического воздействия технологические приемы делят на четыре группы: управление пространственно-энергетическими параметрами электронного пучка (периодическое и статическое отклонение, модуляция токов электронного пучка и фокусирующей линзы); применение дополнительных конструктивных элементов и материалов (подкладки, вставки, накладки, наплавки, теплоотводящие элементы, присадки, флюсы); специальные сварные швы (дополнительные проходы, прерывистые швы, дополняющие швы); механическое воздействие на сварочную ванну (вибрация изделия, ввод ультразвуковых колебаний).

Список литературы:

  1. Л. Г. Шерстнев. «Электронная оптика и электронно-лучевые приборы» Учебник для студентов высших технических учебных заведений, - Москва, «Энергия», 1971г.
  2. А.А. Жигарев, Г.Г. Шамаева. «Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы» Учебник для вузов. – Москва : Высшая школа, 1982 г.
  3. Данные о новейших разработках взяты с сайта www.seo.ru
Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.