ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОПЕРВЕАНСНЫХ ТОНКИХ ЛЕНТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ В СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

July 28, 2012 by admin Комментировать »

Голеницкий И. И., Духина Н. Г., Будзинский Ю. А., Быковский С. В. Федеральное государственное унитарное предприятие НПП «Исток» 141190, Московская область, г.Фрязино, Вокзальная 2а, Россия Fax: (095) 9749013; e-mail: istkor(S>elnet.msk.ru


Аннотация Приведены результаты исследования системы формирования высокопервеансного (~7.4МкА/В3/2) ленточного электронного потока в узком пролетном канале (0.2×2 мм2) циклотронного защитного устройства (ЦЗУ) длинноволнового участка СВЧ-диапазона (f ~ 3 Ггц) в слабом магнитном поле (В/ВБр ~ 1.5). Для ослабления расфокусировки краев потока и улучшения токопрохождения в области пушки введена локальная неоднородность магнитного поля, пиковое значение которого превышает величину поля в рабочем зазоре, а компоненты поля по определенному закону изменяются по ширине катода. Указанное поле создается с помощью тонкого цилиндра-концентратора, установленного в центре катодного полюсного наконечника (ПН). Определены требования к профилю концентратора и его пространственной ориентации относительно катода. Исследования выполнены методом компьютерного моделирования в трехмерной постановке (3D).

I.  Введение

Основным ограничением в области формирования высокопервеансных ленточных электронных потоков в сопровождающем магнитном поле является деформация их краев под воздействием некомпенсированных сил пространственного заряда. В электронных приборах СВЧ О-типа этот эффект подавляется, как правило, интенсивным магнитным полем, многократно превышающим бриллюэновское значение. Величина фокусирующего поля в данном случае выбирается путем компромисса между токопрохождением и массо-габаритными параметрами прибора.

В ЦЗУ [1, 2] индукция рабочего поля определяется заданной частотой г|В = оос = со. На коротковолновом участке f ~ ЮГгц с интенсивным магнитным полем В ~ О.ЗТл создается достаточно высокий запас по полю В/Ввр ~ 5 и достигается удовлетворительное токопрохождение потока с первеансом Рм ~ 7 МкА/В3/2. Напротив, в ЦЗУ длинноволнового диапазона Г~ ЗГгц индукция рабочего поля и величина запаса соответственно снижаются (В ~ 0.1Тл; В/Вбр -1.5) и поэтому полное прохождение на коллектор возможно для потока с низким значением первеанса ~ 2 МкА/В3/2 . Это приводит к снижению проводимости резонаторной системы и сужению рабочей полосы частот ЦЗУ. Таким образом, актуальной становится задача формирования высокопервеансных ленточных потоков в слабых магнитных полях.

В настоящей работе методом компьютерного моделирования в трехмерной постановке (3D) рассмотрен один из возможных способов решения этой задачи для ЦЗУ длинноволнового диапазона путем создания в области пушки локальной неоднородности магнитного поля с определенным распределением в плоскости катода.

II.  Магнитное поле на катоде

Магнитное поле в рабочем зазоре ЦЗУ создается с помощью магнитной системы (МС) на постоянных магнитах (Рис.1). Как показано в [3], на фокусировку ленточного потока влияет не только величина индукции продольного магнитного поля в рабочем зазоре, но и поле на катоде. Последнее создается при помощи тонкого цилиндрического электрода из магнитомягкого материала концентратора, установленного в центре катодного полюсного наконечника (ПН).

Рис. 1. Магнитная система ЦЗУ:

1 магнитопровод; 2постоянные магниты;

3, 4катодный ПН; 5 концентратор; 6,7,8коллекторный ПН; 9 электронный поток.

Изменение Bz по длине системы

Fig. 1. Magnetic system of CP:

1   magnetic materials; 2 permanent magnets; 3, 4cathode magnetic pole; 5 magnetic concentrator; 6, 7, 8

–   collector magnetic pole;

9      electron beam. Bz varying along the system axis

Методом компьютерного моделирования форма и пространственное расположение концентратора были оптимизированы из условий достижения максимального первеанса ленточного потока и его полного прохождения на коллектор. По сравнению с ранее применяемым диаметр концентратора был увеличен с 0.7мм до 1.4мм, а его торец, обращенный в сторону катода, выполнен в виде двух взаимоперпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через ось концентратора и повернута относительно плоскости симметрии катода X0Z на определенный угол (Рис.2). В данной конструкции поперечное магнитное поле в плоскости катода (z=0) направлено перпендикулярно широкой стороне катода ( Вх£ 0; Ву= 0). Величина Вх-компоненты изменяется от нуля в центре до максимальной на краях катода, а ее знак меняется по обе стороны от плоскости симметрии X0Z. Подобное поле приводит к развороту всего ленточного потока относительно его центральной оси в направлении, противоположном направлению деформаций его краев. В итоге создаются благоприятные условия для прохождения потока на коллектор. Заметим, что в системе с простой цилиндрической формой концентратора с плоским торцом со стороны катода поперечное магнитное поле в катодной плоскости направлено параллельно широкой стороне катода (Вх=0; Ву^О) при том же характере изменения By-компоненты относительно X0Z. Такое поле приводит лишь к некоторому растягиванию потока вдоль широкой стенки и не обеспечивает требуемого токопрохождения при высоком первеансе потока.

Рис. 2. Форма и пространственное расположение концентратора относительно катода. Распределение поля по ширине катода и вдоль оси пушки

Fig. 2. Form and space orientation of concentrator with respect to cathode. Field distribution on cathode width and along the electron gun axis

III.   Параметры и внутренняя структура потока

На основе предложенной конструкции концентратора спроектирована электронно-оптическая система, формирующая в слабом магнитном поле В/Вбр ~

1.5    ленточный электронный поток с током I ~ 200 МкА, ускоряющим напряжением 9В и первеансом 7.4 МкА/В3/2 на уровне, достигнутом в ЦЗУ коротковолнового диапазона. Электронный поток полностью проходит на коллектор (Рис.З). На основе расчетных данных распределения плотности тока по сечению потока (Рис.4) отчетливо просматривается разворот потока на выходе из пушки. Однородная структура потока сохраняется менее чем на половине длины пролетного канала; в области 2-го резонатора поток распадается на отдельные струи, т.е. проявляется известный эффект диокотронной неустойчивости, который практически не ухудшает прохождение потока на коллектор.

Рис. 3. Оптическая система. Общий вид; проекции траекторий электронов на координатные плоскости X0Z и Y0Z в пространстве от катода до коллектора

Fig. 3. Optical system. General view; electron trajectories projections on XOZ and YOZ coordinate planes from cathode to collector

IV.  Заключение

Предложенный способ позволил повысить первеанс ленточного потока с 2 до 7.4 МкА/В3/2 и обеспечить полное его прохождение на коллектор в слабом магнитном поле (В/Ввр ~ 1.5) ЦЗУ длинноволнового диапазона СВЧ (f ~ ЗГгц). Равным образом он может оказаться полезным с точки зрения уменьшения запаса по полю и снижению массо-габаритных параметров ЭВП СВЧ О-типа с ленточными электронными потоками.

FORMATION OF HIGH-PERVEANCE THIN TAPE ELECTRON BEAMS IN LOW MAGNETIC FIELDS

Рис. 4. Распределение плотности тока по поперечному сечению потока на разном расстоянии от катода

Golenitski I. I., Dukhina N. G.,

Budzinski Yu. A., Bykovski S. V.

Federal State Unitary Enterprise “Istok” Vokzalnaya, 2a, Fryazino, Moscow region,

Russia, 141190 Fax: (095) 9749013; e-mail: istkor&einet.msk.ru

Abstract The results of investigation of high-perveance (Рд~7 цАЛ/3/2) tape electron beam formation system for narrow transport channel (0.2×2 mm2) of cyclotron protectors (CP) are presented. CP intends for work at long wave band of microwave range (Я— 10 cm) with the low level of magnetic field (B/BBr~1 -5). For decreasing of the beam border defocusing and for improving the beam transportation the local magnetic inhomogenity had been put in cathode region. Peak level of the cathode magnetic field exceeds the working region magnetic field, its components vary along the width of cathode as determined dependence. The magnetic field is produced by thin concentrating cylinder placed in the center of cathode magnetic pole. There are determined the demands for concentrator profile and for its 3D orientation with respect to cathode. Investigations are made by means of 3D computer simulation.

Fig. 4. Current density distribution on transverse beam section at the different distance from the cathode

I.      Литература

1.  Будзинский Ю. А., Быковский С. В., Вильданов С. А.,

ГоудцовД. Н„ Ильичев Н. В., Саврухин О. А.,

Шмелев И.А. Комплексированные усилители с циклотронной защитой для приемников РЛС. — В кн. 11 -я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября

2001      г.]. —Севастополь: Вебер, 2001, с. 190-192.

ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

2.  Budzinski /., Bykovski S. Amplifying and protective devices based on electron beam fast cyclotron wave. Proc. of 2nd International Vacuum Electronics Conference, April 2-4, 2001, Noordwijk, the Netherlands.

3.  Гэленицкий И. И., Духина Н. Г., Будзинский Ю. А., Быковский С. В. Моделирование трехмерной электроннооптической системы циклотронного защитного устройства. — В кн. 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — Севастополь: Вебер, 2001, с. 216-217. ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

РАСЧЕТ СТУКТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ТРАЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Воробьев Г. С., Пономарев А. Г., Дрозденко А. А. Сумский государственный университет ул. Римского-Корсакова, 2, Сумы 40007, Украина тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua


Аннотация В работе описана методика расчета структуры поля и траекторного анализа электронного пучка в аксиально-симметричной электронной пушке. Определено влияние параметров электронной пушки на формирование электронного пучка и на его характеристики, а также теоретически подобраны оптимальные режимы работы электронно-оптической системы.

I.  Введение

Электронные пучки, которые еще сравнительно недавно использовались в специальных приборах СВЧ и КВЧ, в настоящее время стали эффективным инструментом при обработке поверхностей, нанесении покрытий, получении новых структур и материалов. Не менее важным является применение свойства пучков осуществлять перенос и преобразование энергии. Информация о пространственной конфигурации и микроструктуре электронного пучка в приборах СВЧ является основополагающей при их конструировании и оптимизации основных параметров. В этом плане существует достаточно много теоретических и экспериментальных работ, которые достаточно полно обобщены в ряде монографий и обзоров [1-

2]    . Однако данные методы не являются универсальными, и в каждом конкретном случае требуется свой индивидуальный подход. В данной работе разработана методика расчета структуры электростатического поля и пространственной конфигурации электронного пучка, применимая в расчетах аксиальносимметричных электронно-оптических систем.

II.  Основная часть

Объектом исследования в данной работе является аксиально-симметричный электронный пучок [3], который используется в СВЧ приборах типа ЛБВ. Он формируется трехэлектродной пушкой со сходящейся оптикой и далее вводится в замедляющую систему, где фокусируется периодическим магнитным полем. В исследуемой пушке катод выполнен в виде керна из вольфрам-рениевой смеси с активированной поверхностью. Пушки такого типа позволяют формировать электронные пучки с диаметром в кроссовере порядка 0,1-0,5мм, током пучка 1=5-30мА при ускоряющих напряжениях 2000-6000В.

Расчет структуры электрического поля базируется на разделении всех электродов пушки на элементарные заряженные участки. Далее, применяя метод интегральных уравнений [4], рассчитываются величины зарядов этих участков. Информация о расположении и величине зарядов всех элементарных участков дает возможность, путем суперпозиционного наложения полей зарядов элементарных участков, определить структуру результирующего электрического поля внутри электронной пушки.

На рис.1 показана конфигурация аксиальносимметричной электронной пушки, состоящей из следующих элементов: 1 фокусирующий электрод, 2 первый анод, 3 второй анод, 4 термокатод.

Приведенная структура электрического поля соответствует потенциалам 11ф=0 В, Uai = 180 В и Ua2=3200 В. Напряжения приведены относительно испускающего термокатода.

Рис. 1 Fig. 1

При компьютерном моделировании, электрон помещается в электрическое поле непосредственно в точке катода, и далее рассматривается его движение в силовом поле. Т.к. движение описывается системой дифференциальных уравнений, то применяется неявный пошаговый метод Эверхарта[5] для получения траектории одного электрона (аналог метода Рунге-Кутта).

При прохождения в этом поле порядка 1000 частиц, эмитируемых различными участками катода, формируется огибающая пучка. После чего вводится ряд корректировок для учета расхождения электронного пучка вследствие действия пространственного заряда с последующим его сжатием электростатическими полями электродов. Относительная погрешность корректировок составляет менее 0,1%.

На рис.2 изображено семейство огибающих пучка при выше указанных напряжениях на электродах и различных величинах тока пучка. Как видно, рост тока не только приводит к увеличению диаметра пучка, но и способствует смещению кроссовера за наружную плоскость анода электронной пушки.

На рис. 3 показана общая картина расположения электронного пучка в центральной части электрического поля пушки при значении тока пучка 2мА.

Полученные результаты траекторного анализа качественно согласуются с экспериментальными исследованиями данного типа электронно-оптических систем [3].

III.  Заключение

В работе предложена методика расчета полей и траекторного анализа электронов для аксиальносимметричных электронно-оптических систем. Проведены расчеты для конкретной электронно-оптической системы, которые коррелируют с результатами ранее полученных экспериментальных данных.

[1]    Александров Г.И., Заморозков Б.М., Калинин Ю.А. и др. //Обзоры по электронной технике. Серия «Элетроника СВЧ», 1973, Вып. 8 (108). 206 с.

[2]    Новые методы расчета элетронно-оптических систем: [статьи], М.: Наука, 1983.

[3]    Воробьев Г. С., Нагорный Д. А., Пушкарев К. А., Белоусов Е. В., Корж В. Г. Фотометод диагностики аксиально-симметричных электронных пучков. // Изв. Вузов. Радиоэлектроника.-1998. №6. с. 59-64.

[4]    Молоковский С. И. Сушков А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. М: Энергоатомиздат, 1991.

–      304 с.

[5]    Бордовицына Т. В. Современные численные методы в задачах небесной механики. -М: Наука,1984. 136 с.

CALCULANION OF STRUCTURE OF

ELECTRIC FIELD AND TRAJECTORY ANALYSIS OF ELECTRON BEAM IN THE AXIAL-SYMMETRIC ELECTRON-OPTICAL SYSTEM

G. S. Vorobjov, A. G. Ponomarev, A. A.Drozdenko Sumy State University

1      Rymski-Korsakov St., Sumy-40007, Ukraine e-mail: vp@ssu.sumy.ua

Abstract Described in this paper is the procedure of field structure design and trajectory analysis of electronic beam in the axial-symmetric electronic gun. Influence of electronic gun parameters on electronic beam forming and on its characteristics is determined. Optimum operation modes of the electronoptical system are theoretically chosen.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты