Пушки Пирса со сходящимся пучком

Министерство Образования и науки Российской Федерации
НГТУ

Курсовая работа
«Пушка Пирса со сходящимся пучком»
Факультет:
Группа:
Студент:
Преподаватель:
Новосибирск 2007
Введение
В геометрической электроннойоптике, где имеет ме­сто оптико-механическая аналогия, предусматривающая, вчастности, отсутствие взаимодействия электронов меж­ду собой, рассматривается,как правило, формирование электронных пучков, в которых действием объемного за­рядапрактически можно пренебречь. Тогда можно гово­рить о фокусировке электронныхпучков в обычном опти­ческом смысле, что и имеет место в целом ряде элек­троннолучевыхприборов.
В этом смысле наряду с понятием фокусировки пра­вомерны и понятия обэлектронном пучке, электронном луче, электронной линзе и т. д.
В ряде случаев, однако, когда объемный заряд, а сле­довательно, ивзаимодействие электронов между собой становятся заметными, основные положенияклассичес­кой геометрической электронной оптики теряют силу. Необходимо ужеобязательно учитывать действие прост­ранственного заряда.
Такое положение наблюдается в целом ряде прибо­ров СВЧ (клистроны, ЛБВ,ЛОВ и др.)» где работа при­бора основана па взаимодействии электронного потокас высокочастотными полями и параметры этого пото­ка— его размеры, ток, энергияэлектронов — решающим образом определяют качество прибора в целом. Так жеобстоит дело и во все более развивающейся в настоящее время области примененияэлектронных 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 (наи­болеешироко употребляемый термин) первеансом пучка:

где / — ток пучка; U— пройденная электронами разностьпотенциалов.  Ясно,  что с ростом /  и  уменьшением U, взаимодействие электронов будет все более заметным. В обычныхэлектроннолучевых приборах первеанс пучков, как правило,   не превышает 10-9 А/в3/2,  и в этом случае действием пространственногозаряда в них можно пренебречь. Если же  Р > 10-8 — 10-7А/в3/2,  то действие   прост­ранственногозаряда необходимо учитывать.
Такие пучки уже следует считать интенсивными, идля их рассмотрения совершенно недостаточно аппарата обычной геометрическойэлектронной оптики. Отметим, что в этом случае ряд понятий геометрическойоптики, такие, как фокусировка, электроннооптическая система и некоторыедругие, по существу теряют смысл и могут применяться только условно.
Правильнее пользоваться в этом случае, например, терминами формированиепучка, система фор­мирования и т. д., хотя термин фокусировка по инерции влитературе употребляется весьма широко.
Общая схема системы формированияинтенсивных электронных пучков.
Практически в любом случае систему, формирующуюэлектронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыреосновные (рис. 1) области:

Рис. 1. Общая схема системы фор­мирования электронных пучков.
         I— область электронной пушки, состоящей из катода1, 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 случаесварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости итак на­зываемая поперечно-ограничивающая, «фоку­сирующая» система 5.Конструкции таких систем доволь­но многообразны. В частности, она может представлятьсобой длинный соленоид. Ее назначение — создать маг­нитное или электрическоеполе, препятствующее расши­рению электронного пучка в пролетной трубе.
В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допу­ститьосе
дания значи­тельной части тока пуч­ка на стенках трубы, т. е.обеспечить хоро­шее токопрохождение. В частном случае (на­пример, отражатель­ныеклистроны) этой системы может и не быть.
III— приемник или коллектор пучка6, кото­рый может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду вэлектронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». Впоследнем случае ос­новной эффект, ради которого создается прибор и фор­мируетсяпучок, происходит именно на приемнике, на­пример плавка или сварка.
И, наконец, IVобласть — переходная между пуш­кой ипоперечно-ограничивающей системой, поля в кото­рой должны быть такими, чтобыобеспечить согласован­ное действие Iи IIобластей. Как правило, переходнаяобласть является важнейшей с точки зрения формиро­вания пучка, хотя, в случаеесли поле поперечно-ограни­чивающей («фокусирующей») системы простирается докатода пушки, этой области может и не быть.
Основные типы пучков
Конфигурация встречающихся напрактике пучков может быть весьма разнообразной. Однако, хотя и не­сколькоусловно, можно из них выделить пучки наибо­лее типичной формы. В первую очередьэто сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение ко­торых имеетвид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2, а), так и коническими,т. е. схо­дящимися (рис. 2, б).
Все больший интерес проявляетсяк трубчатым пуч­кам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которыхпредставляет собой кольцо (рис. 2, в, г).
Следует указать также наленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собойпрямоугольник, одна сторона которого значительно боль­ше другой. Такие пучкитакже могут быть параллельны­ми или сходящимися — клиновидными  (рис. 2, д, е).

Рис. 2. Основные типы пучков.
Ввиду наибольшей распространенностиак­сиально-симметричных пучков в дальнейшем рассмотрении им будет уделено основноевнима­ние. Другие типы пучков рассматриваются менее подробно. Ко всем типампучков могут быть предъ­явлены некоторые общие требования, а именно:
1.   Вполне определен­ный, частовозможно бо­лее высокий, микропер-веанс, который в настоя­щее время достигаетеди­ниц мкА/в3/2. Это отра­жает стремление получить пучки с возможнобольшим током при пониженных напряжениях.
2.   Форма пучка должна, возможнолучше соответст­вовать заданной для того, чтобы его можно было про­пуститьчерез пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы
пучка были возможно ближе к еестенкам.
При рассмотрении пучков мыбудем, за исключением специально оговоренных разделов, предполагать:
Параксиальность траекторийэлектронов в пуч­ке.
Ламинарноcть пучков.Это значит, что траекто­рии отдельных электронов в пучке не пересекаются и пу­чокв целом имеет четкую границу, очерченную траекто­риями крайних электронов.Равномерность распределения плотно­сти объемного заряда в    пучке.
Отсутствие начальных тепловыхскоро­стей электронов на катоде.
Отсутствие релятивистскихэффектов, в частности магнитных полей, создаваемых движущими­ся электронами.
Указанные предположения в тойили иной степени на практике не реализуются. Однако, как показывает опыт, онивесьма близки к действительности и существенно об­легчают рассмотрение основныххарактеристик пучков и систем их формирования.
                              Принцип построения пушек Пирса


Наибольшее распространениеполучили так называе­мые пушки Пирса, принцип построения которых заклю­чается вследующем. Если рассмотреть диоды с идеаль­ной геометрией, а именно плоский,сферический или ци­линдрический (рис. 3), и выделить из всего электронно­гопотока в них определенную часть требуемой конфигу­рации, как это показано нарисунке, то мы получим в зависимости от формы диода аксиально-симметричный илиленточный параллельный или сходящийся пучок.
Рис. 3. Выделение электронных пучков в диодах   простой   формы.

При этом влияние отброшеннойчасти электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквива­лентнымвлиянием некоторого электрического поля, ко­торое, будучи созданным впространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:
1.  Распределение потенциала вдольграницы пучка должно остаться прежним, соответствующим распреде­лению поля ввыбранном исходном диоде.
2.  Напряженность поля, нормальная кгранице пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы,приводящие к расширению пучка.
Определив поле, отвечающее этимтребованиям, не­обходимо рассчитать или подобрать конфигурацию элек­тродов, изкоторых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевойэквипотенциалью поля, а дру­гой имеет потенциал анода и совпадает по форме с экви­потенциалью,соответствующей анодному напряжению Ua. Тогда указанная система электродовобразует тре­буемый электронный пучок с прямолинейными траекто­риями.
Такого типа пушки и получилиназвание пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в ихоснову, иногда называют принципом прямолиней­ной оптики.
Пушки Пирса со сходящимся пучком
Используя часть сферического илицилиндрического диодов, показанных на рис. 1, б и в, можно, очевидно, получитьсоответственно сходящийся аксиально-симме­тричный или ленточный пу­чок (рис. 4).
Очевидно, в такихпуш­ках, если учесть рассеиваю­щее действие линзы в обла­сти анодногоотверстия, можно на выходе из пушки, в частности, получить па­раллельный пучок.Кроме того, плотность тока в пучке может значительно превы­шать плотность токас като­да (так называемая ком­прессия пучка).
Наибольшеераспространение получила пушка Пирса с аксиально-симметричным сходящимсяпотоком — пуш­ка сферического типа (рис. 4), которую мы, в основ­ном, и рассмотрим.
Рис. 4. К рассмотрению пуш­ки со сходящимся пучком.
Полный ток сферического диода врежиме простран­ственного заряда может быть представлен выражнием:

                                                                                                                             (1)
где (-α)2 — функция Ленгмюра, зависящаяот 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 Rявляетсятекущей координатой, а р меняется от 1 до ра.
Для     формирования  сходящегося аксиально-симме­тричного пучка с использованием катода, имеющего вид участкасферы радиуса RK, необ­ходимо, как и в предыдущем случае, заменитьдействие отбра­сываемой части потока полем, образуемым фокусирующим элек­тродом,имеющим потенциал ка­тода, и анодом.
Форму электродов, обеспечи­вающуювдоль 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   сферическоготипа при различных Θ и ра
Эквипотепциаль, соответствующаяфокусирующему электроду, подходит к границе потока под углом 67,5°, остальные —под углом 90°.


Напрактике обычно выполняют электроды более простой формы, в той или иной степениаппроксимирую­щей контуры требуемых поверхностей (рис. 7 и 8)    
Рис. 7. Примерпрактической 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.
Впушке сферического типа анодное отверстие также служит причиной появлениярассеивающей линзы, и по­этому угол схождения пучка по выходу из пушки всег­даменьше 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 fравна 4Ua/Ea.Так   как   Eb= 0.

Следовательно, величина

Окончательно:


Таким образом,отноше­ние sinγ/sinΘопределяется только ρa=Rk/Raи не за­висит от других парамет­ров пушки. Зависимость sinγ/sinΘотρaпоказана на рис.10. При  ρa=1,45 sinγ/sinΘ= 0.
      Следовательно, в этом случае при любых Θэлек­тронывыходят из анодного отверстия, параллельно оси z, т. е. на выходе пушкиполучается параллельный аксиально-симметричный пучок. Если ρa>1,45, то пучок  на   выходе   пушки  будет сходящимся, если ρa
Рис. 10. Графики для расче­та пушки   сферического   типа.
Рассмотрим теперь элементы расчета пушки сфери­ческоготипа. Ток части сферического диода /, образую­щего пушку, относится к полномутоку диода /Сф как , где    — площадь катода,  ограниченного углом Θ.Тогда, используя (2), получаем:

Если учесть, что
    (5)
Следовательно,величина
(6)
УголΘ определяется так
 (7)
Крометого, считая углы Θ и γ малыми и примерно равными их синусам и обозначаяотношение
 (8)
График функции F(pa) представлен на рис. 10.Тогда, если заданы требуемые ток пучка / и Uа, а такжеγ — угол наклона крайних траекторий пучка и rа— егорадиус на выходе из пушки, можно из (8) определить F(pa), по которой определить раи угол Θ рис.10, затем по простому гео­метрическому соотноше­нию рис. 9опреде­ляется Rа= ra/sinΘ,от­куда легко определяется Rк и плотностьтока на катоде.
В дальнейшем мы увидим, что при расчете пушки могутиметь место и иные исходные данные, вытекающие из задачи ее согласования спопереч­но-ограничивающей системой, однако они в конечном счете могут бытьсвязаны с величинами /, U, γи rа.
Пушка цилиндрического типа, образованнаячастью цилиндрического диода (рис. 3, в), может, как указы­валось, сформироватьсходящийся ленточный (клиновид­ный) пучок. Рассмотрение и расчет такой пушкианалогичны при­веденным для сферической пушки.
Диафрагмас круглым отверстием (формирующий электрод)
Представим себе весьма простую электроннооптическуюсистему (рис. 11, а), состоящую из двух плоских параллельныхэлектродов с потенциалами U1, и U2между которыми помещен третийэлектрод, имеющий круглое отверстие, —диафрагма радиуса Rи потенциал Ua. Если Rзначительноменьше d1и d2— расстояний между пло­скостями и диафрагмой, то вдалиот нее электрическое поле будет однородным и его напряженность определит­сяпотенциалами соответствующих электродов и расстоя­ниями между ними.
В некоторой же области вдоль оси zбудетиметь ме­сто провисание эквипотенциалей из области с большей напряженностьюполя в область с меньшей напряженно­стью.
Следовательно, в этой области однородноеполе иска­жается. Из геометрических соображений ясно, что оно будетаксиально-симметричным, т. е. в области диаф­рагмы образуется электроннаялинза. Естественно, что это будет иметь место лишь в том случае, если выполня­етсясоотношение:



Рис. 11. Собирающая линза—диафрагма.


Рис. 12. Рассеивающая линза—диафрагма.
При этом возможны два случая, иллюстрируемые на (рис. 11и 12). В первом случае (рис. 11, а) величина Е1  в пространстве слева от диафрагмыменьше, чем величина Е2 справа от нее. Следовательно, припереходе области диафрагмы вдоль оси zскоростьроста 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 линзасобирающая. Опти­ческий эквивалент такой электронной линзы может бытьпредставлен в виде двояковыпуклой собирающей свето­вой линзы  (рис. 11, д).
Второй возможный случай (рис. 12)соответствует уменьшению Eпри переходе через область диафрагмы. Рассмотрениепредставленного на (рис. 12, б- г) характе­ра распределения потенциалавдоль 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 безграничныйэлектрон­ный 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 среднегоU0
Очевидно, что распределение потенциаламежду элек­тродами будет иметь вид, представленный на (рис. 12) с   минимумом   при z= 0.
Если теперь отбросить большую частьпучка, оста­вив только требуемых размеров аксиально-симметрич­ный или ленточныйпу­чок, то для его формиро­вания необходимо подо­брать форму электродов, создающихна границе пучка поле, удовлетво­ряющее тем же требова­ниям, что и поле в пуш­кахПирса. Это можно сделать в электролитической ванне тем же методом, что и прирасчете 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 можнополучить пучок постоянного сечения. При этом ясно, что при увеличении длинысистемы будет возрас­тать и необходимая для ее работы разность потенциа­лов (U1—U0),что практически ограничивает протяжен­ностьпучка.
Для   ее   увеличения  можно  применить систему,   со­ставленную из ячеек, изображенных на (рис.  14). Наличие сеток в высоковольтныхэлектродах ограни­чивает ток пучка из-за их перегрева, поэтому обычно сетки неприменяются. Это приводит к расширению пуч­ка при прохождении высоковольтныхэлектродов 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 иимеет отличное по сравнению с пушками Пирса распределение потенциалавдоль границы пучка. Появляются радиальные силы и как следствие этого —пульсации. Для уменьшения этих эффектов увеличивается диаметр диафрагм в электродахи корректируется их форма.
Современное применениепушек для создания интенсивных электронных пучков
Плавка
Применение тугоплавкихметаллов приобретает все возрастающее значение в развитии науки и техники — атомной энергетике, авиационной и ракетной технике, химической промышленности имногих других. За последние десятилетия в технологии редких и тугоплавких металловполучили широкое распространение методы плавления в вакуумных электропечахразнообразной конструкции — индукционных, дуговых, электронно-лучевых. Винституте Гиредмет разработан и нашел промышленное применение способ полученияниобия, тантала и других тугоплавких металлов восстановлением их пятиокисей алюминием,так называемый алюминотермический метод восстановления с последующей вакуумнойплавкой. В 1998 — 1999 годах была создана электронно-лучевая установка дляплавки ниобия и других тугоплавких металлов, полученных методом алюминотермическоговосстановления.       
     Установка работает следующим образом: исходныйматериал — дробленые куски ниобий-алюминиевого сплава в количестве 55-65 кг, загружается в ваннумедного водоохлаждаемого кристаллизатора и после электронно-лучевого переплаваполучается плоский слиток — полуфабрикат с размерами 20х200х2000 мм, пригодныйдля дальнейшей переработки. На установке применяется электронная двухкаскаднаяпушка аксиального типа. Танталовый катод разогревается электроннойбомбардировкой от разогретой вольфрамовой спирали — первый каскад. Образующийсяпучок электронов разгоняется в катод-анодном промежутке напряжением второгокаскада и направляется на исходный материал, находящийся в кристаллизаторе.
Лучеводы электронной пушкиснабжены фокусирующими магнитными линзами, системой управления электронногопучка.
      Камера пушки имеет поперечный вакуумный затвор,позволяющий отсекать ее объем от рабочего объема установки. Откачка объемапушки производится отдельной вакуумной системой. Высоковольтная часть пушкизакрыта защитным кожухом с блокировкой. В конструкции установки предусмотренаблокировка по высокому напряжению в случае ухудшения вакуума в рабочем объеме. Спомощью автоматической системы управления электронный пучок в процессе плавкисканирует в пределах ширины ванны кристаллизатора, а сам кристаллизаторперемещается в продольном направлении со скоростью 8 — 30 мм/мин с помощьюэлектромеханического привода.
Сварка
Классификациятехнологических приемов сварки и ремонта швов электронным пучком. По степениизученности и применяемости известные технологические приемы сварки можноразделить на три группы.
К первой относятся наиболее изученные и широко применяемые в промышленностиприемы: развертка и наклон электронного пучка; модуляция тока электронногопучка; подача присадочного материала; применение подкладок; сварка смещенным ирасщепленным электронным пучком; выполнение прихваток, предварительных и«косметических» проходов; сварка секциями.
     Вторая группа включает приемы,хорошо изученные в лабораторных условиях, но не получившие пока практическогоприменения: «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 сиспользованием широкой вставки; сварка с дополнительным теплоотводом; двухсторонняясварка; вибрация свариваемого изделия; ввод ультразвуковых колебаний в сварочнуюванну.
     По типам физического воздействиятехнологические приемы делят на четыре группы: управление пространственно-энергетическимипараметрами электронного пучка (периодическое и статическое отклонение,модуляция токов электронного пучка и фокусирующей линзы); применениедополнительных конструктивных элементов и материалов (подкладки, вставки,накладки, наплавки, теплоотводящие элементы, присадки, флюсы); специальныесварные швы (дополнительные проходы, прерывистые швы, дополняющие швы);механическое воздействие на сварочную ванну (вибрация изделия, вводультразвуковых колебаний).
                       Список литературы:Л. Г. Шерстнев. «Электронная оптика и электронно-лучевые приборы» Учебник для студентов высших технических учебных заведений, —  Москва, «Энергия», 1971г. А.А. Жигарев, Г.Г. Шамаева. «Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы» Учебник для вузов. – Москва: Высшая школа, 1982 г. Данные о новейших разработках взяты с сайта www.seo.ru