Электронная пучков Пирса

     

     Это выражение не учитывает влияния  на отбор тока катода отверстия, которое  прорезается в анодном электроде  для вывода электронного пучка из пушки (рис. 9). Если отверстие не закрыто сеткой, то оно приводит к ослаблению градиента поля у катода и уменьшению величины токоотбора. Заметное отличие тока, отбираемого с катода, от тока, определяемого данным выражением, наблюдается в тех случаях, когда размер отверстия 2уп сравним с расстоянием катод—анод d (2yn ≈ d). Кроме того, наличие отверстия нарушает условия движения электронного потока в области пушки и приводит, в частности, к появлению у электронов потока y-составляющих скоростей, направленных от плоскости симметрии системы, в результате чего на выходе из пушки электронный по ток будет расходящимся. 

     Приближенно последний эффект анодного отверстия  можно учесть, рассматривая это отверстие как щелевую линзу, фокусное расстояние которой f = 2U/(E1 — Е2), где:

     U — потенциал электрода щелевой  линзы (в нашем случае он  равен потенциалу анода);

     E1 — напряженность поля слева  от электрода при отсутствии  в нем отверстия;

     Е2 —напряженность поля справа от электрода при том же условии (для рассматриваемого случая обычно внешнее поле за анодом пушки отсутствует и, следовательно, Е2 = 0).

     Величина E1 находится из выражения для распределения потенциала:

     

     Подставляя  в выражение для фокусного  расстояния U=Ua, E2 = 0,  , найдем  . Фокусное расстояние отрицательно, что указывает на рассеивающий характер линзы.

     Используя формулу для фокусного расстояния, можно вычислить угол наклона электронных траекторий на выходе из электрон ной пушки a ≈ tg a ≈  . Для граничных электронов и потока (у = уп) получаем  . Как следует из этого выражения, расфокусирующее действие анодного отверстия возрастает по мере увеличения отношения толщины потока к междуэлектродному расстоянию.

     Влияние расфокусирующего действия анодного отверстия можно существенно уменьшить, если закрыть его достаточно густой сеткой.

     В этом случае преломление электронных  траекторий будет определяться формулой:

     

     где h — шаг сетки. 

     3.2. Формирования параллельного цилиндрического (осесимметричного) пучка. 

     

     Рис. 10. Схематическое  изображение пушек  Пирса для формирования цилиндрического пучка 

     На  рис. 10 схематически изображена пушка  Пирса для формирования параллельного цилиндрического (осесимметричного) пучка.

     Электронная система пушки состоит из катода, прикатодного фокусирующего электрода с потенциалом катода и анода с положительным по отношению к катоду потенциалом.

     При формировании параллельного пучка  катод должен иметь плоскую форму, а прикатодный электрод вблизи катода — форму усеченного конуса с углом наклона образующей 67,5° к перпендикуляру, проведенному к краю катода.

     Анод  может быть либо плоским диском с  отверстием, либо иметь выпуклую в  сторону катода форму в соответствии с формой одной из эквипотенциальных  поверхностей, удаленных от катода (см. рис. 11).

     

     Рис. 11. Распределение  потенциала вблизи цилиндрического  пучка 

     Как видно из приведенного рисунка, эквипотенциальные поверхности имеют довольно сложную форму и изготовление электродов в точном соответствии с рассчитанной конфигурацией приводит к техническим затруднениям. В то же время для формирования пучка решающее значение имеет распределение потенциала вне посредственной близости к его границе. Исследования показали, что изменение электродов вдали от электронного потока мало сказывается на распределении потенциала вдоль его границы.

     Практически вполне достаточно выдержать необходимое (совпадающее с расчетным) распределение потенциала на расстояниях одного-полутора диаметров пучка от его границы. Кроме того, следует учитывать, что наличие анодного отверстия приводит к появлению рассеивающей линзы в области анодного электрода. Для компенсации рассеивающего действия анодной линзы необходимо либо изменить форму анода, либо (чаще) поместить пушку в про дольное магнитное поле. При наличии ограничивающего магнитного поля форма анодного электрода практически не влияет на кон фигурацию пучка.

     Приведенные соображения показывают, что при конструировании пушек вполне возможно выбирать упрощенную форму электродов, обеспечивающую необходимое распределение потенциала лишь вблизи границы пучка. Вдали от границы пучка форму электродов выбирают исходя из конструктивных соображений: просто ты изготовления, удобства крепления и т. д. Упрощенную форму электродов можно наиболее просто подобрать моделированием в электролитической ванне.

     В качестве примера на рис. 5 показано сечение электродной системы, обеспечивающей у границы пучка пирсовское распределение потенциала.

     

     Рис. 12. Упрощенная форма  электродов пушки  Пирса 

     Как видно из рисунка, форма электродов весьма далека от теоретической (идеальной).

     Из  аналитических расчетов следует, что нулевая эквипотенциальная поверхность должна подходить к границе пучка у поверхности катода под углом 67,5°. Точное выполнение этого условия в практической конструкции пушки возможно лишь при изготовлении катода и прикатодного фокусирующего электрода в виде единой детали — усеченного конуса, меньшее отверстие которого закрыто катодом.

     Однако, такое решение неприемлемо по следующим при чинам : фокусирующий электрод, имеющий металлический контакт с термокатодом, будет играть роль радиатора, отводящего тепло от периферийной зоны катода, и для поддержания рабочей температуры катода, обеспечивающей необходимую величину тока эмиссии, потребуется существенное увеличение мощности подогревателя.

     Кроме того, при работе катода имеет место миграция активного вещества (бария с оксидного катода) на поверхность фокусирующего электрода, что приводит к появлению паразитного тока электронной эмиссии с поверхности нагретого прикатодного электрода. Паразитный эмиссионный ток может существенно исказить распределение потенциала в прикатодной области и как следствие привести к заметному изменению условий формирования пучка.

     Поэтому в практических конструкциях пушек между кромкой катода и краем фокусирующего электрода обязательно должен быть хотя бы небольшой кольцевой зазор. Здесь возможно два конструктивных решения. При достаточно большом катоде отверстие в прикатодном электроде делается с радиусом, превышающим радиус катода на ширину зазора (рис. 6-а).

     

     Рис. 13. Конструкции прикатодных электродов 

     В случае же малых катодов, когда для  размещения подогревателя необходима полость с диаметром, превышающим диаметр эмитирующей части катода, фокусирующий электрод располагается перед катодом. В обоих случаях поле вблизи зазора искажается, эквипотенциальные поверхности «провисают» в зазор. Это «провисание» поля при водит к искривлению траекторий электронов, испускаемых периферийной частью катода.

     Возмущение  крайних траекторий полем зазора является очень нежелательным явлением, так как именно крайние электроны  определяют конфигурацию пучка и  оседание части электронного потока на электроды фокусирующей системы. Искажение поля вблизи зазора зависит не только от ширины самого зазора, но также от формы краев катода и фокусирующего электрода. Технологические скругления кромок приводят к увеличению «провисания» поля и возмущению большей доли электронов.

     Расчет  показывает, что при ширине зазора 0,1 мм и радиусе скругления кромки катода того же порядка доля возмущенных электро нов может составить 10—15% от общего электронного потока, уходящего с катода. Таким образом, при проектировании пушек не обходимо стремиться к уменьшению ширины зазора и делать кромки электродов возможно более острыми.

     Некоторое снижение доли возмущенных электронов удается получить путем подведения к фокусирующему электроду небольшого отрицательного относительно катода коррегирующего напряжения. В этом случае у краев катода создается тормозящее поле, препятствующее уходу электронов с краев катода. Конечно, при этом несколько уменьшается общий ток пучка, однако регулировкой коррегирующего напряжения удается заметно уменьшить оседание электронов на положительно заряженные электроды системы формирования.

     При использовании пушки, формирующей цилиндрический пучок, для компенсации этих ускорений требуется увеличение магнитной индукции ограничивающей системы, но и в этом случае амплитуды пульсаций будут большими. Если же пушка формирует сходящийся пучок, то действие анодной линзы приводит к уменьшению приобретенных в поле пушки радиальных ускорений, направленных в сторону оси.

     Соответствующим подбором формы анодного электрода можно получить по выходе из анодного отверстия практически параллельный поток, т. е. свести к минимуму радиальные ускорения электронов, а следовательно, и амплитуду пульсаций границы пучка в заанодном пространстве. И, наконец, в пушках со сходящимся пучком бомбардировке положительными ионами, образующимися вблизи анодного отверстия, подвергается лишь небольшая центральная часть поверхности катода, что также уменьшает преждевременный износ катода. 

     3.2. Формирование параллельного цилиндрического  пучка. 

     Задача  формирования параллельного цилиндрического  пучка решается аналогично рассмотренной  выше задаче формирования параллельного ленточного пучка, с той лишь разницей, что из бесконечного параллельного потока «вырезается» область в виде цилиндра

       

     Рис. 14. Электронная пушка для формирования параллельного

     аксиальносимметричного пучка 

     Для определения формы фокусирующих электродов решается внешняя задача при следующих начальных условиях, заданных на границе области: U = Uа (z/d)4/3, dU/dr = 0.

     Картина эквипотенциальных линий приведена  на рис. 15.

     

     Рис. 15. Карта эквипотенциален для расчета формы электродов пушки, формирующей параллельный аксиальносимметричный пучок 

     Первеанстакой пушки определяется соотношением, вытекающим из закона степени 3/2:

     

     где rк — радиус катода, равный радиусу пучка (rк = rп), d — рас стояние катод—анод, Ua — анодное напряжение, I — ток пучка.

     Расфокусирующее действие анодного отверстия в рассматриваемой пушке можно приближенно учесть, если исходить из предположения, что оно эквивалентно действию линзы-диафрагмы, фокусное расстояние которой

      .

     Тогда угол наклона электронных траекторий на выходе из пушки определяется формулой:

     a ≈ tg a = 

     Если  сюда подставить значение d, найденное  из (15), то получим

     

     где Р — первеанс, мка/в . 
 

     4. Современное применение  пушек для создания  интенсивных электронных  пучков 

     Электронно-лучевые  трубки для дисплеев 

     Сегодня самый распространенный тип мониторов - это CRT (Cathode Ray Tube) мониторы. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Иногда CRT расшифровывается и как Cathode Ray Terminal, что соответствует уже не самой трубке, а устройству, на ней основанному. Используемая в этом типе мониторов технология была разработана немецким ученым Фердинандом Брауном в 1897г. и первоначально создавалась в качестве специального инструмента для измерения переменного тока, то есть для осциллографа.

     Электронно-лучевая  трубка (кинескоп) предназначена для  воспроизведения изображения. Для  создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического  поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку  они попадают на внутреннюю поверхность  стеклянного экрана монитора, которая  покрыта разноцветными люминофорными  точками.

     Поток электронов (луч) может отклоняться  в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством  отклоняющей системы.