Голеніцкій І. І., Духін Н. Г., Будзинський Ю. А., Биковський С. В. Федеральне державне унітарне підприємство НВП «Исток» 141190, Московська область, г.Фрязіно, Вокзальна 2а, Росія Fax: (095) 9749013 ; e-mail: istkor(S>elnet.msk.ru


Анотація Наведено результати дослідження системи формування високопервеансного (~ 7.4МкА / В3/2) Стрічкового електронного потоку в вузькому пролітному каналі (0.2×2 мм2) Циклотронного захисного пристрою (ЦЗУ) довгохвильового ділянки СВЧ-діапазону (f ~ 3 Ггц) в слабкому магнітному полі (В / ВБр ~ 1.5). Для ослаблення расфокусировки країв потоку і поліпшення токопрохождения в області гармати введена локальна неоднорідність магнітного поля, пікове значення якого перевищує величину поля в робочому зазорі, а компоненти поля за певним законом змінюються по ширині катода. Зазначене поле створюється за допомогою тонкого циліндра-концентратора, встановленого в центрі катодного полюсного наконечника (ПН). Визначено вимоги до профілю концентратора і його просторової орієнтації щодо катода. Дослідження виконані методом комп’ютерного моделювання в тривимірній постановці (3D).

I. Вступ

Основним обмеженням в області формування високопервеансних стрічкових електронних потоків в супроводжує магнітному полі є деформація їх країв під впливом некомпенсованих сил просторового заряду. В електронних приладах СВЧ О-типу цей ефект пригнічується, як правило, інтенсивним магнітним полем, багаторазово перевищує бріллюеновское значення. Величина фокусуючого поля в даному випадку вибирається шляхом компромісу між токопрохождения і масо-габаритними параметрами приладу.

В ЦЗУ [1, 2] індукція робочого поля визначається заданою частотою г | В = ооз = З. На короткохвильовому ділянці f ~ ЮГгц з інтенсивним магнітним полем В ~ О.ЗТл створюється досить високий запас по полю В / ВВР ~ 5 і досягається задовільний токопрохождения потоку з первеансом Рм ~ 7 МКА / В3/2. Навпаки, в ЦЗУ довгохвильового діапазону Г ~ ЗГгц індукція робочого поля і величина запасу відповідно знижуються (В ~ 0.1Тл; В / Вбр -1.5) І тому повне проходження на колектор можливо для потоку з низьким значенням первеанса ~ 2 мкА / В3/2 . Це призводить до зниження провідності резонатора системи та звуження робочої смуги частот ЦЗУ. Таким чином, актуальною стає завдання формування високопервеансних стрічкових потоків в слабких магнітних полях.

В даній роботі методом комп’ютерного моделювання в тривимірній постановці (3D) розглянуто один із можливих способів вирішення цієї задачі для ЦЗУ довгохвильового діапазону шляхом створення в області гармати локальної неоднорідності магнітного поля з певним розподілом в площині катода.

II. Магнітне поле на катоді

Магнітне поле в робочому зазорі ЦЗУ створюється за допомогою магнітної системи (МС) на постійних магнітах (Рис.1). Як показано в [3], на фокусування стрічкового потоку впливає не тільки величина індукції поздовжнього магнітного поля в робочому зазорі, але й поле на катоді. Останнє створюється за допомогою тонкого циліндричного електрода з магнітомягкого матеріалу концентратора, встановленого в центрі катодного полюсного наконечника (ПН).

Рис. 1. Магнітна система ЦЗУ:

1 магнітопровід; 2постоянние магніти;

3, 4катодний ПН; 5 концентратор; 6,7,8 колекторний ПН; 9 електронний потік.

Зміна Bz по довжині системи

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 комп’ютерного моделювання форма і просторове розташування концентратора були оптимізовані з умов досягнення максимального первеанса стрічкового потоку і його повного проходження на колектор. У порівнянні з раніше застосовуваним діаметр концентратора був збільшений з 0.7мм до 1.4мм, а його торець, звернений в сторону катода, виконаний у вигляді двох взаємоперпендикулярних площин, лінія перетину яких проходить через вісь концентратора і повернута відносно площини симетрії катода X0Z на певний кут (Рис.2). У даній конструкції поперечне магнітне поле в площині катода (z = 0) направлено перпендикулярно широкій стороні катода (Вх £ 0; Ву = 0). Величина Вх-компоненти змінюється від нуля в центрі до максимальної на краях катода, а її знак змінюється по обидві сторони від площини симетрії X0Z. Подібне поле призводить до розвороту всього стрічкового потоку щодо його центральної осі в напрямку, протилежному напрямку деформацій його країв. В результаті створюються сприятливі умови для проходження потоку на колектор. Зауважимо, що в системі з простою циліндричної формою концентратора з плоским торцем з боку катода поперечне магнітне поле в катодного площині направлено паралельно широкій стороні катода (Вх = 0; Ву ^ О) при тому ж характері зміни By-компоненти відносно X0Z. Таке поле призводить лише до деякого розтягуванню потоку вздовж широкої стінки і не забезпечує необхідного токопрохождения при високому первеансе потоку.

Рис. 2. Форма і просторове розташування концентратора щодо катода. Розподіл поля по ширині катода і вздовж осі гармати

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

III. Параметри і внутрішня структура потоку

На основі запропонованої конструкції концентратора спроектована електронно-оптична система, що формує в слабкому магнітному полі В / Вбр ~

1.5 стрічковий електронний потік з струмом I ~ 200 мкА, що прискорює напругою 9В і первеансом 7.4 мкА / В3/2 на рівні, досягнутому в ЦЗУ короткохвильового діапазону. Електронний потік повністю проходить на колектор (Ріс.З). На основі розрахункових даних розподілу щільності струму по перетину потоку (Рис.4) чітко проглядається розворот потоку на виході з гармати. Однорідна структура потоку зберігається менш ніж на половині довжини пролітного каналу; в області 2-го резонатора потік розпадається на окремі струмені, тобто проявляється відомий ефект діокотронной нестійкості, який практично не погіршує проходження потоку на колектор.

Рис. 3. Оптична система. Загальний вигляд; проекції траєкторій електронів на координатні площини X0Z і Y0Z в просторі від катода до колектора

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

IV. Висновок

Запропонований спосіб дозволив підвищити первеанс стрічкового потоку з 2 до 7.4 мкА / В3/2 і забезпечити повне його проходження на колектор в слабкому магнітному полі (В / ВВР ~ 1.5) ЦЗУ довгохвильового діапазону СВЧ (f ~ ЗГгц). Так само він може виявитися корисним з точки зору зменшення запасу по полю і зниження масо-габаритних параметрів ЕВП СВЧ О-типу з стрічковими електронними потоками.

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

Рис. 4. Розподіл щільності струму по поперечному перерізу потоку на різній відстані від 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. Література

1. Будзинський Ю. А., Биковський С. В., Вільданов С. А.,

ГоудцовД. Н “Іллічов Н. В., Саврухін О. А.,

Шмельов І.А. Комплексировані підсилювачі з циклотронной захистом для приймачів РЛС. – В кн. 11-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо’2001). Матеріали конференції [Севастополь, 10-14 вересня

2001 р.]. -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. Геленіцкій І. І., Духін Н. Г., Будзинський Ю. А., Биковський С. В. Моделювання тривимірної електроннооптичний системи циклотронного захисного пристрою. – В кн. 11-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо’2001). Матеріали конференції [Севастополь, 10-14 вересня 2001 р.]. – Севастополь: Вебер, 2001, с. 216-217. ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

РОЗРАХУНОК стуктура ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ І траєкторних АНАЛІЗ ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА в аксіальній-симетричних ЕЛЕКТРОННО-ОПТИЧНОЇ СИСТЕМІ

Воробйов Г. С., Пономарьов А. Г., Дрозденко А. А. Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, Суми 40007, Україна тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua


Анотація У роботі описана методика розрахунку структури поля і траекторного аналізу електронного пучка в аксіально-симетричної електронної гармати. Визначено вплив параметрів електронної гармати на формування електронного пучка і на його характеристики, а також теоретично підібрані оптимальні режими роботи електронно-оптичної системи.

I. Вступ

Електронні пучки, які ще порівняно недавно використовувалися в спеціальних приладах НВЧ і КВЧ, в даний час стали ефективним інструментом при обробці поверхонь, нанесенні покриттів, отриманні нових структур і матеріалів. Не менш важливим є застосування властивості пучків здійснювати перенесення і перетворення енергії. Інформація про просторової конфігурації і мікроструктурі електронного пучка в приладах НВЧ є основоположною при їх конструюванні та оптимізації основних параметрів. У цьому плані існує досить багато теоретичних і експериментальних робіт, які досить повно узагальнено в ряді монографій і оглядів [1 –

2]. Проте дані методи не є універсальними, і в кожному конкретному випадку потрібно свій індивідуальний підхід. У даній роботі розроблена методика розрахунку структури електростатичного поля і просторової конфігурації електронного пучка, застосовна в розрахунках аксіальносімметрічних електронно-оптичних систем.

II. Основна частина

Об’єктом дослідження в даній роботі є аксіально-симетричний електронний пучок [3], який використовується в СВЧ приладах типу ЛБВ. Він формується трьохелектродної гарматою зі сходящейся оптикою і далі вводиться в замедляющую систему, де фокусується періодичним магнітним полем. У досліджуваній гарматі катод виконаний у вигляді керна з вольфрам-ренієві суміші з активованою поверхнею. Гармати такого типу дозволяють формувати електронні пучки з діаметром в кросовері порядку 0,1-0,5 мм, струмом пучка 1 = 5-30мА при прискорюють напругах 2000-6000В.

Розрахунок структури електричного поля базується на поділі всіх електродів гармати на елементарні заряджені ділянки. Далі, застосовуючи метод інтегральних рівнянь [4], розраховуються величини зарядів цих ділянок. Інформація про розташування і величиною зарядів всіх елементарних ділянок дає можливість, шляхом суперпозіціонного накладення полів зарядів елементарних ділянок, визначити структуру результуючого електричного поля всередині електронної гармати.

На рис.1 показана конфігурація аксіальносімметрічной електронної гармати, що складається з наступних елементів: 1 фокусуючий електрод, 2 перший анод, 3 другий анод, 4 термокатодом.

Наведена структура електричного поля відповідає потенціалам 11Ф = 0 В, Uai = 180 В і Ua2= 3200 В. Напруження наведені щодо випускає термокатодом.

Рис. 1 Fig. 1

При комп’ютерному моделюванні, електрон поміщається в електричне поле безпосередньо в точці катода, і далі розглядається його рух в силовому полі. Т.к. рух описується системою диференціальних рівнянь, то застосовується неявний покроковий метод Еверхарт [5] для отримання траєкторії одного електрона (аналог методу Рунге-Кутта).

При проходження в цьому полі близько 1000 часток, емітованих різними ділянками катода, формується огинає пучка. Після чого вводиться ряд коригувань для обліку розбіжності електронного пучка внаслідок дії просторового заряду з наступним його стисненням електростатичними полями електродів. Відносна похибка коригувань складає менше 0,1%.

На рис.2 зображено сімейство огинають пучка при вище зазначених напругах на електродах і різних величинах струму пучка. Як видно, зростання струму не тільки приводить до збільшення діаметра пучка, а й сприяє зміщення кросовера за зовнішню площину анода електронної гармати.

На рис. 3 показана загальна картина розташування електронного пучка в центральній частині електричного поля гармати при значенні струму пучка 2мА.

Отримані результати траекторного аналізу якісно узгоджуються з експериментальними дослідженнями даного типу електронно-оптичних систем [3].

III. Висновок

В роботі запропонована методика розрахунку полів і траекторного аналізу електронів для аксіальносімметрічних електронно-оптичних систем. Проведено розрахунки для конкретної електронно-оптичної системи, які корелюють з результатами раніше отриманих експериментальних даних.

[1] Александров Г.І., Заморозків Б.М., Калінін Ю.А. та ін / / Огляди з електронної техніки. Серія «Елетроніка СВЧ», 1973, Вип. 8 (108). 206 с.

[2] Нові методи розрахунку елетронній-оптичних систем: [статті], М.: Наука, 1983.

[3] Воробйов Г. С., Нагорний Д. А., Пушкарьов К. А., Белоусов Е. В., Корж В. Г. фотометодом діагностики аксіально-симетричних електронних пучків. / / Изв. Вузів. Радіоелектроніка.-1998. № 6. с. 59-64.

[4] Молоковський С. І. Сушков А. Д. Інтенсивні електронні та іонні пучки. М: Вища школа, 1991.

– 304 с.

[5] Бордовіцина Т. В. Сучасні чисельні методи в задачах небесної механіки. -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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.