Г. Г. соминського

Державний технічний університет, Санкт-Петербург

Вакуумні електронні пристрої, що використовуються для отримання СВЧ-випромінювань великої потужності, досить різноманітні, але їх ріднить важлива властивість: їх характеристики визначаються в значній мірі явищами у своєрідній “активному середовищі” – просторовому заряді високої щільності. Розуміння фізичних процесів, що відбуваються в такому середовищі, знання характеристик електронних потоків необхідні для вдосконалення існуючих СВЧ-пристроїв, а також для виявлення нових способів вирішення завдань СВЧ-електроніки великих потужностей. Просторовий заряд в сільноточних СВЧ- пристроях істотно неоднорідний, являє собою коливальну систему, властивості якої визначаються умовами його створення й утримання, взаємодією електронів з електромагнітними полями і оточуючими електродами. Аналітичне розгляд процесів в такій складній системі стикається найчастіше з непереборними труднощами, а чисельні комп’ютерні методи застосовні, як правило, для розгляду тільки сильно ідеалізованих моделей явищ. З наведених причин експеримент досі є основним, а в багатьох випадках і єдиним способом визначення найважливіших характеристик активного середовища електронних СВЧ-пристроїв. В даний час створено безліч слабовозмущающіх методів діагностики, що дозволяють визначати найважливіші характеристики електронних потоків високої щільності [1-9]. У даному короткому огляді ми обмежимося розглядом методів діагностики тільки електронно-пучкових систем і не будемо детально аналізувати широко використовувані методи вимірювання. Більшою мірою зосередимося на невеликій кількості експериментальних методів, що не описаних детально в існуючих монографіях і оглядах, але становлять інтерес з практичної точки зренія.мішенях [1, 3, 7]. Але ця інформація може бути отримана тільки в одному імпульсі, після чого мішень повинна бути замінена. Краще пристосовані для вимірювання характеристик j (f) спеціально розроблені матричні Багатоелектродні системи, використання яких дозволяє одночасно фіксувати струми на різні ділянки поверхні колектора [12, 13]. Зазначені системи також не позбавлені недоліків. При їх використанні необхідно одночасно вимірювати струми з великої кількості мініатюрних колекторів, що технічно важко. Одна з складних проблем даної методики полягає, крім того, в необхідності виділення малих корисних сигналів на тлі великих за амплітудою – паразитних сигналів.

Підвищити перешкодозахищеність вдається шляхом заміни вимірювання струмів на малі локальні ділянки колектора реєстрацією характеристик рентгенівського випромінювання з цих ділянок, викликаного електронним бомбардуванням [14, 15]. Для виділення рентгенівських випромінювань з локальних ділянок колектора автори робіт [14, 15] використовували спеціальні маски, які пропускали рентгенівське випромінювання з колектора тільки через систему періодично розташованих малих отворів. Проникаюче крізь отвори в масці рентгенівське випромінювання реєструвалося поза вакуумної оболонки експериментального приладу за допомогою мініатюрних pin-діодів [14] або давало “відбиток” на чутливому фотоматеріалі [15]. Незважаючи на очевидне гідність рентгенівської діагностики, вона, як і інші модифікації методу, що використовує Багатоелектродні системи, не забезпечує високого просторового дозволу при реєстрації структури пучка.

Найбільш досконалими з існуючих представляються методи визначення поперечної структури сільноточних електронних пучків на основі реєстрації повної картини рентгенівського (ПРК) [16, 17] або теплового (ПТК) [6] випромінювання з колектора. Розглянемо ці два методи більш докладно на основі даних нашої наукової групи [6, 17]. У рентгенівської діагностики [17] для визначення поперечної структури РЕП реєструвалося розподіл потоку гальмівного рентгенівського випромінювання з колектора. На рис. 1 схематично показано перетин коаксіального діода з магнітною ізоляцією (КДМІ), використаного для формування РЕП. Візуалізація цього розподілу здійснювалася спеціальним рентгенівським електронно-оптичним перетворювачем (РЕОП) з мікроканальних вторічноелектронним помножувачем на вході. Випромінювання з колектора КДМІ прямувало на РЕОП через камеру-обскуру. Зображення з його виходу за допомогою телекамери і системи цифрового перетворення сигналів передавалися в комп’ютер, який використовувався для зберігання та обробки інформації. Просторова роздільна здатність при такому способі реєстрації збільшується зі зменшенням діаметра отвору в камері-обскура і обмежується у зв’язку з цим чутливістю системи реєстрації. В роботі [17] було забезпечено просторовий дозвіл ~ 1 мм. Рентгенівське зображення в РЕОП може бути сформовано за одиниці – десятки наносекунд. Тому описаний метод відкриває можливість спостереження з високим тимчасовим дозволом за зміною структури електронного пучка протягом імпульсу.

Подібна рентгенівської (ПРК) методика теплової візуалізації (ПТК) структури електронного пучка [6]. На рис. 2 схематично показано перетин використаної в [6] аналізує системи. Теплове зображення з бомбардируемого електронним пучком колектора за допомогою дзеркала прямує через вікно на вхід електронно-оптичного перетворювача (ЕОП), чутливого в інфрачервоній області спектра. Дее, як і в методі ПРК, зображення з екрану ЕОП за допомогою телекамери передається в комп’ютер. При використанні такого своєрідного ” тепловізора “важливо звести до мінімуму вплив паразитного світлового випромінювання від плазмових утворень в каналі транспортування РЕП. При дослідженні мікросекундного РЕП зображення колектора спостерігалося після закінчення імпульсу, що прискорює електрони напруги. Таким чином вдавалося виділити корисне теплове випромінювання в зв’язку зі зменшенням до цього моменту рівня плазмових випромінювань. За час затримки теплове зображення слабо змінювалося через теплопровідності. Як показали контрольні вимірювання, в яких спостерігалися неоднорідності РЕП, штучно створювані за допомогою спеціальних електродів, поміщених на шляху пучка, навіть при дослідженні Длінноімпульсний РЕП в методі ПТК досягається просторовий дозвіл 2-3 мм. Здається очевидним, що зі зменшенням тривалості імпульсів просторовий дозвіл, досяжне в методі ПТК, має поліпшуватися.

Методи визначення енергетичних характеристик електронних потоків

Енергетичний спектр електронів, а також їх розкид по поперечної і поздовжньої щодо направлення магнітного поля становить швидкості – найважливіші характеристики електронно-пучкових пристроїв. Для визначення енергетичних характеристик широко використовується в інтервалі енергій аж до WQ~ 50-100 кеВ метод задерживающего поля (МЗП) [8, 18, 19]. При великих енергіях важко забезпечити достатню електричну міцність високовольтних зазорів аналізують систем. Вимірювання енергетичного спектра електронів в області енергій WQ> 100 кеВ можуть бути виконані на основі вимірювання глибини проникнення електронів у тверде тіло [20]. Для реалізації цього методу були створені і використовувалися спеціальні многофольговие аналізатори [20]. Конструкція аналізатора такого типу показана на рис. 3. Вимірювання струмів на послідовність розташованих перпендикулярно електронному пучку поглинаючих тонких металевих пластіноерегородок дозволяє визначати закономірності ослаблення електронного струму фольгою і на основі цих даних визначати енергетичний спектр електронів. Для проведення таких вимірювань важливо виключити формування вторинної плазми між перегородками. Це обмежує щільності аналізованих струмів величиною -100 А / см2 для мікросекундних пучків з енергіями в декілька сотень кілоелектронвольт.

Рис. 4. Аналізатор кутових характеристик руху електронів

При дослідженні сильно замагніченій електронних пучків дуже важко оцінити співвідношення між поздовжньої і поперечної складовими швидкості електронів. Тому був розроблений спеціальний метод вимірювання кутових характеристик руху електронів, що визначаються співвідношенням поперечної і поздовжньої складових їх швидкості [21, 22]. Типовий аналізатор для реалізації такого методу схематично зображено на рис. 4. Вимірювання струмів на стінки системи електродів з малим отвором (коллиматоров) дозволяє визначити середньоквадратичні значення кута руху електронів в аналізаторі. Отримані дані допускають однозначну інтерпретацію, якщо радіус отворів в колімуючих електродах порівняємо за величиною з ларморовським радіусом траєкторії електрона.

2. Методи визначення характеристик електронних потоків у просторі їх транспортування

Реалізувати слабовозмущающую діагностику електронного пучка на ділянці його транспортування важче, ніж в колекторної області. Багато слабовозмущающіе методи, добре відпрацьовані стосовно плазмовим системам, не придатні для дослідження електронних пучків. Так, наприклад, методи томпсоновським розсіювання та інтерференційні, а також різноманітні СВЧ-методи діагностики [23] не можуть забезпечити достатнього просторового і тимчасового дозволу при дослідженні суттєво неоднорідних електронних потоків з концентраціями менше 1012—1013 см-3. Придатний для дослідження характеристик просторового заряду електронних пучків на ділянці їх транспортування вельми обмежений набір слабовозмущающіх методів діагностики.

Як показали автори [24], інформація про поперечної структурі короткоімпульсних (30 нс) РЕП може бути отримана при спостереженні люмінесценції прострілював пучком тонкої (10 мкм) полімерної плівки. У даному випадку плівкова мембрана виконує роль своєрідного світиться екрана. Однак ця проста і приваблива методика не може бути використана для обстеження більше Длінноімпульсний пучків, що руйнують навіть таку тонку перешкоду. Візуалізація структури електронних пучків може бути здійснена з використанням замість полімерної плівки інших, більш стійких по відношенню до електронної бомбардуванню “поновлюваних” екранів. Було випробувано кілька способів створення таких екранів. В роботі [25] в цій якості використана струмінь атомів інертного газу. Спостережуване в напрямку, перпендикулярному струмені, світіння атомів газу, порушених електронним ударом, несе інформацію про радіальному розподілі щільності струму в пучку. Широкого розповсюдження така методика не отримала, так як в цьому випадку важко уникнути істотного підвищення тиску газу в досліджуваному приладі. Авторами роботи [4] продемонстрована можливість використання замість газового струменя потоку атомів легкоплавкого металу (індію). Перевага такої діагностики перед газоструйних [25] в тому, що атоми металу, що володіють істотно більшим коефіцієнтом акомодації, ніж інертний газ, осідають на поверхні обмежують пучок електродів. Тоді в цьому випадку можна уникнути помітного погіршення вакуумних умов в приладі, не застосовуючи швидкісний його відкачування. Може бути реалізована відновлювальна мішень для візуалізації потоку електронів також за допомогою обсипається порошку мікрочастинок з характерними розмірами порядку декількох мікрон [26]. Описані поновлювані мішені не обурюється помітним чином досліджуваного електронного потоку, якщо довжина вільного пробігу електронів істотно перевершує товщину мішені в напрямку поширення електронів. Ця умова вдається виконати навіть для пучків з помірною енергією електронів -10-20 кеВ [4, 25, 26]. Можна очікувати, мабуть, що при великих енергіях електронів ця умова буде виконана тим більше. Однак описані поновлювані мішені не використовувалися досі для діагностики сільноточних електронних потоків.

Описані в даному розділі методи несуть тільки якісну інформацію про структуру електронного пучка. Практично єдиний метод дає безпосередню інформацію про розподіл потенціалу (або просторового заряду) в електронних пучках. Це так званий “метод іонного струму” [27, 28]. Спочатку цей метод був розроблений і випробуваний для діагностики просторового заряду в потужних пристроях магнетронного типу [27]. Але пізніше була продемонстрована можливість його застосування для дослідження характеристик РЕП [28]. При використанні цього методу в магнетронних приладах інформація про розподіл потенціалу в перетині електронного потоку виходила на основі вимірювання енергетичного спектра позитивних іонів, утворених електронним ударом з частинок спеціально напускає “пробного” газу та бомбардують катод. При діагностиці електронно-пучкових систем така ж інформація може бути отримана при вимірюванні енергетичного спектру негативних іонів, що бомбардують стінку каналу транспортування. У діагностиці використано ту обставину, що іони падають на стінку обмежує електронний потік електрода з енергією, яка визначається пройденої різницею потенціалів. Тому вимірювання їх енергії дозволяє визначити потенціал місця їх народження. Проведені експерименти показали, що метод іонного струму забезпечує рекордну просторовий дозвіл порядку сотих часток міліметра. Цей метод може бути реалізований при досить малих тисках пробного газу (106— 10-4 Торр) і тому може вважатися слабовозмущающім. Проте його використання для діагностики сільноточних релятивістських пучків зустрічається з істотними труднощами, тому що вимагає вимірювання малих іонних струмів в присутності властивих таким системам великих паразитних сигналів.

Всі описані вище способи діагностики не дають інформації про бистропротекающих колективних процесах у просторовому заряді електронних потоків. Реєструючи зміни в часі струму пучка на колектор або на окремі локальні його ділянки, в принципі, вдається виявляти присутність коливань в пучку [7]. Однак таких даних не завжди достатньо для інтерпретації природи спостережуваних колективних явищ. Більший обсяг інформації про коливання просторового заряду вдається отримати в спеціальних зондових вимірах. Автори робіт [5, 6, 9] використовували зонди, винесені з каналу транспортування і сполучені з пучком через малі отвори в його поверхні. Зонди такого типу показані на рис. 1. Видалення зондів від внутрішньої поверхні каналу дозволяло виключити їх бомбардування електронами. В таких умовах вдавалося зареєструвати наведені на зонди сигнали, обумовлені рухомими в каналі транспортування згустками просторового заряду. На основі Фур’є-аналізу коротких (10-500 нс) тимчасових реалізацій наведених сигналів визначалися “миттєві” спектри коливань в широкій смузі частот (~ 0,1-8 ГГц). Обрана конструкція зондових систем забезпечувала їх переважну зв’язок з найближчою зоною каналу транспортування. Тому зіставлення сигналів на зондах, розташованих в різних місцях каналу транспортування, дозволяє визначати напрямку і швидкості руху згустків просторового заряду і отримувати таким чином інформацію про дисперсійних характеристиках досліджуваного електронного потоку.

* * *

Отже, існують прості і досить надійні методи визначення просторово-часових та енергетичних характеристик електронних пучків в колекторної області сільноточних пристроїв.

Методи діагностики таких потоків на ділянці їх транспортування менш відпрацьовані. Існуючі методи визначення поперечної структури електронних потоків і пов’язаних з ними полів просторового заряду випробувані переважно на установках з помірними енергіями електронів (<50 кеВ) і струмами (<50 А). Тому досить Сподіваємося визначитися з можливостями їх використання на сільноточних електронних установках можна тільки після проведення спеціальних експериментів.

Через дуже обмеженого обсягу даної роботи автор не має можливості привести, навіть для прикладу, будь-які дані, отримані за допомогою описаних методів діагностики. Однак читач може познайомитися з ними, скориставшись цитованої літературою.

Література

1.        Релятивістська високочастотна електроніка / Под ред. А. В. Гапонова-Грехова; Горький, ІПФ АН СРСР. 1979. 298 с.

2.        Москальов В. А., Сергєєв Г. І., Шестопалов В. Г. Вимірювання параметрів пучків заряджених частинок. М .: Атомиздат, 1980. 156 с.

3.        Абрамян Е. А., Ал’теркоп Б. А., Кулешов Г. Д. Інтенсивні електронні пучки. М .: Енерго-Атомиздат, 1984. 231 с.

4.        Соминського Г. Г. Діагностика просторового заряду сільноточних електронних систем // Проблеми фізичної електроніки – 87 / ФТІ. Л., 1987. С. 96-121.

5.        Архипов А. В., Богданов Л. Ю., Воскресенський С. В., Левчук С. А., соминського Г. Г. Розвиток методів діагностики сільноточних електронних потоків // Проблеми фізичної електроніки – 89 / ФТІ. Л., 1989. С. 28-47.

6.        Богданов Л. Ю., Воскресенський С. В., соминського Г Г. Дослідження характеристик релятивистского електронного пучка // Проблеми фізичної електроніки – 91 / ФТІ. Л., 1991. С. 102-119.

7.        Бугаєв С. П., Канавець В. І., Кошелев В. І., Черепеніна В. А. Релятивістські багатохвильові СВЧ-генератори. Новосибірськ: Наука, 1991. 296 с.

8.        Архипов А. В., соминського Г. Г. Тимчасова еволюція Длінноімпульсний електронного пучка високої щільності // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 12. С. 54-58.

9.        Архипов А. В., Богданов Л. Ю., Воскресенський С. В., Левчук С. А., Лукша О. І., соминського Г. Г Дослідження коливань об’ємного заряду і формування просторових структур в електронному потоці з магнітним утриманням // Изв. вузів. Прикладна нелінійна динаміка. 1995. Т. 3. Ч. 1, № 4. С. 43-54; Ч. 2, № 5. С. 35-58.

10.     Єгоров Б. Н, Мєстечкін Я. І., Мишлецов А. В., Шубін Л. В. Установка для автоматичного вимірювання структури електронного потоку // Електронна техніка. Сер.1. Електроніка НВЧ. 1970 № 7. С. 52-59.

11.     Александров Г. І., Калінін Ю. А. Експериментальне дослідження тривимірної структури стрічкового електронного пучка в схрещених полях // Електронна техніка. Сер.1. Електроніка НВЧ. 1976, № 1. С. 45-51.

12.     Глейзер І. ​​3., Усов Ю. П., Цвєтков В. І., хитання А. А. Секціонірованние циліндр Фарадея для замагненних електронних пучків // ПТЕ. 1980, № 2. С. 46-48.

13.     Ніконов А. Г, Савельєв Ю. М., Енгельке В. І. Датчик для вимірювання щільності струму потужнострумового мікросундного пучка // ПТЕ. 1984, № 1. С. 37-39.

14.     Зайцев Н. І, Іляков Є. В., Родін Ю. В., Солуянов Є. І., Шмельов М. Ю., Ястребов В. В. Рентгенівська діагностика для дослідження просторово-часових характеристик СРЕП // ПТЕ. 1989, № 2. С. 150-152.

15.     Дувідзон В. М., Маркевич О. С, Свинцов В. В. та ін. Вузол рентгенівської діагностики радіального розподілу щільності електронного пучка // ПТЕ. 1990, № 3. С. 192-194.

16.     Bakshaev Yj. L, Basmanov A. В., Blinov PI et al Dynamics of Microsecond REB structura // Plasma Phys. 1989. V. 15. P. 575.

17.     Bogdanov L. Yu., Dvoretskaya N. V., Sominskii G. G., Fabirovskii A. Ya. Influence of nonuniformities of a magnetic mirror field on the space-time characteristics of a long-pulse relativistic electron beam //Tech. Phys. 1997. V. 42, № 8. P. 930-934.

18.     Венедиктов H. / 7., Глявін M. Ю., Гол’денберг A. 77., заспівувачем В. E., Куфтин AH, Постникова А.С. Вимірювання розкиду початкової енергії електронів в гіротроне // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 95-98.

19.     PiosczykB., Braz О., Dammertz G., Iatrou CT, Illy S., Kuntze M., Michel G., Thumm M. 165 GHz, 1.5 MW – Coaxial Cavity Gyrotron with Depressed Collector // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27. P. 484-489.

20.     Аржанніков А. В., Астрелін В. T., Драгунов В. П. Визначення спектра енергій електронів по їх поглинанню в металі: Препринт ІЯФ СО АН СРСР. Новосибірськ. 1977. 22 с.

21.     Arzhannikov А. V., Koidan VS, Sinitsky SL Deceleration and Scattering of Relativistic Electrons at a Collective REB-plasma Interaction // Proc. 15th Int. Conf. on Phenom. in Ionized Gases. Dussel’dorf. FRG. 1983. P. 348.

22.     Arzhannikov A. V., Bobylev V. B., Koidan V. S., Sinitsky S. 7., Andreev A., Engelko V., Komarov O., Kovalev V., Wuerz H. Design, Construction, Test of Diagnostic and Measurement of the Angular Distribution of Electron Beam at the ELDISS Facility // Bericht. Forshungszentrum. Karlsruhe. Deutshland. 1998.

23.     Edited by Huddlestone R. H. and Leonard S. L. Plasma Diagnostic Techniques. New York-London: Academic Press. 1965. 515 p.

24.     Богданов В. В., Воронков С. М., Кременцов В. І., Стрєлков П. С, Шафер В. Ю., Шкварунец А. Т. Експериментальне дослідження індукованого циклотронного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль потужнострумових електронним пучком // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 1. С. 106-113.

25.     Doehler О., Dohler G., Friz W. Molecular Beam Probing of Electron Beams // IEEE Trans, on Electron Dev. 1979. V. ED-26, № 10. P. 1617-1622.

26.     Лукша О. І., Цибін О. Ю. Застосування розподіленої дрібнодисперсного мішені для аналізу структури електронного потоку // Листи в ЖТФ. 1989. Т. 15, № 23. С. 75-78.

27.     Малюгин В. І., соминського Г. F. Дослідження розподілу заряду в приладах зі схрещеними полями на основі аналізу іонного бомбардування катода // ЖТФ. 1974. Т. 44, № 7. С. 1511-1516.

28.     Болотов В. Є., Зайцев Н. І., Корабльов Г. С, Нечаєв В. Є., соминського F. F, Цибін О. Ю. Дослідження можливості діагностики сільноточних релятивістських пучків методом іонного струму // Листи в ЖТФ. 1980. Т. 6, №16. С. 1013-1016.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.