Формирование электронного пучка

Задача формирования электронного пучка связана с получением направленного потока электронов на определенную силу тока I и с минимальным поперечным сечением (для увеличения плотности теплогенерации на поверхности нагреваемого тела). Трудность получения интенсивного электронного потока состоит в наличии большого собственного отрицательного пространственного заряда, характеризуемого коэффициентом k в выражении (239) и вызывающего рассеяние потока из-за действия сил взаимного отталкивания электронов на пути между катодом и анодом и особенно в пространстве за анодом на пути к поверхности нагреваемого объекта. Поэтому возникает необходимость воздействия на электронный поток в ускоряющем электрическом поле межэлектродной области (формирование), вне электрического поля за анодом в так называемом лучеводе (фокусировка и отклонение), на поверхности нагреваемого объекта (развертка) c использованием действия электрического или магнитного поля на движущиеся электроны.

Из физики известно, что на электрон (отрицательный заряд е),движущийся со скоростью v_e в электромагнитном поле с напряженностью электрического поля Е и магнитной индукцией В, действует сила Лоренца* F, слагающаяся из воздействий F_э и F_м:

F = F_э + F_м = –eE – e[v_eB]. (242)

Сила F_э действует вдоль силовых линий электрического поля, навстречу им, ускоряя или замедляя (в зависимости от направления вектора Е) движение электрона, изменяя кинетическую энергию К_е согласно (236).

Сила F_м как векторное произведение вектора скорости v_е на вектор Ввсегда перпендикулярна направлению скорости электрона, т.е. является центростремительной силой. Поскольку работа, производимая такой силой, равна нулю, магнитное поле не изменяет энергии электрона, а лишь меняет направление его движения.

Выразив силу через произведение массы электрона т_е на ускорение, получим уравнение движения электрона (уравнение Лоренца):

dv_е/dτ = –(е/m_e)(E + [v_eB]) = –b(E + [v_еB]), (243)

где b – удельный заряд электрона, b = e/m_e ≈ 1,76∙10¹¹ Кл/кг.

Устройство для создания направленного потока электронов (электронного пучка) называют электронной пушкой. По принципу формирования электронного пучка различают: электростатические электронные пушки, в которых используют взаимодействие электронов с электрическим полем, и электронные пушки магнетронного* типа, в которых используют взаимодействие электронов с взаимно перпендикулярными электрическим и магнитным полями.

Электронная пушка представляет собой совокупность элементов, объединенных в так называемую электронно-оптическую систему:

1) катод К – источник свободных электронов;

2) анод А, ускоряющий электроны согласно (236) до необходимых значений скорости v_е их направленного движения;

3 )фокусирующий электрод Э,обеспечивающий электростатическую фокусировку электронного пучка за счет силы F_э;

4) магнитная система формирования электронного пучка (в пушках магнетронного типа);

5) магнитная фокусирующая система (МФС);

6) магнитная система направления электронного пучка на поверхность нагреваемого объекта в виде магнитной отклоняющей системы (МОС) или магнитной системы развертки (МСР).

Качество электронно-оптической системы электронной пушки характеризуют силой тока I электронного пучка, который можно сформировать при данном ускоряющем напряжении U согласно вольт-амперной характеристике (239).

Конструкция электронной пушки должна обеспечивать прохождение электронного пучка (по лучеводу), создание требуемого высокого вакуума, токопровод высокого напряжения к электродам с необходимой электрической изоляцией, водяное охлаждение теплонагруженных деталей пушки.

Катод Ккак источник свободных электронов может быть нагреваемый для обеспечения термоэлектронной эмиссии (термокатод) или «холодный» (плазменный катод).

Термокатоды, изготовленные из чистых тугоплавких металлов, делят на два вида:

1) линейные, кольцевые или в виде плоской спирали из проволоки диаметром 0,5...1,5 мм, или ленты, – так называемые катоды прямого накала;

2) в виде массивных литых или штампованных геометрических тел со специальной криволинейной (для создания необходимой конфигурации силовых линий электрического поля) рабочей, т.е. эмиссионной, поверхностью – так называемые катоды косвенного накала.

При допустимой температуре накала (вольфрам ~3000 K, тантал ~2800 K) плотность тока эмиссии достигает 10 А/см².

При недостаточно высоком вакууме термокатоды работают в неблагоприятных условиях: конденсация испарений из плавильной камеры (уменьшение активной эмиссионной поверхности и снижение тока эмиссии), химическое взаимодействие с продуктами газовыделения из переплавляемого металла («отравление» катода, ухудшающее его эмиссионную способность), бомбардировка положительными ионами остаточных газов и металлических паров (ионная бомбардировка, вызывающая перегрев катода, температурные деформации и разрушение катодного узла). Обычный срок службы термокатода составляет 50...100 ч, что ограничивает ресурс непрерывной работы УЭН и определяет необходимость применения нескольких (4–10) электронных пушек, шлюзовых камер для демонтажа катодного узла или сложных многокамерных электронных пушек с автономными вакуумными системами.

«Холодные» (плазменные) катоды, позволяющие значительно повысить срок службы катодного узла, представляют собой полую цилиндрическую или сферическую сетчатую (перфорированную) конструкцию. При определенном сочетании ускоряющего напряжения (10...30 кВ) и давления (100...0,1 Па) внутри катода образуется высоковольтный тлеющий разряд, из плазмы которого через отверстия в стенке полого катода электрическое поле электронной пушки «вытягивает» необходимые для формирования электронного пучка свободные электроны. Плотность такой электронной «эмиссии» достигает 3...4 кА/см². В качестве материала сетчатого катода выбирают тантал или молибден, учитывая возможный нагрев конструкции за счет неизбежной ионной бомбардировки до 2000...2500 K .

В некоторых конструкциях плазменных катодов плазму генерируют дуговым разрядом при напряжении 100...200 В внутри полого цилиндра, сплошная стенка которого пропускает ток разряда (несколько ампер) и нагревается до 1000...1200 K. В этом случае «эмиссия» свободных электронов из плазменного «облака» происходит через свободный торец катода.

Анод Ав сочетании с катодом образует диод для приложения ускоряющего напряжения U и создания направленного потока электронов. В УЭН небольшой мощности (до 225 кВт при U ≈ 4...12 кВ) анодом служит нагреваемый объект. Такие установки автоэлектронного нагрева достаточно просты и экономичны ввиду подавления процесса отражения электронов, но нестабильны в работе из-за частых пробоев межэлектродного промежутка и низкой стойкости катода. В электронных пушках применяют так называемые «ускоряющие» аноды с диафрагмой*, форма отверстия в которой обеспечивает формирование электронного пучка круглого сечения (в так называемых аксиальных** пушках) или плоского электронного пучка (в так называемых радиальных^** пушках).

Форму анода и катода подбирают методом электролитического моделирования, чтобы создать конфигурацию электрического поля в межэлектродном промежутке для нейтрализации радиальной составляющей пространственного заряда в электронном пучке, возникающей в результате действия сил отталкивания электронов, формирования электронного пучка и свободного прохождения всех электронов в виде аксиально-симметричного пучка через отверстие анодной диафрагмы. Для аксиальных пушек мощностью 250 кВт и более применяют (рис. 112, а)массивные катоды косвенного накала диаметром 35...50 мм, имеющие сферическую или эллипсоидную рабочую поверхность; анод, имеющий форму соответствующей эквипотенциальной поверхности для заданного ускоряющего напряжения U,представляет собой либо плоский диск с отверстием диаметром 30...45 мм, либо конус с углом при вершине 150...160°. Для радиальных пушек применяют (см. рис. 112, б)линейные катоды прямого канала; анод выполнен в виде двухгранного угла 135° с прорезью при вершине (для прохождения плоского электронного пучка – так называемого пучка ленточной формы) шириной 2...4 мм.

Фокусирующий электрод Эявляется прикатодным электродом и предназначен для изменения траекторий направленного движения электронов, вылетающих с поверхности катода, путем оказания силового воздействия электрического поля (электростатическая фокусировка), чтобы направить электронный пучок в отверстие анодной диафрагмы. На фокусирующий электрод можно подавать различный потенциал относительно катода – от нуля до некоторого отрицательного значения. Но часто во избежание увеличения числа источников питания фокусирующему электроду сообщают потенциал катода. Форму фокусирующего электрода (см. рис. 112) также подбирают методом электролитического моделирования.

Рис. 112. Схемы электродов электростатической фокусировки электронных пушек аксиального (а)
и радиального (б) типов:
К – катод; Э – фокусирующий электрод; А – анод

В электронных пушках УЭН электростатическую фокусировку электронного пучка после анода не применяют из-за опасности возникновения газовых разрядов и электрических пробоев между фокусирующими электродами в условиях низкого вакуума в лучеводе.

Магнитная фокусирующая система (МФС)состоит из длинных и коротких многовитковых соленоидов, питаемых постоянным током (так называемые магнитные электронные линзы). Длинные линзы, длина которых в 5–10 раз превышает внутренний диаметр, создают практически однородное продольное магнитное поле, способное уравновесить действие пространственного заряда электронного пучка согласно выражению (242) и сохранить неизменным его поперечное сечение. Короткие линзы создают неоднородное магнитное поле, радиальная составляющая которого преломляет траекторию движения электронов и фокусирует электронный пучок. Для увеличения концентрации магнитного поля в коротких линзах применяют экраны из магнитно-мягкого ферромагнетика и полюсные наконечники с узкой щелью.

Магнитная отклоняющая система (МОС)в виде П-образного электромагнита (в радиальных пушках) или пары седлообразных прямоугольных катушек (в аксиальных пушках), охватывающих лучевод с противоположных сторон, при питании постоянным током создает однородное магнитное поле, перпендикулярное (поперечное) направленному движению электронов, что вызывает отклонение (поворот) электронного пучка на определенный угол относительно оси пушки. В зависимости от конструкции УЭН угол поворота может быть 60 или 180°.

Магнитная система развертки (МСР)применяют в аксиальных пушках для необходимого распределения мощности электронного пучка по поверхности нагреваемого объекта. Используя две пары таких же седлообразных катушек, смещенных на 90° по периметру лучевода пушки и питаемых переменным током специальной формы, можно перемещать фокальное пятно электронного пучка по различным траекториям развертки (рис. 113). Из-за переменных магнитных полей применяют шихтованные магнитопроводы (для снижения потерь на вихревые токи) и металлические экраны толщиной менее эквивалентной глубины проникновения поля на максимальной рабочей частоте питающего тока [см. формулу (145)].

Рис. 113. Различная траектория развертки электронного пучка по зеркалу жидкометаллической ванны УЭН:
а – круг; б – спираль; в – зигзаг; г – кольцо; 1 – пятно нагрева;
2 – траектория движения пятна; 3 – зеркало ванны

Магнитная формирующая система, применяемая в электронных пушках магнетронного типа, создает однородное продольное магнитное поле, препятствующее попаданию ускоряемых электронов на цилиндрический анод. Рассеяние магнитного поля вблизи торцов соленоида формирующей системы компенсируют дополнительными витками. Следует отметить, что подобная формирующая система не позволяет вывести электронный поток за пределы магнитного поля. Азимутальные составляющие скоростей электронов в продольном магнитном поле столь велики, [см. уравнение (242)], что при выходе за пределы этого поля электронный пучок сильно расширяется.

В магнетронных пушках с неоднородным формирующим магнитным полем (аналогично коротким магнитным линзам) применяют соответствующие фокусирующие системы и системы развертки электронного пучка (при необходимости).