CC BY
7
Ю. П. ПАВЛЮЧЕНКО, М. Я. ВАСИЛЬЧУК
МЕТОД ОБЕРТОЗОГО ЗОНДА ДЛЯ ДОСЛ1ДЖЕННЯ
АКС1АЛЬНО-СИМЕТРИЧНИХ ПУЧК1В ЕЛЕКТРОН1В
У роботах Г13 1 [2] запропоновано метод в1бруючого зонда для дослщження акаально-симетричних пучюв електрошв, який був використаний для експериментального дослщження пучив, що фокусуються електростатичними полями [3], [4]. Мета даноТ стагп— обгрунтування можливосп застосування для анал1зу протяжних електронних пучив шдвищеноТ потужноеи, що фокусуються магшт-ним полем, модифшацп методу в1бруючого зонда — методу обер-тового зонда [5].
Суть цього методу полягае в тому, що один або илька зощцв, як1 е на обертовШ головш, перетинають дослщжуваний пучок електрошв перпендикулярно до його ос1, вщбираючи при цьому невелику частину струму пучка. Якщо анал1зувати залежшсть зондового струму в1д м!сця зонда в пучку, можна визначити основш параметри електронного пучка. Метод обертового зонда мае ряд переваг у пор1внянш з методом в1бруючого зонда. Застосування обертання дозволяе одержати поспйну швидпсть проходження зонда через пучок, що шдвшцуе точшсть вим!рювань. Конструктивно метод обертового зонда бшьш прийнятний для дослщження протяжних електронних пучив, що фокусуються магштним полем, бо дозволяе плавно перемщати обертову головку ¡з зондом по довжиш пучка.
Метод обертового зонда передбачае використання масивно1 головки, на якш жорстко закршлеш зонди, що збшьшуе тепло-вщвщ вЦ зонда I тим самим шдвшцуе р1вень потужностей досль джуваних пучив. При необхщносп можна застосувати водяне охолодження головки.
Розглянемо визначення проф1лю акаально-симетричного пучка, що фокусуеться магштним полем. Профиль електронного пучка можна одержати, вим!рюючи д1аметр пучка в р!зних перер1зах по його довжиш. Для визначення д1аметра цилшдричного пучка в обраному перер1з! необхщно зняти залежшсть струму, що вщби-рае зонд при проходженш пучка, вщ м1сця зонда вщносно пучка
(рис. 1,6). Рееструючи зондовий струм на екраш осцилографа, одержимо осцилограму зондового струму, типовий вигляд якоТ наведений рис. 1 ,а.
3 рис. 1,6 видно, що д1аметр пучка визначаеться сшввщношен-ням
Дп = 2Язт|-. (1)
Якщо довжина ¡мпульсу струму дор1внюе т, а перюд повторения {мпульав Т, то
а
2пх
а = -у-,
а
Дп = 2/?япу. (2)
Формула (2) дае можлив1сть визначити Д1аметр пучка по його зондовш характеристик. Якщо
х
розм1ри пучка так!, що я <0,35,
д1аметр пучка з похибкою не больше 2% може бути визначе-ний формулою
Дп^л!* — . (3)
Якщо розм1р зонда б сшвм1рний з д!аметром пучка, то д1аметр останнього
Дп = 2Я5т™-6. (4)
3 виразу (4) видно, що в метода який розглядаемо, на в1дмшу вщ методу в1бр1ючого зонда, вщпадае необхЦшсть вим1рювати ампл!туду коливань зонда, що шдвищуе точшсть визначення поперечних розм1р1в пучка.
го струму (а) та схема вим1рювання д1аметра пучка (б).
Зробимо оцшку похибки у визначенш д1аметра пучка методом обертового зонда. 1з формули (4) випливае, що вщносна помилка у визначенш д1аметра пучка
ДДП агсапДп/ЗД /Дп\2
Дп = Дn/2R V Х
Я
dx\2 , (dT
t, ■ , г
XI/ +1^1 (5)
Для визначення Д1аметра пучк1в невеликих густин струму можна застосувати одну з модифжацш методу обертового зонда — метод торкання краю пучка. На рис. 1 ,6 подана схема вим1рювання д1аметра пучка цим методом. Торкаючись зондом протилежних кра1в пучка i вщлшовуючи кут а/2, який при цьому проходить зонд, можна за формулою (1) визначити д1аметр пучка. Нами був застосований такий метод вЦлшу кута а/2. На шток, що здшснюе рух зонда, поза вакуумного оболонкою жорстко закртлений ва-ж^ь R', встановлений перпендикулярно до 00". 1ндикатор годин-никового типу вим1рюе перемщення важеля I при проходженш зонда через пучок. 3 рис. 1,6 випливае, що
Дп = 2R r ............(6)
vi+my
Обираючи R' = R, а також враховуючи, що звичайно п-,^1,
А
з незначною похибкою можна вважати, що
Дп = 21. (7)
Таким чином, якщо проградуювати шкалу ¡ндикатора годин-никового типу у величинах д1аметра пучка, можна безпосередньо визначити po3Mip пучка у будь-якому його nepepi3i. Обираючи шдикатор з необхщною щною под1лу, цим методом можна визначити розм1ри пучюв дуже малого д1аметра. Точшсть вщлшу при цьому визначаеться в основному точшстю показань ¡ндикатора, а потужносп дослщжуваних пучюв—теплостшюстю зонда. Практично зручшше застосовувати заметь одного два зонди, що охоплюють пучок «вилкою». Торкаючись по 4ep3i кожним зондом ближчого краю пучка i вщраховуючи при цьому показания ¡ндикатора, можна визначити Д1аметр пучка, якщо попередньо вилнряти кут м1ж зондами.
Розглянемо можливосп методу обертового зонда для досль дження пучюв з шдвищеними потужностями, зокрема для випадку сущльного цшпндричного пучка. При цьому вважаемо, що д1а-метр цилшдричного зонда значно менший за д1аметр пучка, a iM-пульси струму, що падають на зонд, прямокутт.
2
Якщо цилшдричний зонд нескшченноТ довжини пов1льно посу-ваеться або стоКть нерухомо в пучку, то максимальна величина струму, що вщбирае зонд, як видно з рис. 1,6, визначаеться сшв-вЦношенням
/п53 (8)
1а =
5П
де /„— повний струм пучка; За = 6Дп — поверхня проекци зонда на перер1з пучка;
яД2
5П = —I*2 — площа перер1зу пучка.
Величина максимально'1 потужносп, що падае на нерухомий зонд,
±.Рп6 я ' Дп '
(9)
3 р1вняння {9) дютаемо величину потужност! пучка, яку можна дослщити статичним зондом,
Р —
г п.ст
яДпРз 46
(Ю)
3 останнього виразу випливае, що р!вень потужност1 вим1рю-ваних пучшв визначаеться тепловою здатшстю зонда, яка харак-теризуеться величиною Р3 /ст. Меж1 вим1рюваних потужностей пучюв можуть бути значно розширеш, якщо скоротити час зна-ходження зонда в пучку, використавши його обертання.
Врахуемо 1мпульсне нагр1вання зонда при його проходженш через пучок. При розрахунку користуватимемося такими припу-щеннями: ¡мпульси струму на зонд прямокутнг, теплоф!зичш па-раметри зонда не залежать вщ температури; глибина 1мпульсного прогр1вання зонда значно менша його геометричних розм1р1в. Зробимо розрахунок для поодинокого ¡мпульсу, тепловтрату про-тягом якого не враховуемо.
Вщповщно до р!вняння (5) величина приросту температури на поверхш зонда за час д11 ¡мпульсу х
0,48^П/Кт 0,2711 п] У г
V лкСрЧ
(П)
де и„ — потенщал пучка, кв\ } — густина струму, ма!см2; ср — теплоемшсть матер!алу зонда; ■у — питома вага; А. — коефЫент теплопровщность
1з р!вняння (3) випливае, що довжина ¡мпульав струму, що падають на зонд, дор1внюе
*-ки>- <12>
Густину струму по перер1зу пучка беремо як постШну 1 р1вну
'"52- (13)
Враховуючи (12) та (13), одержимо т 0.137 Рп
&/2(ЯР))1/2 • (14)
__
При використанш танталу як матер1алу зонда (А,сру) 2 = 3,
1 формула (14) набере вигляду
Л
Дп/2 {ЯР)
Тт= 0,412 ттЗ/2 /р/7\1/2 • Об)
В установщ, на яшй експериментально розроблявся даний метод, взято Я = 12,5 лш. Величина ¡мпульсноТ температури в цьому випадку визначаеться формулою
Тт — 0,37 дз/^172- > (16)
де Рп — потужшсть пучка, в/п;
ДП — д1аметр пучка, см\
Р— частота обертання зонда, 1 /сек.
3 формули (15) видно, що для зниження ¡мпульсноК температури зонда при дослщженш пучка заданого д1аметра 1 потужносп необхвдно зб1лыиувати швидюсть обертання зонда та величину Я.
На рис. 2,а показана залежшсть ¡мпульсноК температури зонда вЦ потужност! дослщжуваного пучка при р1зних його д1аметрах 1 пocтiйнiй частот! обертання зонда {Р = А об ¡сек).
Зпдно з формулою (15) величина припустимих потужностей пучюв дор1внюе
Рп = 2,53ГтД®/2(^)1/2, (17).
а густина потужност1
08)
На установщ експериментального дослщження пучюв, яка використовуе метод обертового зонда, нами були дослщжеш пучки
потужшстю 200 вт, д!аметром 1,5 мм. Частота обертання тантало-вого зонда при цьому становила 2 об/сек, а величина R дор1вню-вала 12,5 мм. 3 формули (16) випливае, що ¡мпульсна температура зонда етановить 1300° С. Беручи величину припустимо! температури зонда 1300° С, з р1вняння (17) одержимо значения потужностей пучк!в, яю можуть бути до-оиджеш методом обертового зонда. Щ значения показан! на рис. 3.
На рис. 2,6 показана за-лежшсть припустимих гус-тин потужностей дослщжува-t них пучюв Д1аметра пучка при частот! обертання зонда 4 об/сек i величин! R = = 12,5 мм. Значения макси-• мально припустимих густин потужностей лежать у межах вщ 10 до 30 квт/см2 при 3Mi-Hi д1аметра пучка вщ 1 до 5 мм.
PiBeHb потужностей пуч-KiB, що доел ¡джуються методом обертового зонда, може бути значно шдвшцений, як-що використати !мпульсну модулядш струму дослщжу-ваноТ електронно1 гармати.
Експериментальна роз-робка методу обертового зонда виконувалась на установ-ni (рис. 4), яка включала в себе систему формування 1 i фокусування електронного пучка, а також електричну схему для вим!рювання його параметр!в.
Анал!затор пучка являе собою мол1бденову головку 5 i3 закр1п-леними на нш зондами 4, яка може обертатися i плавно перемщу-ватися вздовж oci пучка на д1лянщ 120 мм. Зонд виготовлений з вольфрамового дроту д1аметром, значно меншим за д1аметр пучка. Для деяких дослщже'нь за зонд брали танталову пластинку тов' щиною 0,1—0,2 мм i протяжшетю 0,4—0,6 мм вздовж oci пучка. Вакуумне ушдльнення штока 7, що здшенюе обертово-поступаль-ний рух, забезпечуеться рядом тефлонових к1лець 11, стиснутих ци-л1ндром 12. При частой обертання штока 2—3 об/сек i одночасному його перемпценш в прилад! шдтримуеться вакуум порядку(3-^- 5) • • 10-® тор.
Фокусуючий солено'щ секщонований для нар1зного регулювання струму через кожну секцдо з метою забезпечення необхщного
Рис. 2. Залежност! температури зонда вщ потужност! пучка (а) та припу-стимо! густини потужносп вщ д1аме-тра пучка (б).
Р„кдт 3
у V
/ ь/ уЛ/
Рис. 3. Залежнкть припустимо'1 по-тужносп пучка в1д його д1аметра.
Рис. 4. Принципова схема установки для досл1Дження елек-
тронних пучкш: 1 — фокусуючий солено'1Д; 2 — елек-тронна гармата; 3 — оболонка; 4 — зонд; 5 — головка зонда; € — гпд-шипник; 7 — шток; 8 — магштний екран; 9 — колектор; 1в— вакуумне ущшьнення; 11 — цилшдр.
ми
5 10 15 20 25 30 35 40 45 ¿.с/и
а
гп,ШГ
2.0---—- —— —
701-------
0 5 10 15 20 25 30 1,си О
Рис. 5. Експериментально вим1ряш профш пучшв: а — первеанс пучка 0,5 • Ю-6 о/в3/2; б — первеанс пучка 2 • Ш-6 а/в3/2.
поздовжнього розподшу MarHiTHoro поля. Зондов1 характеристики дослщжуваних пучив в1зуально спостер1гались на електронному осцилограф1 ЭНО-1, а також рееструвались на шлейфовому осцило-граф1 Н-700. Типову осцилограму зондового струму, одержану на осцилограф! Н-700, подано на рис. 1 ,а.
Для перев1рки розглядуваного методу дослщження на данш установи,! були проведен! вим1рювання профшю деяких акаально-симетричних пучив з бршуешвською системою фокусування. На рис. 5,а подано прсх|нль пучка, який формуеться гарматою з первеансом 0,5- Ю-6 ale'l* при колектор-ному CTpyMi 6 ма. Рис. 5,6 показуе про-фшь пучка, що створюе гармата з первеансом 2-10~6 £z/—12—3/2 i струмом 10 ма, при фокусуючому пол1 670 гс. Було проведено пор1вняння величин д!аметр1в пучив, вим1ряних методом обертового зонда i методом торкання краю пучка, i знай-дено задов!льну вщповщшсть результате.
Ми вважаемо за можливе в розвиток методу обертового зонда розробку панорамного анал!затора (рис. 6), що дасть змогу контролювати поведшку електрон-ного пучка на значнш довжиш його в за-анодному npocTopi. При цьому на екра-hí осцилографа можна cnocTepirara та ильисно вим1рювати' ochobhí параметри пучка одночасно на Bciñ довжищ дослщ-ження.
Зондова головка 2 мае таку конструкцию, що зонди, змвдеш один вщ одного в осьовому напрям1, по 4ep3i перетинають пучок перпендикулярно до його oci. На-пруження, що створюеться на onopi R при проходженш ¡мпульав зондових стру-míb, теля апаратурного перетворення надходить на вхщ осцилографа. Кутову вщдаль м1ж зондами обирають так, щоб в пучку водночас не було двох сусщ-шхзоцпдв. Як показують розрахунки, можна таким чином обрати параметри анал!затора, щоб ильисть зонд!в на обранш дшянщ довжини дослщження пучка задовольняла достатню точшсть у визначенш розподшу параметр1в пучка по його довжиш. Цей метод анал1зу електронних ny4KÍB може бути використаний у випадку фокусування пучив як з однорщними, так i з перюдичними магшт-ними полями, якщо конструкшя перюдично'1 системи дозволяе розм1стити анал1зуючий пристрШ.
Рис. 6. Схема панорамного анал1затора:
1 — електронна гармата; 2 — зондова головка; 3 — пучок; 4 — колектор.
Л1ТЕРАТУРА
1. Овчинников I. К., 3iH4eHKoM. С. Метод в1бруючого зонда для доыйдження акЫально-симетричних пучмв електрошв.— УФЖ, т. IV, 119, 1959.
2. 3 и н ч е н к о Н. С. Курс лекций по электронной оптике. Изд-во Харьковского университета, 1961.
3. КирсановВ. М. и др. Измерение распределения плотности тока во внешнем пучке циклотрона.— ПЭТ, т. I, 111, 1960.
4. Лапицкий Ю. Я., Сливков И. Н. Прибор для контроля пучка на выходе ускорителя.— ПТЭ, т. 5, 121, 1960.
5. Т и к т и н С. А. Некоторые вопросы теплотехники электровакуумных приборов. Харьков, 1960.
Ю. Ф. ПАВЛЮЧЕНКО, Н. Я- ВАСИЛЬЧУК
МЕТОД ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЗОНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
Краткое содержание
В работе проведено обоснование метода вращающегося зонда для исследования протяженных электронных пучков повышенных мощностей, фокусируемых магнитным полем.
Описана методика и выведены соотношения для определения профиля аксиально-симметричного пучка. Определена мощность пучков, которые могут быть исследованы описанным методом.
Дано описание установки для исследования пучков методом вращающегося зонда, а также приведены некоторые экспериментальные результаты по измерению параметров электронных пучков.
Ju. F. PAVLJUTCHENKO, N. Ja. VASILTCHUK
ROTATING SOND METHOD FOR AN INVESTIGATION OF AXIALLY SYMMETRIC ELECTRON BEAMS
Summary
Rotating sond method for investigation higher power long electronic beams which are focused by magnetic field is devised in this paper.
The technique is described and some correlations for determining axisym-metrical beam contour have been obtained.
Then beams power which would be researched with this method is determined.
The description of the adjustment rotating sond method for investigation beams is present, and some experimental results for measurements electronic beames are also given.
