CC BY
12
М. В. ДЕРЕНОВСЬКИИ, С. М. ДЯЧЕНКО, В. А. ПРУС
МЕТОД И АНАЛ13У ПОТУЖНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧК1В
< Останшм часом зросла необхщшсть у формуванш потужних
електронних пучюв. При розробщ електронно-оптичних систем для цього виникае потреба експериментального дослщження струк-тури пучюв 1 визначення ?х основних параметр!в. '' Найважлившою характеристикою електронного пучка е роз-
под1л густини струму в його поперечному перер1зк Цю залежшсть звичайно визначають спещальними приладами — тестерами з вщ-повщним моделюванням електричних 1 магштних пол!в, що дозволяв значно зменшити теплове навантаження вим1рювального еле-мента тестера.
Зменшення теплового навантаження досягаеться також викори-станням ¡мпульсного режиму живлення електронноК гармати. В цьому випадку ампл1туда ¡мпульсу прискорюючо'1 напруги, яка подаеться на електроди гармати, може дор1внювати робочШ напруз1 останньоТ.
В обох випадках вщмшшсть умов дослщження пучка вщ умов експлуатацп зменшуе в деякш м1р1 цшшсть одержаноТ ш-формацп. При будь-якому моделюванш режиму електронноТ гармати под1бною змшою електричного та магштного поля в нш або замшою неперервного режиму на ¡мпульсний не беруться до уваги змша умов формування об'емного заряду юшв у пучку, змша магштних властивостей екрашв, незмшшсть температури катода та шип фактори, що зрештою обумовлюють змшу розпод1лу струму в пучку. Тому бажано проводити дослщження на режимах, як1 мало в1др1зняються вщ експлуатацшних.
€ ряд експериментальних метод1в дослщження пучка. Практично ва вони засноваш на введенш в пучок рухомих вим1рюваль-них структур.
При дослщженш тонких пучюв (0,1 0,5 мм) геометричш розм1ри вим1рювального елемента також мал1, що обмежуе мак-f симальне значения потужносп та густини енергп електрошв пучка, який попадае на нього. Запропонований тут метод дослщження пучка по його «рентгешвському зображенню» е одним з вар1ант1в «рентгешвсько! камери обскури» 1 вщр1зняеться в1д шших рентге-
швських метод 1 в тим, що з його допомогою можна вивчати потужш пучки в неперервному та ¡мпульсному режимах, не звертаючись до моделювання. Схема приладу, придатного для дослщження пучюв цим методом, вказана на рис. 1.
У цьому прилад1 електрони дослщжуваного пучка 1 з великою швидкктю Уе опромшюють вольфрамову м1шень 2. «Рентген¡в-ське зображення» плями електрошв на мшеш 2, що виникае, проектуеться через отв1р у танталовому екраш3 на люмшесцент-ний екран 4. Звщси перетворене люмшофором зображення плями проектуеться об'ективом 5 на поверхню д1афрагми 6 з малим от-вором 32. Для перемщення 1 в1дл1ку положения отвору е мехашзм 7. Св1тловий потш, який проходить через отв1р £>2, попадае дал1 на фотокатод фотоелектронного помножувача 8, струм якого, як показано дал!, лшШно зв'язаний з струмом пучка на вщшшднш частиш поверхш мшеш.
При опромшюванш поверхш вольфраму електронами з енер-пею до 20—30 кв виникае гальм1вне рентгешвське випромшювання з неперервним спектром. Повна потужшсть цього випромшювання е лшшною функщею струму 1 визначаеться формулою
р = кгич,
де 2 — атомний номер металу, з якого зроблена мшень;
и — прискорююча напруга;
I—струм пучка; К = 0,8-10_6.
У той же час св1тловий вихщ люмшофора Кв при малому опромшюванш люмшесцентного екрана рентгешвськими променями пропорцюнальний потужносп останшх, а струм на виход1 фото-помножувача лшшно залежить вщ св1тлового потоку, що попадае на фотокатод.
Таким чином, система в щлому лшшна 1 придатна для визна-чення густини струму в поперечному перер1з1 доапджуваного пучка.
Для одного з вар1ашпв приладу, побудованого за розглянутою схемою, були знайдеш основш енергетичш сшввщношення. При цьому виявилось, що коли густина струму в пучку г = 0,1 а/см2, £/0 = 10 кв, то струм на виход1 фотопомножувача ФЭУ-35 /ф = = 2- 10-9а, що на порядок б1лыпе темнового струму при юмнатнш температур!. В цьому випадку розм1ри основних елемешчв приладу були такими (рис. 1):
/х = 10 мм; /3 = 75 мм; /2 = 10 мм; /4 = 750 мм;
#1 = 0,03 мм; 0а = 0,55лш.
Об'ектив 5 мав фокусну вщцаль Т7 = 75 мм, вщносний отв1р 2,8 1 розд1льну здатшсть А^ь= 30 лш/мм. За люмшофор взятий ZnS-Ag з виходом люмшесценцп/Св = 15,5 лм/вт. [2]. Спектр
випромшювання цього люмшофора добре погоджуеться з спектрального характеристикою чутливосп фотокатода ФЭУ-35 [3].
Максимальне значения струму та його максимальна густина, що 1'х можна вим1ряти в пучку, визначаються умовами тепловщ-воду вщ поверхш вольфрамово'1 мь шеш без и перегр1вання (Гмакс = = 2200° С). Температуру на поверхш мшеш можна знайти з ди-ференщального р1вняння тепло-провщность Розв'язанням цього
Рис. 1. Принципова схема приладу для дослщження електронних пучюв:
I — пучок електронш; 2 — воль-фрамова мщень; 3 — екран; 4 — люмшесцентний екран; 5—об'ек-тив; 6 — Д1афрагма; 7 — меха-шзм перемщення д^фрагми; 8 — фотопомножувач.
Рис. 2. 1деал1зована конструкция анода: 2^1 — дшетр пучка електронт; 2гв — Д1аметр медного анода; (г — товщина вольфрамовоТ ипшеш; 1а — повна Д1юча довжина анода.
р!вняння з прийняттям спрощувальних умов [4] одержано графши, на яких вибираються оптимальш розм1ри елемент)в анода (товщина мшеш, д1аметр анода та 1н.), якщо задаш параметри вим1рюва-них пучюв (IIо, То, гг) або граничш параметри пучка по конкрет-них розм1рах наявного приладу.
На рис. 2 наведена розрахункова схема анода, вщповщно до якоК при /о = 2г0 по даних, одержаних внаслщок рсзв'язання р1вняння теплопровщноеп [4], побудований графш (рис. 3) для
вибору товщини вольфрамовоТ мшеш. Оптимальна товщина п залежить в!д розм1р1в пучка гх/г0 1 вщношення температур на поверхш вольфраму, обернено? до пучка Т1 1 до мщ1 Тг. У нашому випадку Т; = 2200° С обрана для забезпечення мало1 швидкосп випаровування вольфраму (Р\у= 5-Ю-6 мм рт. ст.).
На цьому ж рисунку для наявного приладу з вщношенням У/0 = 0,2 показана л1шя максимально! потужност1 досл1джувано-
го пучка [4] Рмакс .
Якщо передбачаеться дослщження пучк1в з дуже великою гу-стиною енерги, можна перейти до ¡мпульсного режиму робота.
I/ Т.
0,4 03 ог 0.1
Рбш /
Ж /
— - 1,-2200° С 1,-ЮОО'С ТсЧОО'С —
Т.'С
2500
2000
1500
^ ^ Г.
Рис. 3. Граф1к для вибору оптимально! товщини вольфрамово!
мшеш на мщному анодк г 1 — рад|ус пучка; г0 — раД1ус анода; Л — товщина м1шеш; /о — дшча довжи-на анода; Т^ — температура вольфраму в центр1 М1шеш; Тй — температура спаю Си—XV тд центром м1шен1; Г0 — температура в м!сц1 теплообмшу з водою.
<000
Г V /
/ 1/ !
// У
//
250 500 "< Ю"вуЬиг
Рис. 4. Графш для визначення тем-ператури поверхш м!шеш при ¡м-пульсному опромшюванш 1Т електро-нами.
При цьому граничне значения навантаження мшеш знаходять розв'язанням р!вняння теплопровщноси для нестащонарного режиму [5]. Розв'язання цього р1вняння для одного ¡мпульсу трива-лютю 1 мксек показано на рис. 4 лш1ею Т1 = / (ш). Тут и — швид-юсть пучка електрошв, е; г — густина струму, а/аи2; Т1— температура поверхш мшеш на кшець ¡мпульсу. Осюльки Т1 де х — тривалють ¡мпульсу, за цим графжом можна визначити температуру для т. Виб1р частота повторения неважко зробити, виходячи з того, що
Гмакс <Т1 + Ти (1)
Де Гмакс — максимальна температура поверхш мшеш в центр! пля-ми, опромшювано! посл1довшстю ¡мпульав;
Т{— температура в центр! плями, яка визначаеться серед-ньою потужшстю пучка;
Г,— добавка температури вщ д!1 ¡мпульсу, яка визначаеться по графжу рис. 4.
Приймаючи Тмавс = 3000° С як максимальну температуру при, 1мпульсному нагр1в1, Т} = 2200°С — максимально допустиму середин) температуру мшеш, яка залежить вщ середньо1 потужносп пучка, 1 користуючись умовою (1), визначаемо частоту повторения ¡мпульс1в.
Застосування для люмшесцентного екрана люмшофора гпв — Ag, який мае час шслясв1чення значно бмыний, шж трива-лкгпЛмпульсу, приводить до того, що струм на виход! фотопомножу-вача стае пропорщональним штегральнш ди ¡мпульс1в рентгешв-ського випромшювання на люмшофор таким чином, середшй иотужносп пучка. 3 цього видно, що для збшыпення вщношення сигнал/шум у систем! бажано працювати при якомога бшышй середнш потужносп пучка. Похибка у визначенш д1аметра еле-ктронного пучка А тестером по розглянутш схем! (рис. 1) в основному визначаеться трьома складовими: Дх — похибкою, яка вноситься першою д1афрагмою Д2 — похибкою, що вноситься об'ективом; Д3 — похибкою, яка вноситься другою д!афрагмою Звщси
А = /А? + д! + Д|.
Вщповщно до рис. 1
Д /1 •
л __
3" 2гг 72/4 '
Якщо прийняти Дх = Д2 = Д3, задаючись величинами Д, Ы, Аг> /з. /4» можна внзначити розм1ри д1афрагм ^
2 гх ' 2гг *
Кр1м вказаних похибок, специф1чним для приладу е «розпов-зання» зображення на люмшесцентному екраш (рис. 1) [4] 1 вплив просторово1 д1аграми рентгешвського випромшювання. Щ по-милки можуть бути дуже малими при правильному вибор! товщини I властивостей люмшесцентного покриття екрана, а також величин / /
1 -^-.Похибка у визначенш д!аметра пучка за рахунок непер-¡1 ¿г\
пендикулярност1 мшеш 2 до оа пучка 1 1 вплив геометричних спотворень зображення пучка в площиш друго1 д1афрагми можуть бути усунеш правильним вибором напрямку перемвдення ще! д1афрагми.
Часто, для кращого розумшня процеав, як1 вщбуваються
в ЕОС, одночасно з одержанням юльюсних даних про пучок ба-жано в1зуально стежити за загальною картиною розпод1лу струму в ньому. На рис. 5 показано вар1ант тестера, в якому можна проводи™ под1бш дослщження пучюв з дужевеликою густиноюенер-гп. У цьому тестер! використовуеться термовипромшювання розжарено! поверхш вольфрамово1 мшеш, яка опромшюеться пучком. Розпод1л температури в плям1 електрошв на мшеш за-лежить вщ густини струму в пучку так [5]:
= 0 24ш |/т
Ук-сру '
де Т, — температура поверхш м1шеш на кшець д 11 ¡мпульсу, °С; / — густина струму в поперечному перер1з! пучка, а!смг\ и — напруга пучка, б; К — теплопровщшсть, кал!см ■ сек\ Ср — теплоемшсть, кал/г-град;
у — густина, г/см3. Очевидно, якщо вим1ряти температуру якоьнебудь точки на поверхш мшеш, можна визначити вщповщну Тй густину струму. Щоб спростити користування приладом, за формулою (2) побудо-ваш графши Г, — / (ш) для W, Мо, Та. Графши побудоваш для т= 1 мксск 1 можуть бути легко перераховаш для шшо1 трива-лосп ¡мпульсу. Частота повторения ¡мпульав у даному випадку повинна бути наспльки малою, щоб можна було нехтувати нагрь вом мшеш за рахунок середныл потужносп пучка. Принципова схема тестера наведена на рис. 5. Електронний пучок / опромшюе мшень 2, яка являе собою пластинку !з тугоплавкого металу Мо, Та), напаяну на охолоджуваний мщний анод. Зображення розжарено1 пучком електрошв плями вщбиваеться дзеркалом 3 через об'ектив 4 на поверхню д!афрагми з отвором 5> що перемщуеться мехашзмом 6. Поверхня д1афрагми, обернена до об'ектива, покрита б!лим дифузно розствальним шаром, зав-дяки чому можна бачити зображення плями на ньому через вим1рю-вальний мшроскоп 9. Частина потоку променисто-! енергп попадае через малий отв^р Б в д!афрагм1 5 на катод фотопомножувача 8.
М1ж фотопомножувачем 1 д1афрагмою е вузькосмужний оптич-ний ф1льтр 7, необхщний для вим1рювання температури поверхнг мшеш по струму фотопомножувача. Особливктю цього тестера е те.щов ньому зручнодоапджувати гранично потужш та тоню пучки електрошв в ¡мпульсному режима Похибка, що 11 дае цей прилад,— «розповзання» температури в плямк Дю похибку у визначенш краю нагр!то1 зони 2 можна сбчислити за формулою
'О
де Гг — температура поверхш вольфраму, обернежл до пучка; Г,0—температура поверхш мшеш на вщсташ 1 вщ нагр1тоТ д1лянки вздовж поверхш (графши на рис. 6 побудоваш для Т1о = 700° С \ т = 1 мксек). 1стотним недолгом цього методу вим1рювання розподшу гу-стини струму в пучку е обмежений д1апазон вим!рюваних значень
густини струму без змши режиму робота приладу. Так, якщо взята за нижню межу вимь рюважн температури Т1ы1 = = 700° С, то для вольфраму при = 3000° С 1 т =
= 1 мксек: ¿шкс = 630 а, Iм!н = 145 а. Розширити д1апа-зон вим1рювано1 густини струму можна, якщо зменшити температуру Т1м1н фотопомножува-чем чутливого до шфрачерво-но1 частини спектра. Як 1 в першому вар1ашч тестера, де використовуеться рентгешвське випромшювання, тут також не' г 10'3см
1,6 1,2 0,8 0А 0
"¡V
Мо
/ Та
V
1200 то 2000 гт гвоог^с
Рис. 5. Принципова схема приладу для дослщження електронних пучюв: / — пучок електрошв; 2 — мипень; 3 — дзер-кало; 4 — об'ектив; 5 — д1афрагма; 6 — ме-хашзм перемицення Д1афрагми; 7 — оптич-ний ф)льтр; 8 — фотопомножувач; 9 — м I кроскоп.
Рис. 6. Графш залежноеп у визна-ченш меж1 нагр1то1 дшянки мшеш (Мо, Та, Ш) вщ температури (2—
=НТ,).
обх1дно правильно вибрати напрям перемщення анал!зуючо1 д1а-фрагми 5 1 л!н11 В1длшу вим1рювального мжроскопа 9 (рис. 5).
Л1ТЕРАТУРА
1. Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники. Госэнергоиз-дат, 1956.
2. Прингсхейн П. и Фогель М. Люминесценция жидких и твердых тел. ИЛ, 1948.
3. Б у т с л о в М. М. — Изв. АН СССР, Сер. физ. 23, 5, 555, 1959.
4. Раков В. И. Электронные рентгеновские трубки. Госэнергоиздат, 1952.
5. Т и к т и н С. А. Некоторые вопросы теплотехники электровакуумных приборов. Харьков, Институт радиофизики и электроники Академии наук УССР, 1960.
М. В. ДЕРЕНОВСКИЙ, С. М. ДЬЯЧЕНКО, В. А. ПРУС
МЕТОДЫ АНАЛИЗА МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
Краткое содержание
В статье рассмотрены два метода исследования распределения плотности тока в поперечном сечении тонких мощных электронных пучков.
В первом методе используется эффект рентгеновского излучения мишени, облучаемой исследуемым пучком.
Второй метод основан на измерении плотности энергии в пучке по термоизлучению накаливаемой исследуемым пучком мишени в импульсном режиме.
Проведена оценка точности и применимости предлагаемых методов.
М. V. DERENOVSKY, S. М. DJATCHENКО, V. A. PRUS
METHODS OF POWER ELECTRON BEAMS INVESTIGATION
Short Contents
Two methods of investigation of transverse current density distribution in power electron beams of small diameter are considered.
The first method uses the X-rays radiation of a target which is under investigated beam Bombardment.
The second method deals with measurements of beam energy density using a thermal radiation of a target heated by an investigated beam in pulse operation.
Precision estimation and application range of these methods are given.
