Министерство Образования и науки Российской Федерации
НГТУ
Курсовая работа
«Пушка Пирса со сходящимся пучком»
Факультет:
Группа:
Студент:
Преподаватель:
Новосибирск 2007
Введение
В геометрической электронной оптике, где имеет место оптико-механическая аналогия, предусматривающая, в частности, отсутствие взаимодействия электронов между собой, рассматривается, как правило, формирование электронных пучков, в которых действием объемного заряда практически можно пренебречь. Тогда можно говорить о фокусировке электронных пучков в обычном оптическом смысле, что и имеет место в целом ряде электроннолучевых приборов.
В этом смысле наряду с понятием фокусировки правомерны и понятия об электронном пучке, электронном луче, электронной линзе и т. д.
В ряде случаев, однако, когда объемный заряд, а следовательно, и взаимодействие электронов между собой становятся заметными, основные положения классической геометрической электронной оптики теряют силу. Необходимо уже обязательно учитывать действие пространственного заряда.
Такое положение наблюдается в целом ряде приборов СВЧ (клистроны, ЛБВ, ЛОВ и др.)» где работа прибора основана па взаимодействии электронного потока с высокочастотными полями и параметры этого потока— его размеры, ток, энергия электронов — решающим образом определяют качество прибора в целом. Так же обстоит дело и во все более развивающейся в настоящее время области применения электронных пучков для обработки материалов (сварка, плавка, сверление и т. д.). Степень влияния объемного заряда в электронном пучке, как указывалось, оценивается его так называемой характеристической проводимостью или (наиболее широко употребляемый термин) первеансом пучка:
где / — ток пучка; U — пройденная электронами разность потенциалов. Ясно, что с ростом / и уменьшением U, взаимодействие электронов будет все более заметным. В обычных электроннолучевых приборах первеанс пучков, как правило, не превышает 10-9 А/в3/2, и в этом случае действием пространственного заряда в них можно пренебречь. Если же Р > 10-8 — 10-7А/в3/2, то действие пространственного заряда необходимо учитывать.
Такие пучки уже следует считать интенсивными, и для их рассмотрения совершенно недостаточно аппарата обычной геометрической электронной оптики. Отметим, что в этом случае ряд понятий геометрической оптики, такие, как фокусировка, электроннооптическая система и некоторые другие, по существу теряют смысл и могут применяться только условно.
Правильнее пользоваться в этом случае, например, терминами формирование пучка, система формирования и т. д., хотя термин фокусировка по инерции в литературе употребляется весьма широко.
Общая схема системы формирования интенсивных электронных пучков.
Практически в любом случае систему, формирующую электронный пучок, можно, хотя и несколько условно, разделить на четыре основные (рис. 1) области:
Рис. 1. Общая схема системы формирования электронных пучков.
I — область электронной пушки, состоящей из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода 3, в электрическом поле, которой, происходит первоначальное формирование пучка.
II — область пролетного канала (пролетной трубы) 4, в котором могут располагаться резонаторы, например в случае клистрона, или отклоняющие устройства, например в случае сварочной установки. В этой же области располагается в случае необходимости и так называемая поперечно-ограничивающая, «фокусирующая» система 5. Конструкции таких систем довольно многообразны. В частности, она может представлять собой длинный соленоид. Ее назначение — создать магнитное или электрическое поле, препятствующее расширению электронного пучка в пролетной трубе.
В случае достаточно большой длины пучка это очень важно, что бы не допустить осе
дания значительной части тока пучка на стенках трубы, т. е. обеспечить хорошее токопрохождение. В частном случае (например, отражательные клистроны) этой системы может и не быть.
III — приемник или коллектор пучка 6, который может быть как «пассивным», т. е. служить подобно аноду в электронной лампе для отвода электронов пучка из прибора, так и «активным». В последнем случае основной эффект, ради которого создается прибор и формируется пучок, происходит именно на приемнике, например плавка или сварка.
И, наконец, IV область — переходная между пушкой и поперечно-ограничивающей системой, поля в которой должны быть такими, чтобы обеспечить согласованное действие I и II областей. Как правило, переходная область является важнейшей с точки зрения формирования пучка, хотя, в случае если поле поперечно-ограничивающей («фокусирующей») системы простирается до катода пушки, этой области может и не быть.
Основные типы пучков
Конфигурация встречающихся на практике пучков может быть весьма разнообразной. Однако, хотя и несколько условно, можно из них выделить пучки наиболее типичной формы. В первую очередь это сплошные аксиально-симметричные пучки, поперечное сечение которых имеет вид круга. Такие пучки могут быть как цилиндрическими (рис. 2,а), так и коническими, т. е. сходящимися (рис. 2,б).
Все больший интерес проявляется к трубчатым пучкам (цилиндрическим и коническим), поперечное сечение которых представляет собой кольцо (рис. 2,в, г).
Следует указать также на ленточные или плоские электронные пучки, сечение которых представляет собой прямоугольник, одна сторона которого значительно больше другой. Такие пучки также могут быть параллельными или сходящимися — клиновидными (рис. 2,д,е).
Рис. 2. Основные типы пучков.
Ввиду наибольшей распространенности аксиально-симметричных пучков в дальнейшем рассмотрении им будет уделено основное внимание. Другие типы пучков рассматриваются менее подробно. Ко всем типам пучков могут быть предъявлены некоторые общие требования, а именно:
1. Вполне определенный, часто возможно более высокий, микропер-веанс, который в настоящее время достигает единиц мкА/в3/2. Это отражает стремление получить пучки с возможно большим током при пониженных напряжениях.
2. Форма пучка должна, возможно лучше соответствовать заданной для того, чтобы его можно было пропустить через пролетную трубу без потерь тока и часто так, чтобы границы
пучка были возможно ближе к ее стенкам.
При рассмотрении пучков мы будем, за исключением специально оговоренных разделов, предполагать:
Параксиальность траекторий электронов в пучке.
Ламинарноcть пучков. Это значит, что траектории отдельных электронов в пучке не пересекаются и пучок в целом имеет четкую границу, очерченную траекториями крайних электронов. Равномерность распределения плотности объемного заряда в пучке.
Отсутствие начальных тепловых скоростей электронов на катоде.
Отсутствие релятивистских эффектов, в частности магнитных полей, создаваемых движущимися электронами.
Указанные предположения в той или иной степени на практике не реализуются. Однако, как показывает опыт, они весьма близки к действительности и существенно облегчают рассмотрение основных характеристик пучков и систем их формирования.
Принцип построения пушек Пирса
Наибольшее распространение получили так называемые пушки Пирса, принцип построения которых заключается в следующем. Если рассмотреть диоды с идеальной геометрией, а именно плоский, сферический или цилиндрический (рис. 3), и выделить из всего электронного потока в них определенную часть требуемой конфигурации, как это показано на рисунке, то мы получим в зависимости от формы диода аксиально-симметричный или ленточный параллельный или сходящийся пучок.
Рис. 3. Выделение электронных пучков в диодах простой формы.
При этом влияние отброшенной части электронного потока на оставшуюся должно быть заменено эквивалентным влиянием некоторого электрического поля, которое, будучи созданным в пространстве, окружающем пучок, должно удовлетворять двум условиям:
1. Распределение потенциала вдоль границы пучка должно остаться прежним, соответствующим распределению поля в выбранном исходном диоде.
2. Напряженность поля, нормальная к границе пучка, должна быть равна нулю, т. е. должны отсутствовать силы, приводящие к расширению пучка.
Определив поле, отвечающее этим требованиям, необходимо рассчитать или подобрать конфигурацию электродов, из которых один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а другой имеет потенциал анода и совпадает по форме с эквипотенциалью, соответствующей анодному напряжению Ua. Тогда указанная система электродов образует требуемый электронный пучок с прямолинейными траекториями.
Такого типа пушки и получили название пушек Пирса или однопотенциальных пушек, а принцип, положенный в их основу, иногда называют принципом прямолинейной оптики.
Пушки Пирса со сходящимся пучком
Используя часть сферического или цилиндрического диодов, показанных на рис. 1, б и в, можно, очевидно, получить соответственно сходящийся аксиально-симметричный или ленточный пучок (рис. 4).
Очевидно, в таких пушках, если учесть рассеивающее действие линзы в области анодного отверстия, можно на выходе из пушки, в частности, получить параллельный пучок. Кроме того, плотность тока в пучке может значительно превышать плотность тока с катода (так называемая компрессия пучка).
Наибольшее распространение получила пушка Пирса с аксиально-симметричным сходящимся потоком — пушка сферического типа (рис. 4), которую мы, в основном, и рассмотрим.
Рис. 4. К рассмотрению пушки со сходящимся пучком.
Полный ток сферического диода в режиме пространственного заряда может быть представлен выражнием:
(1)
где (-α)2 — функция Ленгмюра, зависящая от величины ρа=Rк/Rа (Rк и Ra — радиусы катода и анода). Плотность тока с катода, очевидно, равна:
(2)
Распределение потенциала между катодом и анодом, как ясно из (1), имеет вид:
(3)
Рис. 5. График функции Ленгмюра для сферического диода.
где p=RK/R, причем R является текущей координатой, а р меняется от 1 до ра.
Для формирования сходящегося аксиально-симметричного пучка с использованием катода, имеющего вид участка сферы радиуса RK, необходимо, как и в предыдущем случае, заменить действие отбрасываемой части потока полем, образуемым фокусирующим электродом, имеющим потенциал катода, и анодом.
Форму электродов, обеспечивающую вдоль границы пучка распределение потенциала, соответствующее (3), подбирают, как описано ранее, на электролитической ванне с применением пластины из диэлектрика, имитирующей границу пучка. На (рис. 6) представлены конфигурации электродов, формирующих сходящиеся аксиально-симметричные потоки при различных ра и углах схождения Θ.
Рис. 6. Примеры конфигурации электродов пушек сферического типа при различных Θ и ра
Эквипотепциаль, соответствующая фокусирующему электроду, подходит к границе потока под углом 67,5°, остальные — под углом 90°.
На практике обычно выполняют электроды более простой формы, в той или иной степени аппроксимирующей контуры требуемых поверхностей (рис. 7 и 8)
Рис. 7. Пример практической конфигурации
электродов пушки сферического типа.
К — катод; ФЭ — фокусирующий электрод; а — анод.
Рис. 8. Пример пушки с простой конфигурацией электродов.
В пушке сферического типа анодное отверстие также служит причиной появления рассеивающей линзы, и поэтому угол схождения пучка по выходу из пушки всегда меньше Θ — угла его схождения в пушке (рис. 9).
Вместо точки О, где должны сойтись продолжения крайних траекторий пучка, они сойдутся в точке О'. Легко увидеть, что О является мнимым изображением О'. Используя формулу тонкой рассеивающей линзы 1/f = 1/L2 - 1/L1, а также параксиальность пучка получаем:
Рис. 9. К расчету действия анодной линзы в пушке сферического типа.
Величина f равна 4Ua/Ea. Так как Eb = 0.
Следовательно, величина
Окончательно:
Таким образом, отношение sinγ/sinΘ определяется только ρa=Rk/Ra и не зависит от других параметров пушки. Зависимость sinγ/sinΘ от ρa показана на рис.10. При ρa =1,45 sinγ/sinΘ = 0.
Следовательно, в этом случае при любых Θ электроны выходят из анодного отверстия, параллельно оси z, т. е. на выходе пушки получается параллельный аксиально-симметричный пучок. Если ρa >1,45, то пучок на выходе пушки будет сходящимся, если ρa <1,45, то расходящимся.
Рис. 10. Графики для расчета пушки сферического типа.
Рассмотрим теперь элементы расчета пушки сферического типа. Ток части сферического диода /, образующего пушку, относится к полному току диода /Сф как , где - площадь катода, ограниченного углом Θ.Тогда, используя (2), получаем:
(4)
Если учесть, что , то (8-9) преобразуется к виду:
(5)
(6)
Угол Θ определяется так
(7)
Кроме того, считая углы Θ и γ малыми и примерно равными их синусам и обозначая отношение , из выражения (6) получаем:
(8)
График функции F(pa) представлен на рис. 10. Тогда, если заданы требуемые ток пучка / и Uа, а также γ — угол наклона крайних траекторий пучка и rа — его радиус на выходе из пушки, можно из (8) определить F(pa), по которой определить ра и угол Θ рис.10, затем по простому геометрическому соотношению рис. 9 определяется Rа = ra/sin Θ, откуда легко определяется Rк и плотность тока на катоде.
В дальнейшем мы увидим, что при расчете пушки могут иметь место и иные исходные данные, вытекающие из задачи ее согласования с поперечно-ограничивающей системой, однако они в конечном счете могут быть связаны с величинами /, U, γ и rа.
Пушка цилиндрического типа, образованная частью цилиндрического диода (рис. 3,в), может, как указывалось, сформировать сходящийся ленточный (клиновидный) пучок. Рассмотрение и расчет такой пушки аналогичны приведенным для сферической пушки.
Диафрагма с круглым отверстием (формирующий электрод)
Представим себе весьма простую электроннооптическую систему (рис. 11,а), состоящую из двух плоских параллельных электродов с потенциалами U1, и U2 между которыми помещен третий электрод, имеющий круглое отверстие, — диафрагма радиуса R и потенциал Ua. Если R значительно меньше d1 и d2 — расстояний между плоскостями и диафрагмой, то вдали от нее электрическое поле будет однородным и его напряженность определится потенциалами соответствующих электродов и расстояниями между ними.
В некоторой же области вдоль оси z будет иметь место провисание эквипотенциалей из области с большей напряженностью поля в область с меньшей напряженностью.
Следовательно, в этой области однородное поле искажается. Из геометрических соображений ясно, что оно будет аксиально-симметричным, т. е. в области диафрагмы образуется электронная линза. Естественно, что это будет иметь место лишь в том случае, если выполняется соотношение:
Рис. 11. Собирающая линза—диафрагма.
Рис. 12. Рассеивающая линза—диафрагма.
При этом возможны два случая, иллюстрируемые на (рис. 11 и 12). В первом случае (рис. 11,а) величина Е1 в пространстве слева от диафрагмы меньше, чем величина Е2 справа от нее. Следовательно, при переходе области диафрагмы вдоль оси z скорость роста U(z) увеличивается (рис. 11 ,б). Величины U'(z) и U''(z) будут меняться с расстоянием по оси z согласно (рис. 11, в и г) соответственно. Таким образом, в этой линзе U''(z)>0, что свидетельствует о том, что линза собирающая. Оптический эквивалент такой электронной линзы может быть представлен в виде двояковыпуклой собирающей световой линзы (рис. 11,д).
Второй возможный случай (рис. 12) соответствует уменьшению E при переходе через область диафрагмы. Рассмотрение представленного на (рис. 12, б- г) характера распределения потенциала вдоль оси и его первой и второй производных показывает, что в данном случае мы имеем рассеивающую электронную линзу, оптический эквивалент которой представлен на (рис. 12,д).
Система формирования по принципу Пирса
(Электростатическая)
Представим себе сплошной безграничный электронный поток с плотностью тока j, распространяющийся в своеобразном триоде, состоящем из трех электродов (рис. 13,а). При этом потенциалы крайних электродов
Рис. 13. Распределение потенциала в ячейке системы электростатического формирования (а) и расчетная форма электродов (б).
равны U1, а потенциал среднего U0<U1, причем электроды прозрачны для электронов, например представляют собой сетки.
Очевидно, что распределение потенциала между электродами будет иметь вид, представленный на (рис. 12) с минимумом при z = 0.
Если теперь отбросить большую часть пучка, оставив только требуемых размеров аксиально-симметричный или ленточный пучок, то для его формирования необходимо подобрать форму электродов, создающих на границе пучка поле, удовлетворяющее тем же требованиям, что и поле в пушках Пирса. Это можно сделать в электролитической ванне тем же методом, что и при расчете пушек Пирса. Форма получающихся при этом электродов представлена на (рис. 13,б). Кромка низковольтного электрода подходит к границе пучка под углом 45°, что является характерным для систем данного типа. В такой системе можно получить пучок постоянного сечения. При этом ясно, что при увеличении длины системы будет возрастать и необходимая для ее работы разность потенциалов (U1—U0), что практически ограничивает протяженность пучка.
Для ее увеличения можно применить систему, составленную из ячеек, изображенных на (рис. 14). Наличие сеток в высоковольтных электродах ограничивает ток пучка из-за их перегрева, поэтому обычно сетки не применяются. Это приводит к расширению пучка при прохождении высоковольтных электродов аналогично тому, как это имеет место на аноде пушек Пирса.
Рис. 14. Электростатическая система формирования пучка по принципу Пирса.
Строго говоря, рассматриваемая система при отсутствии сеток перестает быть системой типа Пирса и имеет отличное по сравнению с пушками Пирса распределение потенциала вдоль границы пучка. Появляются радиальные силы и как следствие этого — пульсации. Для уменьшения этих эффектов увеличивается диаметр диафрагм в электродах и корректируется их форма.
Современное применение пушек для создания интенсивных электронных пучков
Плавка
Применение тугоплавких металлов приобретает все возрастающее значение в развитии науки и техники - атомной энергетике, авиационной и ракетной технике, химической промышленности и многих других. За последние десятилетия в технологии редких и тугоплавких металлов получили широкое распространение методы плавления в вакуумных электропечах разнообразной конструкции - индукционных, дуговых, электронно-лучевых. В институте Гиредмет разработан и нашел промышленное применение способ получения ниобия, тантала и других тугоплавких металлов восстановлением их пятиокисей алюминием, так называемый алюминотермический метод восстановления с последующей вакуумной плавкой. В 1998 - 1999 годах была создана электронно-лучевая установка для плавки ниобия и других тугоплавких металлов, полученных методом алюминотермического восстановления. Установка работает следующим образом: исходный материал - дробленые куски ниобий-алюминиевого сплава в количестве 55-65 кг, загружается в ванну медного водоохлаждаемого кристаллизатора и после электронно-лучевого переплава получается плоский слиток - полуфабрикат с размерами 20х200х2000 мм, пригодный для дальнейшей переработки. На установке применяется электронная двухкаскадная пушка аксиального типа. Танталовый катод разогревается электронной бомбардировкой от разогретой вольфрамовой спирали - первый каскад. Образующийся пучок электронов разгоняется в катод-анодном промежутке напряжением второго каскада и направляется на исходный материал, находящийся в кристаллизаторе.
Лучеводы электронной пушки снабжены фокусирующими магнитными линзами, системой управления электронного пучка. Камера пушки имеет поперечный вакуумный затвор, позволяющий отсекать ее объем от рабочего объема установки. Откачка объема пушки производится отдельной вакуумной системой. Высоковольтная часть пушки закрыта защитным кожухом с блокировкой. В конструкции установки предусмотрена блокировка по высокому напряжению в случае ухудшения вакуума в рабочем объеме. С помощью автоматической системы управления электронный пучок в процессе плавки сканирует в пределах ширины ванны кристаллизатора, а сам кристаллизатор перемещается в продольном направлении со скоростью 8 - 30 мм/мин с помощью электромеханического привода.
Сварка
Классификация технологических приемов сварки и ремонта швов электронным пучком. По степени изученности и применяемости известные технологические приемы сварки можно разделить на три группы. К первой относятся наиболее изученные и широко применяемые в промышленности приемы: развертка и наклон электронного пучка; модуляция тока электронного пучка; подача присадочного материала; применение подкладок; сварка смещенным и расщепленным электронным пучком; выполнение прихваток, предварительных и "косметических" проходов; сварка секциями. Вторая группа включает приемы, хорошо изученные в лабораторных условиях, но не получившие пока практического применения: "тандемная" сварка; сварка в узкий зазор; сварка "пробковыми" швами. В третью группу входят приемы, целесообразность или возможность реализации которых недостаточно обоснована: оплавление корневой части шва "проникающим" электронным пучком; осцилляция уровня фокусировки электронного пучка; применение флюсов; сварка с использованием широкой вставки; сварка с дополнительным теплоотводом; двухсторонняя сварка; вибрация свариваемого изделия; ввод ультразвуковых колебаний в сварочную ванну. По типам физического воздействия технологические приемы делят на четыре группы: управление пространственно-энергетическими параметрами электронного пучка (периодическое и статическое отклонение, модуляция токов электронного пучка и фокусирующей линзы); применение дополнительных конструктивных элементов и материалов (подкладки, вставки, накладки, наплавки, теплоотводящие элементы, присадки, флюсы); специальные сварные швы (дополнительные проходы, прерывистые швы, дополняющие швы); механическое воздействие на сварочную ванну (вибрация изделия, ввод ультразвуковых колебаний).
Список литературы:
