Параметры электронных пучков. Способ получения электронного пучка (варианты)

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК

- поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку Э. п. является совокупностью одноимённых заряж. частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собств. электрич. . С др. стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собств. магн. поле. Электрич. поле пространств. заряда создаёт силу, стремящуюся расширить пучок ("кулоновское расталкивание"), магн. поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что пространств. заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в неск. кэВ) при токах в неск. десятых мА, тогда как "стягивающее" действие собств. магн. поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света-энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении Э. п., используемых в разл. электронных приборах, техн. установках, в первую очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств. заряда, а действие собств. магн. поля учитывать только для релятивистских пучков.

Интенсивность Э. п. Осн. критерием условного разделения Э. п. на неинтенсивные и интенсивные является необходимость учёта действия поля собств. пространств. заряда электронов пучка. Очевидно, чем больше пучка, тем больше пространств. заряда, сильнее расталкивание. С др. стороны, чем больше электронов, тем меньше скажется на характере движения электронов собств. электрич. поле пучка - чем выше электронов, тем "жёстче" пучок. Количественно действие поля пространств. заряда характеризуется коэф. пространственного заряда - п е р в е а н с о м, определяемым как

где I -ток пучка; U- ускоряющее , определяющее энергию электронов пучка.

Заметное влияние пространств. заряда на электронов в пучке начинает проявляться при P>=P* = = 10 -8 А/В 3/2 = 10 -2 мкА/В 3/2 . Поэтому к интенсивным пучкам принято относить Э. п. с Р>P*.

Неинтенсивные пучки (с Р<Р* )малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые по законам геом. электронной оптики без учёта действия поля собств. пространств. заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном в разл. электронно-лучевых приборах.

В интенсивных пучках действие собств. пространств. заряда существенно влияет на характеристики Э. п. Во-первых, интенсивный Э. п. в пространстве, свободном от внеш. электрич. и магн. полей, за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за счёт отрицат. электрич. заряда электронов пучка происходит падение потенциала в пучке. Если с помощью внеш. электрич. или магн. полей ограничить расширение интенсивного пучка, то при достаточно большом токе внутри пучка может понизиться до нуля, пучок "оборвётся". Поэтому для интенсивных пучков существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении расширения пучка внеш. полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные пучки с P 5 . 10 мкА/В 3/2 .

Полное матем. описание интенсивных Э. п. затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит из множества движущихся электронов, учесть между к-рыми практически невозможно. При введении нек-рых упрощающих предположений, в частности, заменяя сумму сил, действующих на выбранный со стороны соседних электронов, силой действия на этот электрон нек-рой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью пространств. заряда и разбивая весь пучок на совокупность "трубок тока", удаётся с помощью рассчитать с достаточной для практич. целей точностью осн. параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), плотности тока и потенциала по сечению пучка.

Геометрия Э. п. Практически применяются пучки трёх конфигураций: ленточные (плоские), имеющие в поперечном сечении вид прямоугольника с "толщиной", значительно меньшей "ширины", осесимметричные, имеющие в поперечном сечении форму круга, и трубчатые, имеющие в поперечном сечении форму кольца. Для формирования Э. п. таких типов разработаны соответствующие электронные пушки и системы ограничения.

Влияние пространств. заряда неодинаково в пучках разл. конфигурации. Наиб. влияние на характер движения электронов на границе Э. п. имеет составляющая напряжённости электрич. поля, создаваемого пространств. зарядом, направленная перпендикулярно оси осесимметричных пучков и широкой стороне ленточных.

Радиальная составляющая напряжённости электрич. поля на границе осесимметричного пучка прямо пропорциональна току пучка и обратно пропорциональна радиусу его сечения и скорости электронов пучка. Это создаёт силу, направленную от оси, стремящуюся расширить пучок. Расталкивающая тем больше, чем больше ток, меньше скорость и радиус пучка. Теоретически в осесимметричных пучках траектории электронов не могут пересечь ось, а пучка нельзя свести в точку, т. к. при уменьшении сечения расталкивающая сила неограниченно возрастает.

Огибающие осесимметричных электронных пучков: g 0 -угол входа пучка в свободное от полей прост ранство; r 0 - начальный радиус; 1 - расходящийся пучок (g 0 >0); 2-цилиндрический пучок (g 0 =0); 3, 4, 5-сходящиеся пучки (g 0 <0). Пучок 4 - опти мальный, так как кроссовер (наименьшее сечение) пучка находится на самом удалённом расстоянии (z/l =0,5) от исходной плоскости.

Огибающая интенсивного осесимметричного пучка в пространстве, свободном от электрич. и магн. полей, описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. На рис. показаны огибающие осесимметричных пучков, имеющих до входа в свободное цилиндрическую (кривая 2, g 0 = 0), расходящуюся (кривая 1, g 0 >0) и сходящуюся (кривые 3-4, g 0 <0) формы (g 0 - угол наклона касательной к огибающей пучка, угол входа). Как видно на рис., пучки, первоначально сформированные как цилиндрические (g 0 = 0) и расходящиеся (g 0 >0), в свободном от полей пространстве неограниченно расширяются; пучки, сформированные как сходящиеся, вначале сжимаются (r /r 0 <1), проходят плоскость наименьшего сечения (плоскость кроссовера), затем также начинают расширяться. Радиус мин. сечения пучка - радиус кроссовера-определяется выражением

где r 0 - радиус Э. п. до входа в свободное .

Радиус кроссовера тем меньше, чем меньше первеанс и больше | g 0 |. С ростом (по абс. величине) угла входа пучка в свободное от полей пространство (g 0) плоскость кроссовера сначала удаляется от исходной плоскости, за-

тем начинает приближаться к ней (последовательно кривые 3, 4, 5). Для каждого значения первеанса существует оптимальный "угол влёта" g 0 , при к-ром кроссовер наиб. удалён от исходной плоскости, то есть Э. п. с данным первеансом может быть проведён на наибольшее расстояние с радиусом, не превышающим исходный.

Ленточные интенсивные пучки в свободном от электрич. и магн. полей пространстве также неограниченно расширяются (становятся "толще"), контур огибающей пучка описывается параболич. законом. В отличие от осесимметричного пучка, ленточный пучок при оптимальном входном угле теоретически может быть сведён в линию, т. е. может быть получен линейный . Пучки др. конфигураций в свободном пространстве также неограниченно расширяются; трубчатый Э. п. расширяется несколько меньше, чем сплошной осесимметричный.

Эксперим. проверка полученных расчётных соотношений затруднена, поскольку само понятие границы (огибающей) интенсивного пучка условно, т. к. в реальных пучках плотность тока при удалении от оси осесимметричного или от ср. плоскости ленточного пучков спадает постепенно, и границей пучка условно считается окружность или прямая, вдоль к-рой плотность тока составляет нек-рую малую долю (~0,1) её макс. величины на оси.

Потенциал Э. п. Падение потенциала внутри интенсивного пучка ограничивает возможность формирования протяжённого интенсивного пучка с высоким первеансом. Тео-ретич. исследования показывают, что в интенсивном неограниченном потоке, заполняющем пространство между двумя плоскими параллельными проводящими поверхностями с одинаковым потенциалом, определяющим энергию электронов потока, с увеличением тока в ср. плоскости образуется минимум потенциала. При достижении P= 18,64 мкА/В 3/2 потенциал спадает до нуля, образуется виртуальный , часть электронов проходит через плоскость минимума, часть отражается к исходной плоскости, токопрохождение нарушается. Эксперим. проверка подтверждает это, именно при приближении P к 18,64 мкА/В 3/2 в потоке возникают неустрйчивости, электронных слоев, прохождение тока нарушается.

В реальных Э. п., ограниченных внеш. электрич. и магн. полями, также происходит падение потенциала, но т. к. в большинстве приборов, где используются интенсивные Э. п., протяжённый пучок пропускается через трубу с положит. потенциалом, на поверхности пучка удаётся поддерживать потенциал, близкий к потенциалу трубы. Но и при наличии проводящей трубы потенциал на оси осесимметричного или в ср. плоскости ленточного пучков заметно понижается, и по достижении достаточно большого первеанса (большего, чем в случае неограниченного потока) возникает неустойчивость, пучок обрывается.

Формирование Э. п. Поскольку Э. п. в свободном пространстве неограниченно расширяется, при практич. использовании интенсивных пучков кроме системы, формирующей пучок,- электронной пушки-необходима система, ограничивающая расхождение пучка. Расширение Э. п. ограничивается с помощью внеш. электрич. и магн. полей. Классич. пример протяжённого интенсивного Э. п.- т. н. п о т о к Б р и л л ю э н а - цилиндрич. пучок, ограниченный продольным однородным магн. полем. При определ. соотношении четырёх величин - нач. радиуса r 0 , тока пучка I , напряжения U 0 , определяющего энергию электронов до входа в магн. поле, и магн. индукции продольного однородного магн. поля B 0 - теоретически возможно получить устойчивый цилиндрич. Э. п. При оптимальном соотношении r 0 , I , U 0 и B 0 макс. первеанс бриллюэновского потока достигает 25,4 мкА/В 3/2 . При макс. первеансе потенциал на оси пучка составляет всего 1/3 значения на границе. При ограничении магн. полем трубчатых пучков можно получить ещё большие значения первеанса.

Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).

При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).

Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.

В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко

применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.

Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.

Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.

В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.

Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).

Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные

2 - с промежуточным ускоряющим

И 3 - высоковольтные (UycK ~

80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.

Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:

где 1п - ток пучка.

В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.

Узкий поток электронов называется электронным пучком. Электронный пучок, которым можно управлять, получают в электронно-лучевой трубке (рис. 93). Одной из ее составных частей является вакуумный стеклянный баллон (разрежение порядка 0,000001 мм рт. ст. ). Он с одного конца цилиндрический, а с другого - конусообразный и заканчивается выпуклым дном. На внутреннюю сторону дна баллона нанесен слой люминофора, у цоколя трубки расположен катод, при нагревании испускающий электроны. Катод находится в управляющем цилиндре, в торце которого имеется отверствие. Через него выходит электронный пучок. Действие управляющего цилиндра подобно действию сетки в триоде: изменением отрицательного потенциала управляющего цилиндра регулируют количество электронов в луче и тем самым меняют яркость свечения тех мест экрана, в которые попадает пучок электронов. За управляющим цилиндром расположены фокусирующий и ускоряющий аноды.

Между управляющим цилиндром и фокусирующим анодом находится неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого имеют форму линзы А, называемую электростатической линзой (рис. 94). Эта линза фокусирует электронный пучок и сообщает электронам ускорение, после чего электронный пучок попадает в электростатическую линзу В между фокусирующим и ускоряющим анодами.

Возьмем электроны в точках 1 и 2. В них, как и в любых других точках, напряженность электрического поля перпендикулярна к эквипотенциальным поверхностям, а на заряд действуют силы F 1 и F 2 , противоположно направленные напряженности поля в данных точках. Составляющие этих сил F 1 " и F 2 " сообщают электронам ускорения вдоль оси цилиндров. Составляющая F" 1 отклоняет пучок вниз, а составляющая F" 2 - вверх.

Линза В сообщает дополнительное ускорение электронам и, кроме того, вызывает дополнительную фокусировку электронного пучка. Первую половину линзы электроны в пучке пролетают с меньшей средней скоростью, чем вторую (где она доходит до 10 4 км / сек ), поэтому отклонение пучка вниз больше, чем вверх. При отклонении к оси в верхней половине линзы пучок сужается. То же происходит и в ее нижней половине. Изменяя потенциал фокусирующего анода, меняют сходимость пучка и добиваются его фокусировки на экране. На пути к экрану электронный пучок проходит поочередно между двумя парами пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих выводы наружу.

Катод, управляющий цилиндр, фокусирующий анод, ускоряющий анод образуют устройство, называемое электронной пушкой. Выясним, какие свойства электронного пучка использованы в электронно-лучевой трубке. Включив ее (рис. 95, а) и сфокусировав пучок на экран, увидим на нем светящуюся точку. Электронный пучок, падая на люминофор, вызывает его свечение. Это свойство и использовано для изготовления экранов в электронно-лучевых трубках, применяющихся в осциллографе, телевизоре, радиолокаторе.

Подключим выводы вертикальных пластин к источнику постоянного тока. По перемещению луча (светлой точки) по экрану видим, что луч отклонился в сторону пластинки с положительным потенциалом. При изменении полярности пластин изменяется и направление смещения луча в горизонтальной плоскости. При подключении к источнику тока горизонтальных пластин и при изменении полярности луч будет перемещаться в вертикальной плоскости. Если к вертикально расположенным пластинам приложить переменное напряжение, то пучок (а на экране светлая точка) под действием образовавшегося электрического поля начнет колебаться между пластинами в горизонтальном направлении (по оси X или оси времени t), а при подаче переменного напряжения на горизонтальные пластины будет колебаться в вертикальном направлении (по оси Y). Вследствие быстрого колебания светлой точки на экране получается светлая прямая линия.

Поднесем сбоку трубки дугообразный магнит. Видим, что точка электронного пучка сместилась к краю экрана. Поменяем местами полюсы магнита, светлая точка отклонилась по экрану в противоположную сторону. (Учитывая, что пучок - поток электронов, определите правилом левой руки направление отклонения пятна на экране.) Электронный пучок отклоняется электрическим и магнитным полями. Вследствие малой массы электрона электронный пучок практически безынерциален. Это дает возможность мгновенно его смещать.

В осциллографе на горизонтально расположенные пластины подается исследуемое напряжение (см. рис. 93), а на вертикальные - пилообразное напряжение развертки U paз от специального устройства (см. рис. 95, б). Увеличиваясь прямо пропорционально времени, пилообразное напряжение вызывает равномерное движение светлой точки на экране в горизонтальном направлении в течение времени t 1 , например слева направо. Затем оно за время t 2 очень быстро спадает до нуля. За время t 2 электронный луч возвращается в исходное положение, и процесс повторяется. На время обратного хода луча на управляющий цилиндр подается отрицательное запирающее напряжение, преграждающее доступ электронов к экрану осциллографа. Это дает возможность наблюдать на нем графическое изображение быстро протекающих периодических электрических процессов.

Имеются электронно-лучевые трубки с магнитными фокусировкой и отклоняющим устройством. Они применяются в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов). Их устройство проще электростатических.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал. При взаимодействии с веществом быстрые частицы электронного пучка вызывают разнообразные явления, используемые на практике.

Свойства электронных пучков и их применения. Электронный пучок, попадая на тела, вызывает их нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки сверхчистых металлов в вакууме.

При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это свойство используют в рентгеновских трубках, о чем вы узнаете в X классе.

Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 182).

Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, - отклоняются вправо (рис. 183). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электроннолучевой трубке.

Электроннолучевая трубка. Электроннолучевая трубка - основной элемент телевизора и осциллографа - прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 184).

Устройство электроннолучевой трубки показано на рисунке 185. Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 186). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического

катода и проходят через отверстие в цилиндрическом управ ляющем электроде (он регулирует число электронов в пучке) Каждый анод состоит из дисков с небольшими отверстиями, вставленных в металлический цилиндр. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тусячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора. Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в гори зонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.

В электроннолучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис. 187).