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強流電子光學

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強流電子光學以研究電子注的形成、聚焦和收集問題為主的電子光學分支。

1 強流電子光學 -強流電子光學

強流電子光學是隨著微波電子管的出現而發展起來的。在電子光學中,電子束的強度用導流係數來表徵。導流係數的定義為P=I/V強流電子光學。式中I為束電流強度(安);V為加速電壓(伏);導流係數的單位是朴(安/伏強流電子光學),工程上常用微朴(1微朴=10-6朴)作單位。通常把導流係數小於 10-9朴的電子束稱為弱流電子束,導流係數大於10-8朴的電子束稱為強流電子束。強流電子束常稱為電子注。強流電子光學的特點是考慮電子注中的空間電荷效應和電子注本身的內部結構。
  強流電子光學在微波電子管、高能加速器、電子束加工和電子束冶鍊等方面已獲得廣泛應用,而在線形微波電子管方面應用尤多。這種電子器件的電子注可分為四個區段,即電子槍區、過渡區、工作區和收集極區(圖1)。由電子槍射出的電子注經過過渡區后就形成所需的形狀。最常用的電子注有帶狀電子注、軸對稱電子注和管狀電子注(圖2)。
強流電子光學強流電子光學
 
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  空間電荷效應  在強流電子注內部電荷密度很大,因而會產生較顯著的空間電荷效應。空間電荷效應主要表現在三個方面:①電子之間的相互斥力很大,迫使電子注發生橫向擴張;②它使電子注內部的電位降低,電位分佈發生顯著變化;③電子注內部的電位可能降到低於陰極電位,這將限制電子注在管道內的通過能力。由於空間電荷效應,電子注內的電子很難在較長距離上保持近乎平行的直線軌跡。
  在強流電子光學中,一般不把電子注橫截面會聚成點狀,通常也不涉及成像問題。強流電子光學中的聚焦問題,實際上是指形成一定形狀的電子注和保持電子注外形的問題。
  電子槍  電子槍的作用是提供合乎要求的初始電子注。表徵電子注質量的主要參量是:導流係數、電流密度、電子注的尺寸、外形和內部結構、層流性(即電子軌跡交叉的程度)和穩定性。1940年美國物理學家J.皮爾斯最先提出強流電子槍設計的理論和方法。大電流密度的電子注橫向擴散極快。因此,必須在電子剛離開陰極面時就控制電子的運動軌跡。皮爾斯提出一種解決辦法,即設法使電子注維持直線邊界。根據這種思想設計的電子槍稱為皮爾斯電子槍。皮爾斯計算出一系列具有適當電位和特定形狀的等位面(可以用金屬電極模擬),據此形成的靜電場能使具有直線邊界(錐形、楔形、帶狀)的電子注保持其直線邊界。這些金屬電極稱為聚焦極。在空間電荷限制的條件下,電子注電流與電壓之間服從二分之三次方定律,與陰極等電位的聚焦極在陰極附近的半錐角都是67.5°(圖3b)。
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  為了提高電子注的電流密度,常使用收斂型電子槍。這些電子槍的陰極可以是球面、圓柱面或圓環形的,其面積可以比工作區電子注的橫截面大數十倍甚至上百倍,因而可使注電流密度比陰極發射電流密度高同樣倍數。一般的收斂型電子槍因受陽極孔效應的限制,導流係數不超過1 微朴。專門設計的高導流係數電子槍補償了陽極孔效應,導流係數可以高達6微朴。實際應用中導流係數常在 3微朴以下。空心管狀電子注具有導流係數高和與微波場互相作用效率高等優點。磁控注入式電子槍能提供較好的高導流係數空心管狀電子注。
  把具有內陰極和同軸陽極的圓柱型二極體放在沿二極體軸線指向的均勻磁場中,便得到最簡單的靜電磁控管。當磁場為零或較弱時,從陰極飛出的電子能到達陽極;當磁場增大到超過臨界值時,電子不會到達陽極,而將圍繞陰極形成橫截面為環狀的空間電荷雲。如果這時用某種方法使電子產生沿軸的縱向運動,便能得到能形成管狀電子注的電子槍,這就是磁控注入式電子槍(圖4)。
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  強流電子注的聚焦  在沒有外界電場或磁場聚焦力的情況下,強流電子注必然迅速發散變形。為使電子注成形並維持所需的橫截面形狀,同時保持所需的電流密度,必須採取聚焦措施。
  均勻磁場聚焦  最簡單的辦法是把整個電子注連同陰極都放入均勻磁場中,使電子運動方向與磁力線平行,這就是均勻磁場聚焦。均勻磁場聚焦分永磁和電磁兩種。磁場越強,聚焦效果就越好。這種聚焦穩定性好,但聚焦系統太笨重,若用電磁螺旋線包,耗電也太多。
  屏蔽式和部分屏蔽式磁場聚焦  設法使磁力線不通過或少通過陰極面(即把陰極屏蔽起來),對聚焦磁場強度的要求可以降低得多。但磁場不可能有理想的突變,磁場過渡區的設計和電子注進入磁場區時的注入條件是聚焦系統設計的關鍵。高平均功率的耦合腔行波管常採用整體式線包,即將聚焦線包直接纏繞在管體上,使器件減輕重量、縮小體積和省電。
  周期永磁聚焦  這是最輕便的磁聚焦方法。它適用於細長的電子注。周期永磁聚焦系統實際上是一系列極性正負相間串聯起來的磁透鏡,透鏡參量的選擇應使周期磁場的聚焦力平均起來正好與電子注空間電荷的發散力相抵消。周期永磁聚焦分為徑向場聚焦(磁環徑向磁化)和軸向場聚焦(磁環軸向磁化)兩種。周期永磁聚焦方法的缺點是穩定性較差,而且只適應於細長的系統。
  倒向場聚焦  便磁鐵極性反向對接一次或兩次(周期永磁聚焦是反向對接多次),也能達到減小器件尺寸和減輕重量的目的。
  靜電聚焦  實際應用的主要是周期靜電聚焦。這是最輕便又不耗電的聚焦方法,但聚焦力有限,被聚焦電子注的功率不大。周期靜電聚焦系統可以由一系列靜電單透鏡串聯而成。
  強流電子注的收集  在微波電子管中,在工作區與高頻系統交換能量后落到收集極上的電子仍具有相當大的能量。因此必須專門設計收集極,使它的內表面承受的電流密度儘可能均勻,避免局部過熱。收集極的設計還應該考慮抑制次級電子的問題。為了提高器件的效率,可以採用降壓收集極。降壓收集極的電位比高頻系統的電位低,收集極區的電子注處於減速場,使電子把部分能量交還電源,收集極上耗散的功率也相應地減少。收集極與高頻系統之間的電位差不宜太大,為了進一步提高效率,可以採用多級降壓收集極。
  相對論性強流電子槍  這是一種超高電壓雙電極系統。在接通強電壓脈衝的最初瞬時,陰極上的微尖產生場致發射。當電場增強到約5×107伏/厘米時,微尖上的電流增大,使微尖氣化,甚至爆炸。蒸氣的電離使陰極面附近產生濃密的等離子體,等離子體與陰極面相互作用能使陰極發射電流密度提高103~104倍。這樣發射出來的電子流穿過陽極箔進入漂移區,就成為有用的電子束。這種電子束的電流可達104~107安,電子能量可達107~108電子伏,電子束功率可達1013瓦。這種電子束在等離子體加熱、帶電粒子的集團加速、產生微波輻射或激光輻射等物理研究和工程技術的許多領域都獲得了應用。

 

2 強流電子光學 -配圖

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