Конструкции катодов

Прямонакальные – обычно проволока толщиной от долей мм до нескольких мм. Для увеличения эмитирующей поверхности им могут придавать конструкцию спиралей или лент. Прямонакальные катоды характеризуются высокой экономичностью и малым временем разогрева. Недостатком прямонакальных катодов является их неэквипотенциальность, то есть неравномерное распределение потенциала по длине катода, из-за падения напряжения, создаваемого протекающим током.

Подогревные катоды имеют одинаковый потенциал по всей поверхности, то есть являются эквипотенциальными, имеют большую массу и, следовательно, тепловую инерцию. Конфигурация катода определяется геометрией электронного пучка (ленточные, круглые, точечный). К недостаткам относят большее время разогрева и меньшую эффективность, чем у прямонакальных катодов.

Рисунок 3.5 - Конструкции прямонакальных катодов

3.7 Электронные пушки с большим пространственным зарядом

Для формирования интенсивных осесимметричных электронных пучков широко используются электронные пушки с большим пространственным зарядом ( ) (пушки Пирса).

Преимущества:

1. Форма электродов поддается оценочному расчету.

2. Имеется возможность формировать пучки с достаточно большим первеансом (несколько мк ).

3. Сравнительная простота конструкции.

Электронная система такой пушки состоит: из катода, прикатодного фокусирующего электрода и анода. Фокусирующий электрод (ФЭ) находится под потенциалом катода, а анод имеет положительный потенциал (несколько десятков кВ) относительно катода и ФЭ. Для формирования параллельного пучка катод должен иметь плоскую форму, а фокусирующий электрод – форму усеченного конуса. Анод может быть плоским диском с отверстием либо иметь выпуклую, в сторону катода, форму в соответствии с одной из форм эквипотенциальных поверхностей. Эквипотенциальные поверхности имеют сложную форму, и изготовление электродов в соответствии с точной конфигурацией электрических полей затруднительно. Для формирования пучка решающее значение имеет распределение потенциала у его границы. Изменение формы электродов вдали от электронного потока мало сказывается на распределении потенциала вдоль его границы. Практически достаточно выдержать необходимое распределение потенциала на расстоянии одного полутора диаметров пучка от его границы. При конструировании пушки можно выбирать упрощенную форму электродов, обеспечивающую необходимое распределение потенциала вблизи границы пучка. Вдали от границы форму электродов выбирают исходя из конструктивных соображений: простоты изготовления, удобства крепления и т.д. Из аналитических расчетов следует, что нулевая эквипотенциальная поверхность должна подходить к границе пучка у поверхности катода под углом .Точное выполнение такого условия возможно лишь при условии изготовления катода и прикатодного фокусирующего электрода в виде единой детали – усеченного конуса, меньшее отверстие которого закрыто катодом. Такое решение неприемлемо по следующим причинам:

1.Фокусирующий электрод, имеющий тепловой контакт с термокатодом, будет играть роль радиатора, отводящего тепло от периферийной зоны катода;

2.Имеет место миграция атомов вещества с поверхности катода на поверхность фокусирующего электрода. Последнее ведет к появлению паразитного тока эмиссии, что может заметно исказить форму пучка. Поэтому, в практических конструкциях между катодом и фокусирующим элементом должен быть хотя бы небольшой зазор.

Рисунок 3.6 - Пушка Пирса для формирования цилиндрического пучка.

В случае малого катода отверстие в прикатодном электроде делается с радиусом, преувеличивающем радиус катода на ширину зазора (Рис.3.7)

В случае больших катодов, когда для размещения нагревателя необходима полость, фокусирующий электрод располагается перед катодом (Рис.3.7).

Рисунок 3.7 - Конструкции прикатодных электродов.

В обоих случаях эквипотенциальные поверхности искажаются и провисают в зазор. Это ведет к искривлению крайних траекторий электронов, что очень нежелательно, так как именно крайние электроны определяют конфигурацию пучка и оседание части электронного пучка на электроды фокусирующей системы. Искажение поля вблизи зазора зависит не только от величины самого зазора, но также от формы краев электрода и самого катода. Технологические скругления кромок ведут к увеличению провисания поля и возмущению большей доли электронов. При зазоре 0,1 мм и радиусе скругления кромки катода того же порядка потери могут составить 10-15 % от общего электронного потока. Таким образом, при конструировании необходимо как можно более уменьшать зазор и делать кромки, по возможности острыми. Некоторой корректировки можно добиться, подводя отрицательное напряжение к ФЭ, но при этом начинает тормозиться значительная часть электронов. Пушка Пирса такого типа позволяет формировать цилиндрический поток электронов с радиусом, примерно равным радиусу катода. При этом плотность тока в пучке не превышает удельной эмиссии катода. Это означает, что такие пушки формируют относительно слабый поток электронов. Для технологических целей чаще используются пушки с компрессией электронного пучка или пушки, формирующие сходящиеся электронные пучки.

Величина компрессии – отношение площади иммитирующей поверхности катода к площади поперечного сечения луча в заданной точке. Величина компрессии в технологических установках может достигать 20-50 и более. Пушки с компрессий имеют больший срок службы благодаря пониженной удельной эмиссии катода.