Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
30
6
7
1
2
3
4
5
Рис. 2.4. Распределение плотности тока вдоль большой оси сечения пучка
Рис. 2.3. Схема источника электронов с одноэлементным катодом [17] :
1 — вакуумная камера; 2 — высоковольтный электрод; 3,4 — катод и анод пушки Пирса; 5 — пучок; 6 — дрейфовое пространство; 7 — фольга
ности тока в поперечном направлении составляет ± 10% на расстоннии 4,5 см от оси и ± 50% на расстоянии 7,5 см. Однако в выведенном в атмосферу пучке наблюдается значительное ухудшение распределения плотности тока: на расстоянии 1,5 см от оси она меньше почти в 2 раза. Ухудшение равномерности авторы связывают с рассеянием электронов в фольге и атмосфере. Однако учитывая, что в большинстве работ отмечается улучшение равномерности распределения плотности тока в атмосфере, ее ухудшение в [17], вероятно, связано с наличием значительной расходимости пучка. В продольном направлении неравномерность плотности составляет ±10% (рис. 2.4) . Сравнение продольного распределения плотности тока при мощности накала катода 350 и 375 Вт показывает, что при пониженной мощности катод работает в режиме насыщения. Зто приводит к ухудшению равномерности распределения плотности тока в пучке.
Вывод пучка в атмосферу осуществляется через окна, закрытые, как это можно судить из работ, алюминиевой фольгой толщиной 25 мкм или титановой фольгой толщиной 13 мкм. При соответствующем охлаждении окно позволяет выводить непрерывный пучок с плотностью 4 • 10”4 А/см2 при энергии 225 кэВ. В импульсном режиме при энергии 150 кэВ были достигнуты плотности тока 10”3 и 10” 2 А/см2, соответствующие длительностям импульса 10 и 1 мс. Схема питания источника (рис. 2.5) состоит из высоковольтного источника напряжения 8, расположенного совместно с разделительным трансформатором 5 в маслонаполненном баке, и системы управления и питания накала катода 3, смонтированного на корпусе источника электронов в баке 2 с газовой изоляцией. Передача высокого напряжения к источнику и питание схемы накала катода осуществляются через высоковольтный кабель. Для защиты высоковольтного выпрямителя от перенапряжений, возникающих при пробое ускоряющего промежутка, в масляном баке установлен разрядник.
Электронные источники реализованы в нескольких вариантах, различающихся энергией ускоренных электронов, сечением пучка. Напряжения 150, 175, 250 кВ
Рис. 2.5. Схема питания пучка:
^ корпус источника; 2 бак с газовой изоляцией; 3 — модулятор и схема питания катода; 4 — кабель; 5 — разделительный трансформатор; 6 — емкость; 7 - разрядник; 8 - высоковольтный источник питания
31
Рис. 2.6. Схема источника с формированием пучка в прикатодной области [18]
получены при сравнительно небольших диаметрах камеры 20, 30, 50 см. Откачка вакуумной камеры осуществляется турбомолекулярным насосом, который обеспечивает давление 10“4 — 10~5 Па. После первой сборки и пребывания внутренних узлов установки в атмосфере воздуха электрическая прочность источника достигается постепенным (со скоростью 2 кВ/мин) повышением напряжения.
Схема источника электронов, формирующего ПБС по второй схеме, представлена на рис. 2.6 [ 18]. Нитевидный катод 2 окружен
параболическим экраном /, который находится под положительным относительно катода потенциалом. Между ускоряющим электродом 4 и катодом установлена управляющая сетка 3. Соответствующим выбором потенциала на сетке 3 можно создать такое распределение поля, при котором электроны не осаждаются на экранирующем электроде. В ускоряющем зазоре электроны движутся параллельным потоком.
К недостаткам такой системы формирования ПБС следует отнести трудности получения однородного потока и сложность изготовления экранного электрода. Поэтому в источниках с многоэлементными катодами, в которых используются основные идеи данной конструкции, для получения равномерных пучков применяются дополнительные управляющие сетки.
2.3. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ИСТОЧНИКАХ С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ КАТОДАМИ
Одноэлементные катоды, обладая простой конструкцией, не могут обеспечить необходимую равномерность распределения плотности тока при большой площади сечения пучка, которая в некоторых случаях составляет тысячи квадратных сантиметров, Это вызвало необходимость использова ния в источниках ПБС многоэлементных катодов. По причинам, обсужденным в разд. 2.1, в многоэлементных катодах используют металлические нитевидные эмиттеры, которые располагают на некотором расстоянии друг от друга и объединяют в отдельный катодный узел. При разработке такого катодного узла приходится решать несколько сложных и противоречивых задач.
В многоэлементных катодах эмиттирующая поверхность примерно на порядок меньше площади сечения пучка, поэтому нитэвидные эмиттеры должны обеспечивать достаточно высокую плотность эмиссии, особенно при работе в импульсном режиме. Так, при достигнутой в настоящее время в атмосфере за фольгой плотности тока 0,1 — 0,3 А/см2 и эффективности вывода 0,5 плотность тока эмиссии составляет 2—4 А/см2. Обеспечение такой плотности тока вызывает необходимость использования повышенной рабочей температуры нитей, что приводит к сокращению срока службы катода. Кроме того, при высокой рабочей температуре в элементах катодного узла и выводного окна возникает значительная термическая нагрузка. Одним из методов снижения температуры эмиттеров и мощности их накала является оптимизация диаметра нити.
