Характеристики электронных пучков в диодах со взрывоэмиссионным катодом

• Автор: Беломытцев, Святослав Яковлевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 111 c. : ил

СОДЕРДАНИЕ

ГЛАВА I. ЭФФЕКТ ЭКРАНИРОВКИ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ДИОДАХ

§ 1.1. Экранировка в многоострийном катоде в отсутствие

катодных факелов

§ 1.2. Экранировка при наличии катодных факелов

§ 1.3. Влияние магнитного поля на экранировку

Выводы

ГЛАВА 2. О СТРУКТУРЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В

ПЛАНАРНЫХ ДИОДАХ

§ 2.1. Взаимодействие электронных пучков, выходящих из

близко расположенных катодных факелов

§ 2.2. Кольцевая поперечная структура электронных пучков
в планарных диодах с многоострийными катодами
§ 2.3. Влияние магнитного поля на структуру электронных
пучков в планарных диодах
Выводы
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВЕАНСОВ КОАКСИАЛЬНЫХ
ДИОДОВ С МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
§ 3.1. Метод численных расчетов
§ 3.2. Численное решение конкретных задач
Выводы
Заключение
Литература . . у8

ВВЕДЕНЙЕ
В последние два десятилетия возникла и интенсивно развивается новая область электроники - сильноточная электроника. Ее появление и развитие обязано разработке техники получения мощных на-носекундных импульсов напряжения [1-5] и открытию взрывной эмиЯвление взрывной эмиссии заключается в следующем. При приложении импульса высокого напряжения к вакуумному промежутку на катоде появляются плазменные образования, являющиеся эффективными эмиссионными центрами. Образование плазменных сгустков происходит при взрывообразном испарении всегда имеющихся на металлическом катоде микроострий. Электрический взрыв микроострий обусловлен джоулевым нагревом протекающим по ним автоэмиссионным током, в свою очередь обусловленным высокой напряженностью электрического поля на вершинах микроострий. Испаренный материал катода дополнительно греется протекающим током и образуется плазма катодного факела. Эмиссия электронов из металлического катода на границе металл-плазма обеспечивается разностью потенциалов между плазмой катодного факела и металлом (несколько десятков В,), которая на дебаевском радиусе создает достаточную напряженность электрического поля для интенсивной термоавтоэлектронной эмиссии электронов из металла в плазму.
Мощные (І08- І018 Вт) электронные пучки, получаемые в диодах прямого действия с взрывоэмиссионными катодами, широко применяются в науке и технике для решения таких важных проблем, как генерирование мощных импульсов СВЧ колебаний [12-14] , получение мощного рентгеновского излучения [іб] , возбуждение рабочей среды
ссии электронов
лазеров [їв] . Сильноточные электронные пучки применяются также в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу [17-20] , коллективному ускорению частиц [21] , в технологии и т.д. Вопросы применения и физики релятивистских сильноточных электронных пучков рассматриваются также в монографиях [22-23]
Для применения сильноточных электронных пучков в физических исследованиях и в технологии важное, а иногда и решающее значение имеет вопрос об однородности пучка. Как правило, для получения сильноточных электронных пучков применяются катоды со взрывной эмиссией. Случайный характер появления взрывоэмиссионных центров на катоде приводит в конечном счете к неоднородности электронного пучка. После приложения высокого напряжения к диоду микроострия на катоде взрываются в течение нескольких наносекунд. Можно было бы ожидать, что довольно быстро все микроострия взорвутся и катодная плазма, расширяясь, сомкнется, образуя довольно однородную плазменную поверхность, что обеспечило бы дальнейшее формирование достаточно однородного пучка электронов. Однако, эксперимент показывает, что появление в каком-либо месте на катоде эмиссионного центра резко снижает напряженность электрического поля на поверхности катода в некоторой окрестности этого эмиссионного центра. Это явление объясняется экранирующим действием объемного заряда микропучка, вытекающего из эмиссионного центра. Поэтому вблизи эмиссионного центра взрывов других микроострий не происходит, покрывание поверхности катода плазмой затруднено (центры эмиссии далеко друг от друга) и проблема получения однородного пучка требует специальных исследований и решений. Оказалось также, что пучки из отдельных близко расположенных катодных факелов взаимодействуют, что приводит к дополнительной неоднород-

дущей задачи нужно уменьшить напряженность электрического поля в /1 раз, уменьшить поверхностную плотность зарядов на электродах в п раз, уменьшить плотность объемного заряда в п2 раз. Тогда плотность тока уменьшится в п2 раз (полный ток в диоде не изменится, а следовательно не изменится и первеанс диода). Легко видеть, что изменение плотностей зарядов и напряженности электрического поля соотвествуют друг другу. Не изменится и условие равновесия электрона на траектории, именно, равенство центробежной силы ту2/Я (Я - радиус кривизны траектории) нормальной составляющей электрической силы в Ем , так как и та и другая силы уменьшаются в П раз (увеличение Я и уменьшение £ , )ПУ2 не меняется, так как разность потенциалов не изменилась).
Поэтому мы по существу решаем задачу для любого масштаба длины и любого напряжения на диоде (в пределах нерелятивистского). При этом, соответственно, меняется масштаб плотности тока.
Краевая задача для уравнения Пуассона решалась с помощью разностных методов на прямоугольной сетке. Расчет производился по компилирующей системе КСИ-ББСМ [ы] . Итерации проводились до совпадения двух последующих итераций с определенной точностью.
При этом дополнительным условием было равенство нулю напряженности электрического поля на поверхности плазменных полуцилиндров (выполнение "закона 3/2").
По трубкам тока в области между полуцилиндрами отмечается, что при некотором угле вылета электронов с полуцилиндра они попадают на анод на максимальном расстоянии в сторону соседнего полуцилиндра (Рис. 3). Для нашего случая ^=68°. На границе залета электронов с одного полуцилиндра в сторону другого траектории электронов уплотняются, а следовательно, плотность тока на