Методы магнитной фокусировки электронного луча

Известно, что величина радиуса электронного потока по соотношениям Бриллюэна [4]

(17)

Это соотношение Бриллюэна можно использовать для вычисления минимально возможного магнитного поля, необходимого для фокусировки луча радиуса с током I и напряжением U (бриллюэновского поля, индукция которого обозначается В_б):

; . (18)

Безусловно, основной задачей при формировании магнитного фокусирующего поля является, в идеале, поле без поперечных составляющих (поперечные составляющие магнитного поля должны быть минимальны).

Существуют четыре системы формирования магнитного поля в ЛБВ:

1) соленоид;

2) постоянные магниты;

3) реверсная магнитная система;

4) магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС).

Соленоид

Наиболее близко к идеальному можно сформировать магнитное поле в соленоиде. Электронный поток становится близким к ламинарному (однородному без завихрений). Увеличивается эффективный радиус электронного луча, возрастает эффективность взаимодействия. Однако до последнего времени соленоиды применялись на сверхмощных ЛБВ в несколько десятков и более киловатт. Их применение ограничивалось большими массогабаритными характеристиками, необходимостью применения дополнительного сильноточного стабилизированного источника питания.

Последнее время стали применяться так называемые «интегральные» соленоиды, т. е. токоведущая проволока или фольга намотана фактически на тело ЛБВ (реально проволока намотана на «галету», плотно облегающую оболочку лампы). Это позволило сделать ЛБВ пакетированной с соленоидом, несколько снизить ее вес и тем самым расширить область ее применения.

Постоянные магниты

Поперечные составляющие в постоянных магнитах несколько больше, чем в соленоиде, но есть возможность сформировать более или менее однородное поле. Однако в большинстве случаев это не применяется из-за необходимости применения магнитов большой массы. ЛБВ относится к приборам с протяженным пространством взаимодействия. Поэтому, скажем, увеличение длины прибора в N раз по сравнению с другими приборами приводит к увеличению массы магнитов в N³ раз.

Постоянные магниты применяются в коротковолновой части рабочего диапазона (миллиметровом диапазоне длин волн) и в коротких лампах, там, где получение значимых результатов более важно, чем увеличение массы.

Реверсная магнитная система и мпфс

Данные магнитные системы строятся за счет создания ячеек на основе кольцевых магнитов вдоль всего пространства взаимодействия. Отличие заключается в том, что в реверсной системе количество таких ячеек значительно (иногда на порядок) меньше, чем в МПФС. Выигрыш в массе получается за счет смены полярности магнитной индукции на краях каждого кольцевого магнита. В этом случае увеличение длины прибора в N раз приводит к увеличению массы также в N раз. Конечно, уменьшение количества периодов приводит к необходимости увеличивать массу магнитов, т. е. масса реверсной системы для одной и той же лампы больше, чем МПФС.

На рис. 9 показано схематическое построение МПФС и синусоидальное распределение индукции магнитного поля.

Полюсный

наконечник

Кольцевой магнит

Ось кольца

Рис. 9. Схема МПФС и синусоидальное распределение индукции магнитного поля

Следует обратить внимание на то, что на рис. 9 диаметр кольцевого магнита меньше, чем полюсного наконечника (реально разница в 0,2…0,4 мм). Безусловно, такое построение приводит к увеличению полей рассеивания и потере магнитной индукции на 10…15 %. Но по этой же причине становится более удобной настройка прибора в динамическом режиме на максимальное токопрохождение. Кроме этого конструкция ЛБВ становится более устойчивой к воздействию внешних механических факторов (ударам, вибрации и т. д.).

Применение МПФС приводит к возникновению областей устойчивой (хорошая фокусировка) и неустойчивой (рассыпание электронного луча) работы прибора. Эти области определяются величиной ускоряющего напряжения U₀, максимальным значением индукции магнитного поля на оси системы В и периодом магнитной системы L. Вводится так называемый параметр магнитного поля

. (19)

Теоретически первая область устойчивости находится в интервале значений γ от 0 до 0,66. Практически граница этой области находится вблизи 0,43.

Существование областей устойчивой и неустойчивой работы прибора можно объяснить следующим образом. В окрестностях точек 1, 2, 3, 4, 5 (рис. 10) величина магнитной индукции близка к нулю.

Рис. 10. Области устойчивой и неустойчивой работы прибора

Фокусирующее действие магнитного поля незначительно. Поэтому скорость электронов в этих окрестностях и крутизна изменения магнитной индукции должны быть такими, чтобы инерция движения электронов была достаточной для того, чтобы электронный луч не рассыпался. Это и определяется с помощью формулы (19).

В этом месте следует вернуться к роли анода или управляющего электрода в ЛБВ непрерывного режима работы. Если традиционно производить включение прибора (как, например, клистроны): включить и дать время для разогрева накала, затем включить и поднять до номинального значения ускоряющее напряжение; то прибор обязательно будет по напряжению проходить через область неустойчивости, в которой электронный луч рассыпается и садится на замедляющую систему. Неминуем выход из строя ЛБВ. Поэтому на управляющий электрод (U_УЭ) одновременно с включением напряжения накала подается запирающее напряжение, близкое к напряжению катода. После того, как на остальные электроды поданы все номинальные напряжения, происходит отпирание лампы по управляющему электроду. Выключение прибора происходит в обратном порядке. По абсолютному значению U_УЭ в запертом состоянии составляет ≈+10 % от общего ускоряющего напряжения относительно катода, в рабочем состоянии ≈+80 % относительно катода. В импульсных приборах на модулятор не подается запускающий импульс, пока не введены все номинальные напряжения.

У

величение крутизны изменения магнитной индукции при более широком периоде L, т. е. увеличить область устойчивой работы удается с помощью использования третьей гармоники магнитного поля (как это показано на рис. 11).

Рис. 11. Зависимость крутизны магнитной индукции от периода магнитной системы

В ЛБВ с МПФС поперечные составляющие магнитного поля достаточно велики. Поэтому эффективный радиус электронного луча может быть в пределах 0,4…0,6 от радиуса пролетного канала.

Исходя из изложенного, выбор способа магнитной фокусировки зависит от конкретных задач, поставленных в разработке ЛБВ.