Спосіб визначення статичних характеристик електронних пучків малого перерізу та пристрій для його здійснення
Номер патенту: 4086
Опубліковано: 27.12.1994
Автори: Воробйов Геннадій Савелійович, Пушкарьов Костянтин Олексійович, Чабань Володимир Якович, Бєлоусов Євген Вікторович, Корж Вадим Георгійович
Формула / Реферат
1. Способ определения статических характеристик электронных пучков малого сечения, включающий формирование электронного пучка, установку подвижной мишени в заданном сечении пучка, измерение тока пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени методом макросъемки, обработку фотопленки, фотометрирование изображения по заданным координатам, определение коэффициента увеличения оптической системы и зависимости оптической плотности изображения от плотности тока пучка, получение распределения плотности тока и размеров пучка в плоскости подвижной мишени, отличающийся тем, что плоскость подвижной мишени располагают под малым углом относительно оси эликтронного пучка, где L - длина рабочей поверхности подвижной мишени, R - радиус исследуемого пучка, и подвижную мишень устанавливают так, что ее дальний по отношению к пушке край рабочей поверхности располагается на оси электронного пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени производят при синхронном перемещении подвижной мишени с фотокамерой, а зависимость оптической плотности изображения от плотности тока пучка определяют сопоставлением величин интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка на мишени.
2. Устройство для определения статических характеристик электронных пучков малого сечения, содержащее электронную пушку, подвижную мишень, неподвижную мишень, фотокамеру и устройство для фотометрирования фотоизображения, отличающееся тем, что неподвижная мишень расположена за подвижной мишенью на оси пушки, оптическая ось фотокамеры перпендикулярна плоскости подвижной мишени, при этом подвижная мишень и фотокамера установлены с возможностью синхронного перемещения, а в качестве устройства для фотометрирования использован автоматический денситометр, сопряженный с ЭВМ.
Текст
Изобретение относится к области СВЧ электроники, а именно к измерению невозмущающими методами статических характеристик высокоинтенсивных электронных пучков (ЭП) малого диаметра и может быть использовано для оптимизации электронно-оптических систем (ЭОС) при конструировании электронных приборов СВЧ с протяженными ЭП высоких энергий. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения статических параметров ЭП, основанный на фотометоде регистрации излучения оптического диапазона, возникающего при падении электронов на металлическую поверхность (переходного излучения), который включает в себя формирование ЭП, установку подвижной мишени со щелью в заданном сечении пучка и соответствующего фокусного расстояния фотокамеры, измерение тока эмиссии, прошедшего через щель в мишени, регистрацию оптического излучения методом макросъемки совместно с масштабной меткой на мишени, обработку фотопленки, фотометрирование по заданным координатам изображения следа свечения пучка и определение масштабного коэффициента, а также вычисление абсолютных значений плотности тока и геометрических размеров в заданном сечении пучка. Известно также устройство для реализации данного способа, которое содержит электронную пушку, формирующую ЭП, подвижную мишень с узкой щелью, выполненную в виде медной полированной пластины, м неподвижную мишень, расположенную на оси электронной пушки за подвижной мишенью, а также фотокамеру, оптическая ось которой расположена под углом относительно оси пучка - подвижной мишени. Описанные способ и устройство позволяют исследовать ленточные пучки с удельной мощностью от единиц Вт/см 2 до десятков кВт/см 2. При этом нижний предел обусловлен временем экспонирования, не превышающим минуты и может быть существенно снижен увеличением светосилы оптической системы и использованием высокочувствительных фотоматериалов. Верхний предел связан с нарушением однородности излучения, вызываемым появлением микрофакелов. Недостатком данного способа и устройства является предположение об однородности распределения плотности тока по ширине пучка в области расположения щели, что в случае осесимметричных ЭП малого диаметра (0,1-0,3 мм) не соответствует реальным условиям и приведет к большой погрешности измерений. Наличие щели в мишени и сосредоточение пучка на малой поверхности мишени затрудняет отвод тепловой мощности, что ограничивает верхний диапазон удельной мощности измеряемых пучков за счет появления микрофакелов. Расположение оптической оси фотокамеры и поверхности мишени в различных плоскостях требует установки фокусного расстояния фотокамеры для каждого исследуемого сечения пучка, что увеличивает время измерений. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ определения статических характеристик электронных пучков малого сечения и устройство для его осуществления, в котором новое расположение подвижной мишени и новая регистрация оптического излучения на плоскости мишени, а также определение зависимости оптической плотности изображения от плотности тока позволило бы расширить возможности исследования высокоинтенсивных пучков, повысить разрешающую способность и точность измерений, устранить погрешности измерения. Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения статических характеристик электронных пучков малого сечения, включающем формирование электронного пучка, установку подвижной мишени в заданном сечении пучка, измерение тока пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени методом макросъемки, обработку фотопленки, фотометрирование изображения по заданным координатам, определение коэффициента увеличения оптической системы и зависимости оптической плотности изображения от плотности тока пучка, получение распределения плотности тока и размеров пучка в плоскости подвижной мишени, согласно изобретению, плоскость подвижной мишени располагают под углом a ³ arcsin( / R ) относительно оси электронного пучка, где L - длина рабочей поверхности подвижной мишени, R L - радиус исследуемого пучка, и подвижную мишень устанавливают так, что ее дальний по отношению к пушке край рабочей поверхности располагается на оси электронного пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени производят при синхронном перемещении подвижной мишени с фотокамерой, а зависимость оптической плотности изображения от плотности тока пучка определяют сопоставлением величин интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка на мишени. В устройстве для осуществления данного способа, содержащем электронную пушк у, подвижную мишень, неподвижную мишень, фотокамеру и устройство для фотометрирования фотоизображения, согласно изобретению, неподвижная мишень расположена за подвижной мишенью на оси пушки, оптическая ось фотокамеры перпендикулярна плоскости подвижной мишени, при этом подвижная мишень и фотокамера установлены с возможностью синхронного перемещения, а в качестве устройства для фотометрирования используют автоматический денситометр, сопряженный с ЭВМ. Совокупность существенных признаков заявляемых способа и устройства позволяет рассредоточить энергию пучка на большой поверхности мишени, значительно уменьшая удельную тепловую нагрузку на поверхность мишени, позволяет получить зависимость оптической плотности фотографического изображения от плотности тока пучка по сопоставлению интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка, что устраняет погрешности измерения, расширяет возможности исследования тонких высокоинтенсивных пучков, значительно повышает объем получаемой информации и полностью реализует высокую разрешающую способность и точность измерений. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема реализации предложенного способа; на фиг. 2 - схема устройства для реализации способа - анализатор электронного пучка (АЭП); на фиг. 3 - результаты экспериментальных измерений; на фиг. 4 - результаты траєкторного анализа пучка для исследуемой ЭОС. Предлагаемый способ заключается в следующем (фиг. 1). Осесимметричный электронный пучок 1 формируется электронной пушкой 2. На пути пучка 1 установлена подвижная мишень 3 таким образом, что ее рабочая поверхность располагается под углом a ³ arcsin( / R ) к оси L электронного пучка 1. совпадающей с осью 5 пушки 2. Перемещая подвижную мишень 3 в направлении, перпендикулярном ее рабочей поверхности и контролируя ток мишени 3 и неподвижной мишени 6 добиваются равенства токов на них, что свидетельствует о расположении дальнего от пушки 2 края мишени 3 на оси 4 пучка 1. Синхронно перемещая фотокамеру 7 и мишень 3, производят ряд снимков оптического излучения электронов, падающих на мишень. После обработки фотопленки производят фотометрирование каждого изображения сканированием по двум координатам щелью денситометра, что позволяет получить в относительных единицах распределение плотности тока пучка в данном сечении. При этом достаточно легко обеспечивается основное требование метода - малый размер измерительного отверстия по сравнению с размерами исследуемого пучка, что достигается увеличением изображения как при фотосъемке, так и при фотометрировании. На основании данных фотометрирования и характеристической кривой фотоматериала получают относительное распределение интенсивности оптического излучения пучка на мишени; Проведя интегрирование относительной интенсивности оптического излучения по всей площади изображения и приравняв ее току пучка, находят связь между оптической плотностью фотоизображения и плотностью тока. Используя эту связь, получают полное распределение плотности тока по сечению электронного пучка в плоскости мишени. Из распределения плотности тока по сечению пучка с учетом коэффициента увеличения оптической системы получают геометрические размеры пучка. Серия фотоснимков при разных положениях подвижной мишени позволяет получить пространственное распределение плотности тока в электронном пучке на любом участке его движения. Погрешность измерений характеристик пучка включает в себя погрешности измерения геометрических размеров (угол падения пучка на мишень, коэффициент увеличения оптической системы, усадка подложки фотоматериала, шаг сканирования при фотометрировании), суммарно не превышающие 5%, и погрешности измерения плотности тока (измерение характеристической кривой фотоматериала, тока пучка, фотометрирование изображения), не превышающие 15%. Предложенный способ был реализован экспериментально на макете анализатора электронного пучка, показанном на фиг. 2, 3. АЭП состоит из вакуумной камеры 8, электронной пушки 2, изолированных от корпуса камеры 8 подвижной мишени 3 и неподвижной мишени 6. Ось 5 электронной пушки расположена под углом a ³ arcsin( / R ) относительно рабочей поверхности мишени 3. На корпусе камеры 8 закреплена каретка L устройства 9 перемещения, содержащая микрометрический винт 10 и фотокамеру (на чертеже не показана), устанавливаемую на кронштейне 11 у смотрового окна 12 таким образом, чтобы ее оптическая ось (на чертеже не показана) была перпендикулярна рабочей поверхности мишени 3. Каретка устройства 9 перемещения соединена через сильфонный узел 13 с мишенью 3. Подача питающих напряжений на электроды пушки 2 осуществляется через высоковольтные вводы 14, а контроль тока на мишенях 3 и 6 - через изолированные от корпуса камеры 8 трубки 15 и 16 водяного охлаждения этих элементов. Камера 8 собрана из металлических уплотнений и подключена к откачному посту (на чертеже не показан), обеспечивающему давление порядка 10-6 Па. Разработанное устройство позволяет измерять геометрические размеры и распределение плотности тока осесимметричных пучков диаметром 0,1-1 мм на расстоянии 0,5-28 мм от плоскости выхода пучка из пушки 2. Предложенное устройство работает следующим образом. В камере 8 посредством откачного поста достигается степень вакуума порядка 10-6 Па. После тренировки пушки 2 на ее электроды подаются через высоковольтные вводы 14 рабочие напряжения. Пушка 2 под углом =2°16' относительно плоскости мишени 3 формирует ЭП. Посредством микрометрического винта 10 подвижная мишень 3 и фотокамера устанавливаются в исходное положение, определяемое равенством токов на мишенях 3, 6. Полученный на микрометрическом винте 10 отсчет является базовым для дальнейших измерений. При этом на фотокамере по наблюдаемому через объектив следу свечения пучка устанавливается необходимое фокусное расстояние, которое за счет синхронного перемещения мишени 3 и фотокамеры в дальнейшем остается неизменным. После определения геометрической оси ЭП путем вращения микрометрического винта 10 мишень 3 устанавливается в заданных сечениях пучка и производится регистрация излучения на фотопленке. Описанные способ измерений и устройство позволили исследовать осесимметричные сходящиеся ЭП с диаметром в кроссовере менее 0,3 мм, общим током пучка до 30 мА при ускоряющих напряжениях 2000-6000 В. Пучок формировался трехэлектродной пушкой, которая используется в усилителях миллиметрового диапазона длин волн. На фиг. 3 приведены измеренные распределения плотности тока в относительных единицах - j/jmax по диаметру пучка d в пяти поперечных сечениях для следующи х режимов работы пушки: фокусное напряжение 40 В, напряжение на первом аноде - 80 В, напряжение на втором аноде - 2400 В, первеанс пучка - 0,04 А/В3/2. График "а" соответствуе т сечению ЭП, расположенному на расстоянии 4,4 мм от второго анода пушки. Характеристики "б, в, г, д" построены для сечений, расположенных с интервалом 5,5 мм от первого сечения. Как видно из графиков, плотность тока на сечении пучка неоднородна, что может оказывать существенные влияния на спектральные и флуктуационные характеристики выходного сигнала прибора. Обнаруженные неоднородности могут быть вызваны неравномерностью эмиссии с катода, несоблюдением допусков при сборке ЭОС и другими факторами. При измерениях диаметра ЭП в различных поперечных сечениях предполагалось, что в пределах определяемого размера содержится 95% тока пучка. Для указанных выше поперечных сечений и рабочих режимов диаметр пучка изменялся от 0,54 мм до 2,2 мм. Построение границ ЭП по полученным значениям диаметров указывает на то, что кроссовер пучка расположен в области пролетного канала второго анода, что качественно согласуется с результатами теоретического траекторного анализа пучка для идентичных с экспериментом режимов напряжений и геометрии ЭОС (фиг. 4). Проведенные оценки тепловых режимов макета АЭП при значениях a = 2°16' указывают на возможность измерений ЭП с общей мощностью до 700 Вт при удельной мощности области кроссовера, достигающей 10 кВт/см 2, что на порядок больше, чем в прототипе. Кроме того, отсутствие щели в подвижной мишени позволяет значительно повысить точность измерений. Поскольку для регистрации излучения одного сечения пучка на фотопленку, в зависимости от интенсивности свечения, требуется время порядка 1-5 мин, то синхронность перемещения подвижной мишени и фотокамеры значительно уменьшает время измерений, что особо важно при массовом контроле пушек на производстве. Таким образом, предложенные способ и устройство позволяет значительно расширить пределы применения способа, повысить разрешающую способность и точность измерений. Это указывает на перспективность применения данных способа и устройства как при разработке новых приборов СВЧ, так и при серийном производстве приборов, где необходимо осуществлять контроль качества электронных пушек при установке их в изделия.
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюMethod to determine statistic characteristics of electron beams of small cross section and devices of its realization
Автори англійськоюBielousov Yevhen Viktorovych, Vorobiov Hennadii Saveliiovych, Korzh Vadym Heorhiiovych, Pushkariov Kostiantyn Oleksiiovych, Chaban Volodymyr Yakovych
Назва патенту російськоюСпособ определения статистических характеристик электронных пучков малого сечения и устройств его реализации
Автори російськоюБелоусов Евгений Викторович, Воробьев Геннадий Савельевич, Корж Вадим Георгиевич, Пушкарев Константин Алексеевич, Чабань Владимир Яковлевич
МПК / Мітки
МПК: H01J 9/12
Мітки: визначення, здійснення, електронних, статичних, малого, перерізу, пучків, характеристик, пристрій, спосіб
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-4086-sposib-viznachennya-statichnikh-kharakteristik-elektronnikh-puchkiv-malogo-pererizu-ta-pristrijj-dlya-jjogo-zdijjsnennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб визначення статичних характеристик електронних пучків малого перерізу та пристрій для його здійснення</a>
Попередній патент: Енергосистема
Наступний патент: Полімерна композиція фрикційного призначення
Випадковий патент: Спосіб виявлення імунного апарата тонкої кишки й лімфатичних вузлів серед оточуючих тканин