Траектория электрона

* Магнетрон — это электронный прибор специальной конструкции, предназначенный для генерации колебаний сверхвысоких частот, в котором для создания нужных траекторий электронов применяется постоянное магнитное поле. Магнетрон способен создавать электромагнитные колебания на частотах, соответствующих сантиметровым и миллиметровым волнам, и отдавать мощность до сотен ватт в режиме непрерывной работы и до тысяч киловатт в импульсном режиме.

Большой мощностью и малой расходимостью обладает синхротрон-нов излучение, получаемое в циклических ускорителях электронов — накопительных кольцах. При достижении релятивистских скоростей электроны длительное время движутся по круговым траекториям в магнитном поле. Излучение возникает в результате искривления траекторий электронов и появления центростремительного ускорения. Излучение имеет малую расходимость, а его мощность даже на больших (до 40 м) расстояниях от источника гораздо больше, чем для рентгеновской трубки. В данном случае достигается разрешающая способность 0,01 ... 0,05 мкм. Время экспонирования сокращается до нескольких секунд по сравнению с несколькими часами при использовании обычных рентгеновских установок.

Режим прямого перехвата электронов сеткой. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде характерные признаки режима возврата исчезают. Влияние положительного поля сетки сказывается лишь на искривлении траекторий электронов, движущихся к аноду. Ток сетки образуется теперь только за счет электронов, которые непосредственно попадают на витки сетки. Наступает режим токораспределения, который называют режимом перехвата электронов сеткой.

Как и в триоде, в многоэлектродных лампах различают два режима токораспределения. При анодных напряжениях, малых по сравнению с С7С2, траектории некоторых электронов, пролетающих экранирующую сетку под действием результирующего поля между этой сеткой и анодом, искривляются и электроны возвращаются от анода к экранирующей сетке. Это режим возврата электронов к экранирующей сетке. На конфигурацию поля в пространстве между экранирующей сеткой и анодом анодное напряжение в тетроде влияет непосредственно, а в пентоде его влияние несколько ослабляется из-за экранирующего действия редкой защитной сетки. Поэтому даже небольшое увеличение анодного напряжения в этом режиме существенно влияет на траектории электронов, пролетевших экранирующую сетку. При увеличении Ua все большая часть траекторий электронов спрямляется и наблюдаются резкий рост анодного тока и уменьшение тока /С2. Существенно увеличивается поэтому и коэффициент токораспределения.

Траектории электронов в электростатических линзах Т8КИ6 же, как и в прожекторе с электростатической фокусировкой ( 7-6, а). Скрещение траекторий электронов служит объектом для магнитной линзы, образованной неоднородным' магнитным полем короткой катушки, надеваемой трубки.

тангенциальная составляющая скорости электрона vr ( 7-10,в), которая совместно с Ва образует силу Fnr, прижимающую электрон к оси. Таким образом, в неоднородном магнитном поле электрон движется по спирали с уменьшающимся радиусом и в некоторой точке С его траектория соприкасается с осью катушки. Регулируя ток в фокусирующей катушке и меняя таким образом индукцию магнитного поля, можно добиться пересечения траекторий электронов с осью трубки в плоскости экрана, т. е. обеспечить фокусировку электронов.

В электронно-лучевых трубках с магнитной фокусировкой в качестве второй, главной проекционной линзы, отображающей скрещение траекторий электронов на экран, используется неоднородное магнитное поле (магнитная линза) короткой катушки, у которой диаметр соизмерим с ее толщиной (длиной). Катушка заключена в ферромагнитный панцирь и надевается на горловину трубки.

Одним из основных требований, предъявляемых к электронно-оптическим системам ФЭУ, особенно быстродействующим, является минимальный разброс времен пролета электронов от поверхности фотокатода до первого динода (изохронность траекторий электронов). Неодинаковость времен пролета обусловлена разбросом начальных скоростей и неодинаковостью длин пробега электронов, вылетевших с различных участков фотокатода, неоднородностью электрических полей и рядом других факторов. Наилучшие результаты получаются во входных камерах со сферической

На высоких частотах шумы в лампе характеризуются параметрами Яш, Gm, Уш.кор или Кш. С увеличением рабочей частоты из-за инерционности пролета электронов в лампе появляется наведенный ток в цепи управляющей сетки. Флуктуации катодного тока приводят к появлению шумов наведенного тока в цепи управляющей сетки !m.ci (0 и тока анода /ША (t). Для комплексных амплитуд токов в лампе справедливо соотношение /шк=ЛиС1+/шА. Неоднородность электрического поля сетки и разброс траекторий электронов, времени их пролета в пространстве сетка — катод приводят к тому, что шумовой ток /ша можно представить двумя составляющими. Одна из них кйррелирована с током /шл и, следовательно, может быть записана (см. § 14.3)

Режим прямого перехвата электронов сеткой. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде характерные признаки режима возврата исчезают. Влияние положительного поля сетки сказывается лишь на искривлении траекторий электронов, движущихся к аноду. Ток сетки образуется теперь только за счет электронов, которые непосредственно попадают на витки сетки. Наступает режим токораспределения, который называют режимом перехвата электронов сеткой.

Как и в триоде, в многоэлектродных лампах различают два режима токораспределения. При анодных напряжениях, малых по сравнению с С7С2, траектории некоторых электронов, пролетающих экранирующую сетку под действием результирующего поля между этой сеткой и анодом, искривляются и электроны возвращаются от анода к экранирующей сетке. Это режим возврата электронов к экранирующей сетке. На конфигурацию поля в пространстве между экранирующей сеткой и анодом анодное напряжение в тетроде влияет непосредственно, а в пентоде его влияние несколько ослабляется из-за экранирующего действия редкой защитной сетки. Поэтому даже небольшое увеличение анодного напряжения в этом режиме существенно влияет на траектории электронов, пролетевших экранирующую сетку. При увеличении Ua все большая часть траекторий электронов спрямляется и наблюдаются резкий рост анодного тока и уменьшение тока /С2. Существенно увеличивается поэтому и коэффициент токораспределения.

перемещаются в зазоре радиально от катода к аноду без гоударений, разряд отсутствует и цепь разомкнута. При включении индуктора и создании индукции В возникает дрейф электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Траектория электрона приобретает значительную тангенциальную составляющую, т. е. его путь между катодом и анодом становится значительно больше длины свободного пробега. Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа в зазоре и ионизируя их, электроны создают тлеющий разряд (или близкий к нему), который замыкает электрическую цепь. При отключении индуктора разряд исчезает и цепь разрывается. Так как плотности тока при тлеющем разряде малы, коммутатор должен иметь большую площадь электродов для отключения токов на уровне 100—500 кА. Время коммутации в таких приборах может составлять 10"'с. Использование магнитоуправляемых вентилей для коммутации цепей с ИН представляется весьма перспективным [2.2], хотя пока разработка подобных коммутаторов находится в начальной стадии. Разрабатываются также плазмоэрозионные размыкатели на токи порядка 106 А при напряжениях на уровне 106 В, основанные на свойстве сильноточного плазменного разряда резко (за время порядка 10~8 с) увеличивать свое сопротивление при достижении критического значения тока. Реализация подобных коммутаторов требует сложного физического оборудования.

1.34. Электрон с начальной энергией 1000 эВ входит в поперечное магнитное поле с индукцией B=1Q-2 Тл. Определить: а) радиус кривизны траектории электрона; б) какой будет траектория электрона, если угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции будет составлять 5°?

Если атом представить шаром, то ааф = пг2, где г — радиус атома. В действительности электрон и атом взаимодействуют на расстоянии, поэтому траектория электрона искривляется и эффективное сечение столкновений увели-

Изменяя потенциал первого анода 5, в цепи которого протекает меньший ток, чем в цепи второго анода 6, можно регулировать фокусное расстояние второй линзы, совмещая тем самым фокус второй линзы с поверхностью экрана ( 11.2). Проиллюстрируем физический механизм изменения траектории электронов при движении в электрическом поле. Для этого из любой линзы выделим некую элементарную область и изобразим на ней несколько эквипотенциальных линий ( 11.3). Допустим, что электрон со скоростью V пересекает эквипотенциаль фь Разложим вектор скорости V на две составляющие, одна из которых v x направлена нормально к эквипотенциали, а другая v\\ — по касательной, проведенной к эквипотенциали в точке пересечения ее электроном (точка А', 11.3). Потенциал второй эквипотенциали ф2>фь Напряженность электрического поля (§ направлена по нормали к эквипотенциали ф2 в сторону эквипотенциали фь Под воздействием электрического поля <§ составляющая скорости v± увеличивается, а составляющая v\\ остается неизменной. В результате после прохождения электроном расстояния между эквипо-тенциалями ф! иф2траектория электрона отклонится вниз. Аналогично рассуждая, приходим к заключению, что после прохождения между ф2Иф3(ф2<фз) электрон еще больше отклонился вниз. Если изменить направление градиента электрического поля, т.е. сделать ф!>ф2>фз и т.д., то траектория электрона будет изгибаться вверх. Изменяя конфигурацию эквипотенциален относительно вектора скорости или направление V, можно формировать траекторию движения электронов по необходимому закону.

Электрон не взаимодействует с магнитным полем, если он неподвижен (и = 0) или летит вдоль силовых линий поля (угол между векторами скорости ~гГ и индукции ~5 поля а=0° или а=180°). Если угол а отличается от 0, 90 или 180°, траектория электрона становится спиральной. Если угол а=90°, траектория электрона представляет собой окружность, лежащую в одной плоскости с вектором скорости 1Г.

235. Траектория электрона в магнетроне

Согласно ур-ниям (5.3), электрон вращается по перемещающейся окружности с постоянной угловой скоростью, равной циклотронной частоте. В результате траектория электрона представляет со-«5ой циклоиду — траекторию точки на катящемся круге.

6.1. Траектория электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях в плоском диоде: / — анод; 2 — основание

387. Движение электрона, вылетевшего с катода с нулевой начальной скоростью, в плоском магнетроне. Траектория электрона есть циклоида, описываемая точкой, лежащей на окружности круга, равномерно катящегося по катоду.

Легко показать, что траектория электрона в плоском магнетроне есть циклоида, т. е линия, которую описывает точка на окружности круга, равног мерно катящегося вдоль катода в направлении, перпендикулярном к Е и Н ( 387). Действительно, для нашего случая уравнения движения электрона (197.2) принимают вид:

Для получения увеличенных и уменьшенных изображений служат короткие магнитные линзы. Рассмотрим принцип действия таких линз на примере одного витка с током ( 399). Предположим, что электроны до линзы движутся перпендикулярно к плоскости витка (параллельно оси линзы), и рассмотрим силы, действующие на электрон слева от плоскости витка. Магнитное поле имеет составляющую HI, параллельную траектории электрона, и составляющую //„, перпендикулярную к ней. Благодаря наличию поля Нп на электрон действует сила Лорентца, направленная от чертежа к читателю, и электрон приобретает дополнительную скорость v того же направления. Но наличие скорости V и составляющей поля HI приводит к появлению силы Лорентца /, направленной к оси линзы, так что траектория электрона изгибается и приближается к оси. Справа от плоскости витка направление поля Нп изменяется на обратное, и появляется сила Лорентца, уменьшающая скорость v. Однако эта скорость в правой части поля не равна нулю, и поэтому под действием поля HI траектория электронов еще больше загибается к оси линзы. В результате электроны, двигавшиеся параллельно оси линзы, соберутся в малом объеме вблизи некоторой точки F, которая является главным фокусом линзы.