СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ МАЛОГО СЕЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01J9/42 G01T1/29 

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), что особенно важно при конструировании электронных приборов СВЧ с протяженными ЭП высоких энергий.

Известны невозмущающие способы измерения статических параметров ЭП, основанные на различных физических явлениях, происходящих при взаимодействии электронов с атомами или молекулами различных веществ и газов [1] . В частности, некоторые сведения о геометрических размерах и структуре ЭП в поперечном сечении можно получить, наблюдая изображение следа свечения пучка на различных экранах, помещенных на пути движения ЭП. При этом о параметрах пучка судят, анализируя тепловой разогрев, рентгеновское излучение и т. д. Однако установление связи этих воздействий электронов на экраны с параметрами пучка представляет сложную, а зачастую невыполнимую задачу. Вследствие этого отмеченные способы позволяют проводить лишь оценку геометрических размеров ЭП и качественно судить о распределении плотности тока.

Ближайшим техническим решением к изобретению (прототипом) является способ определения статических параметров ЭП, основанный на фотометоде регистрации излучения оптического диапазона, возникающего при падении электронов на металлическую поверхность (переходного излучения). Этот способ 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 [2] .

Известно также устройство для реализации данного способа, которое содержит электронную пушку, формирующую ЭП, подвижную мишень с узкой щелью, выполненную в виде медной полированной пластины, и неподвижную мишень, расположенную на оси электронной пушки за подвижной мишенью, а также фотокамеру, оптическая ось которой расположена под углом относительно оси пушка - подвижная мишень [2] .

Описанные способ и устройство позволяют исследовать ленточные пучки с удельной мощностью от единиц Вт/см² до десятков кВт/см². 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 этих 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. Как и в методе диафрагмы это приведет к большой погрешности измерений [3] . Наличие щели в мишени и сосредоточение пучка на малой поверхности мишени затрудняют также отвод тепловой мощности, что ограничивает верхний диапазон удельной мощности измеряемых пучков за счет появления микрофакелов. Кроме того, расположение оптической оси фотокамеры и поверхности мишени в различных плоскостях требует установки фокусного расстояния фотокамеры для каждого исследуемого сечения пучка, что увеличивает время измерений.

Цель изобретения - расширение пределов применения способа для исследования пучков с высокой удельной мощностью, повышение разрешающей способности и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, 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 по плотности тока пучка, получение распределения плотности тока и размеров пучка в плоскости мишени, согласно изобретению, плоскость подвижной мишени располагают под углом α ≥ arcsin(L/R) относительно оси электронного пучка, где L - длина рабочей поверхности подвижной машины, 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.

В устройстве для осуществления данного способа, содержащем электронную пушку, подвижную мишень, неподвижную мишень, фотокамеру и устройство для фотометрирования фотоизображения, согласно изобретению неподвижная мишень расположена за подвижной 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.

Расположение плоскости мишени под углом α ≥ arcsin(L/R) относительно оси электронного пучка позволяет рассредоточить энергию пучка на большой поверхности машины, что значительно уменьшает удельную тепловую нагрузку на поверхность мишени и, следовательно, расширяет возможности способа для исследования высокоинтенсивных пучков. Получение зависимости оптической плотности фотографического изображения от плотности тока пучка по сопоставлению интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка позволяет устранить погрешности измерения, обусловленные неидентичностью распределения тока в части пучка, проходящей через щель в мишени, и вблизи щели и потерей информации о части пучка, проходящей через щель, что существенно при исследовании тонких пучков, толщина которых соизмерима с шириной щели.

К положительным качествам предложенного устройства для измерения характеристик электронных пучков относится возможность исследования тонких пучков с высокой удельной мощностью как за счет конструкции мишени, не имеющей щели, так и за счет применения для фотометрирования фотоизображения автоматического денситометра, управляемого ЭВМ, что позволяет значительно повысить объем получаемой информации и полностью реализовать высокую разрешающую способность метода, ограниченную лишь разрешающей способностью фотообъектива. Кроме того, при синхронном перемещении фотокамеры с мишенью достаточно однократной фокусировки фотокамеры и однократного определения коэффициента увеличения оптической системы, что повышает оперативность измерений.

На фиг. 1 показана схема осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - схема устройства для реализации способа - анализатор электронного пучка (АЭП); на фиг. 3 - результаты экспериментальных измерений; на фиг. 4 - результаты траекторного анализа пучка для исследуемой ЭОС.

Предлагаемый способ заключается в следующем (фиг. 1).

Осесимметричный электронный пучок 1 формируется электронной пушкой 2. На пути пучка установлена подвижная мишень 3 таким образом, чтобы ее рабочая поверхность располагалась под углом α ≥ arcsin(L/R) к оси 4 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 осуществляют фотометрирование каждого изображения сканированием по двум координатам щелью денситометра, что позволяет получить в относительных единицах распределение плотности тока пучка в данном сечении. Этот процесс получения распределения плотности тока подобен измерению методом диафрагмы с малым отверстием [1] . Функцию малого отверстия в данном случае выполняет измерительная щель денситометра. При этом достаточно легко обеспечивается основное требование способа - 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 интересующем участке его движения.

Разрешающая способность способа определяется лишь разрешающей способностью фотообъектива. Погрешность измерений характеристик пучка предлагаемым устройством 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 превышающих 5% и погрешности измерения плотности тока (измерение характеристической кривой фотоматериала, тока пучка, фотометрирование изображения), не превышающей 15% .

Предложенный способ был реализован экспериментально на макете анализатора электронного пучка (АЭП), показанном на фиг. 2. АЭП (фиг. 2) состоит из вакуумной камеры 8, электронной пушки 2, изолированных от корпуса камеры 8 подвижной мишени 3 и неподвижной мишени 6. Ось электронной пушки 5 расположена под углом α ≥ arcsin(L/R) относительно рабочей поверхности мишени 3. На корпусе камеры 8 закреплена каретка устройства 9 перемещения, содержащая микрометрический винт 10 и фотокамеру (не показана), устанавливаемую на кронштейне 11 у смотрового окна 12 таким образом, чтобы ее оптическая ось 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 водяного охлаждения этих элементов 15 и 16. Камера 8 собрана на металлических уплотнениях и подключена к откачному посту (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.

Фотометрирование фотоснимков осуществляют на измерительном комплексе АМД-1, в состав которого входит управляющий вычислительный комплекс СМ-3. Собственно денситометр позволяет измерять оптическую плотность объектов 0-4D с погрешностью 0,01D при размере измерительной щели 5 ˙ 5 мкм. Минимальный шаг сканирования 5 мкм. УВК СМ-3 обладает достаточной конфигурацией и развитой операционной системой, позволяющими не только управлять процессом измерений, но и производить обработку данных. Для управления фотометрированием и обработки денситометрических данных при измерении характеристик тонких электронных пучков создан специальный пакет прикладных программ.

Предложенное устройство работает следующим образом. В камере 8 посредством откачного поста достигается степень вакуума порядка 10^-6Па. После тренировки пушки 2 на ее электроды подаются через высоковольтные вводы 14 рабочие напряжения. Пушка 2 под углом α = 2^о16' 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 выше 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 формирования трехэлектродной пушкой, которая используется в усилителях миллиметрового диапазона длин волн.

На фиг. 3 приведены измеренные распределения плотности тока (в относительных единицах - j/j_maх) по диаметру пучка (d) в пяти поперечных сечениях для следующих режимов работы пушки: фокусное напряжение - 40В; напряжение на первом аноде - 80В; напряжение на втором аноде - 2400В; первеанс пучка - 0,04 А/В^3/2 (график а соответствует сечению ЭП, расположенному на расстоянии 4,4 мм от второго анода пушки, остальные 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 существенно неоднородна, что может оказывать существенное влияние на спектральные и флуктуационные характеристики выходного сигнала прибора. Обнаруженные неоднородности могут быть вызваны неравномерностью эмиссии с катодов, 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 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 α = 2^о16' указывают на возможность измерений ЭП с общей мощностью до 700 Вт при удельной мощности области кроссовера, достигающей 10³ кВт/см², что на порядок больше, чем в прототипе. Кроме того, отсутствие щели в подвижной мишени позволяет значительно повысить точность измерений. Например, при наличии щели для обеспечения точности измерений порядка 10% для пучков с диаметром 0,1 мм поперечный размер щели не должен превышать 0,01 мм, что практически невозможно реализовать при больших мощностях пучков. Поскольку для регистрации излучения одного сечения пучка на фотопленку в зависимости от интенсивности свечения требуется время порядка 1-5 мин, 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 по сравнению с прототипом позволяют 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. (56) 1. Методы экспериментального исследования структуры электронных пучков приборов О- и М-типов. Г. И. Александров, Б. М. Заморозков, Ю. А. Калинин и др. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1973, Вып. 8 (108), с. 79-100.

2. Балаклицкий И. М. и др. Фотометод исследования электронных пучков с высокой удельной мощностью // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1982, т. 25, N 5, с. 38-42.

3. Минкин А. М. О точности измерения параметров электронного пучка // Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1. Электроника. 1964, вып. 12, с. 125-136.

Использование: для оптимизации электронно-оптических систем при конструировании электронных приборов СВЧ с протяженными электронными пучками высокой энергии. Сущность изобретения: с целью расширения области применения, повышения разрешающей способности и точности измерения, плоскость подвижной мишени располагают под углом относительно 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 интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка на мишени. Устройство содержит электронную пушку, подвижную и неподвижную мишени, фотокамеру, оптическая ось которой перпендикулярна плоскости подвижной мишени, при этом последние установлены с возможностью синхронного перемещения, а также денситометр, сопряженный с ЭВМ. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

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, с целью расширения пределов применения способа для исследования пучков с высокой удельной мощностью, повышения разрешающей способности и точности измерения, плоскость подвижной мишени располагают под малым углом α≥arcsin(L / R ) относительно оси электронного пучка, гле 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 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.