Способ формирования электронных пучков Советский патент 1978 года по МПК H01J3/14 

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

Р1аобретение относится к способам фор .мирования пучков заряженных частиц. Известен и широко распространен в электронной технике способ формирования схоцящихся электронных пучков электронными пушками с комбинированной электростатической и электромагнитной фокусиругоищми системами Согласно известному способу, элек; Т{зонный пучок формируется в неопнороцном электростатическом поле межэлектро ного промежутка электронной пушки катод-аноц, а затем впрыскивается через анодное отверстие в пространство дрейфа. При этом кроссовер пучка может располагаться как в области межэлектродного промежутка, так и в заанодном пространстве электронной пушки. Фокусирующая электромагнитная система, установленная за анодом пушки, позволяет получать изоб ражение кроссовера (минимальное сечение электронного пучка) при .сартветствукяпем увеличе ши на различных расстояниях от плоскости анода пушки. Недостатком известного способа формирования электронных пучков является критичность положения минимального сечения электронного пучка на выходе фокусирующей линзы. Фокусное расстояние ig магнитной линзы связано с числом ампервитковОм катушки и ее средним диаметром t) р ускоряюшим напряжеьшем ус следующим соотношением; (5...LO)|U.D,p/l т. е. фокусное расстояние JQ магнитной линзы меняется с изменением тока подмагничивания и ускоряюшего напряжения, что ведет к нарушению положения минимального сечения пучка из-за нестабильности питаюших устройств. Затрудн но воспроизведение положения минимального сечения пучка путем приборного контроля. Отметим, кроме того, что сушествеиные габариты и вес магнитной фокусирующей линзы снижают эксплуатационные характеристики эпектроннооптической системы в целом. Известен также способ формирования электронных пучков, включающий онерацию формирования схоаяшегося пучка в электронной пушке с анодом и его фокусировку 2J. Согласно известному способу фокусировка электронного пучка осу ществляется за счет компенсации заряда электронного пучка положительными иона ми. Однако, использование ионной фокусиров ки в технике затруднено в силу, того, что теоретический анализ возможности ее осуществления во многих случаях ока зывается затруднен. Кроме того, небольшое значение фокусирующей разности потенциалов делает затруднительным использование ионной фокусировки в мощны приборах. Целью изобретения является обеспече ние возможности самофокусировки электронного пучка с током от 15О ма до 2а за счет проявления сил его собствен ного магнитного поля. Указанная цель достигается тем, что электронный пучок формируют так, что его кроссовер находится в заанодном пространстве пушки на расстоянии от поверхности анода, равном 3-5 его диамет рам в вакууме 1О - Ю мм рт. ст., причем ускоряющее напряжение, радиус пучка в кроссовере и угол сходимости выбирают в соответствии со слес ющимй соотношениями : 2. ,1 А Ш - ...10 где t3 р - ток электронного пучка tlvcK ускоряющее напряжение; Vg - радиус пучка в KpoccoBepej 06 - угол сходимости пучка. Сущность изобретения обосновывается следующим образом. Известно, что в элек тронных пучках при отсутствии внешних электромагнитных полей имеют место две радиальные силы, которые могут выз вать изменение движения электронов в пучке при неизменных параметрах пучка: электростатическая сила и сила Лоренца Электростатическая сила связана с накоплением в пучке положительных ионов, образующихся при ионизации атомов и молекул остаточного,газа или металлических паров, а сила Лоренца связана с проявлением собственного магнитного поля тока пучка ускоренных электронов. Выполненные исслеаава1шя сварочных электронных пучков показали, что электронный пучок уже скомпенсирован положительными ионами при прохождении пути в заанодном пространстве, равного трем - пяти диаметрам анодного отверстия. При давлении остаточных газов выше мм рт. ст. преобладает рассеяние электронного пучка на нейтральных атомах и молекулах, а при меньшем давлении, чем 1О мм рт, ст., пучок не скомпенсирован положительными ионами. Для самосжатия пучка электронов под действием сил собственного магнитного поля нужны не только токи пучка 3 15О мА, но и малые углы сходимости пучка на выходе из прожектора об 10 рад, малые начальные диаметры пучка на выходе из анодного отверстия rg 61 мм, а также сравнительно большие ускоряющие напряжения Ю кВ. Если исходить из реально достижимых параметров электронных пучков, могущих быть использованными для электроннолучевой сварки: Пп-2 А,Л 10 рад, f-a 5 0,1 мм,1ГусЦ- 2ОО кВ, то в качестве верхней границы можно принять: K/ Jv uft«; iO ск-е--- Отметим, что предлагаемый способ формирования пучков, в принципе, не отвергает также и возможности применения электромагнитных фокусирующих систем. Так как на входе в линзу пучок при этом обладает малой расходимостью,то благодаря этому существенно уменьшается сферическая аберрация магнитной линзы. Таким образом, предлагаемый способ формирования электронных пучков позволит существенно повысить стабильность и воспроизводимость энергетических и пространственных характеристик формируемого пучка, а также эффективность и производительность осуществляемого с его помощью технологического процесса обработки материалов. Бла1-одаря перечисленным преимуществам предложенный способ формирования электронных пучков может найти щирокое применение при разработке мощных электронных пушек, предназначенных для сварки и обработки металлов больщих толщин и крупногабаритных конструкций в высоком и низком вакууме и других областях электроннолучевой технологии, использующих высоковольтные инте1 к;ивные электронные пучки. Формула изобретения Способ формирования электронных пучков с током от 150 мА до 2 А, включающий операцию формирования сходящегпся пучка в электроннойпушке, с анодом и его фокусировку, отличающийся тем, что, с целью обе(5печения возможности самофокусировки электронного пучка за счет проявления сил его собственного магнитного поля, электронный пучок формируют так, что его кроссовер нахоаится заанодном пространстве пушки на расстоянии от поверхности анода, равном 3-5 его циаметрам в ва и 2 кууме 10 -10 мм рт. ст., причем ускоряющее йанряжение, радиус пучка в кроссовере и угол сходимости выбирают в соответствии со следующими соотношениями:где во Инт ки, пуч ско gi/2 Wp«A MpqA ск Я - ток электронного пучка. ,су( - ускоряющее напряжение, g - радиус пучка в кроссовере 06 - угол сходимости пучка. Источники информации, принятые внимание при экспертизе: 1.Молоковский С. И., Сушко А. А. енсивные электронные и ионные пуч Энергия, 1972, с. 35. 2.Алямовский И. В. Электронные ки и электронные пушки М., Совете радио, 1966, с. 328-346.