Пространственно-временные характеристики винтового электронного потока в электронно-оптической системе гиротронного типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

1 ! ' >? ¡ ' " * ' '

4 ШШГО&СШ ИЬЭДНЯВЗИШ ТШИЧЕСКйГ; yïIÎIB"EPC;KTET

На правах р.ткопксл

Jlyicná Олег йгсрэЕкч

•ОТ. 5S7.5

даостаотзшо-вржшз хлэдсгшюои

ЗК/ГСВОГО ЭЖГРОКШГО лотом В ЭЛЖТГСШЮ-ОШЧККОЯ СКСТЩЕ ГКРОТРОЖСП) тип..

01.01.04 - физическая электроника

A s i о р о 5) о о- а г дтссорташп на соискаш:о учено,! стопвни кавдядьга фдзко-ма;емадяческих паук

Саккт-Кзторбург - I9S2

Работа выполнена б Лекангродскэд: Государственном Тыашчс-ском Университете.

ЬаучяшЧ'рукоъодхтэта: доктор (¡вдшсо-математлческкх наук Г.Г.ССЙШЖЙЙ.

,0фяшяшьн1'9 оилэнеяга: доктор технических нздк Э.А.ГКЙЬБИЧ,

• доктор фязжо-ватсшгичвских наук Ы,

Ьедущая организация: ?-Ь7Ф АК СССР, Нейяки Новгород.

За'.цита состоятся. г, в . на заседала!-:

слспкадизирозаяного Совета К 063.ИЗ.16 в Ленинградском Государот-1,о:!.ком Техническом Ушшерсктете по адрес?: 195251, г.Санкт-Латор-Супг, Политехническая, '<¿9,

Автореферат разослан ^Ур оЛ^ХЗ'ХЛ.Э92 г.

Учений секретарь спзш'.ализкрсщенного Совета кавд&пт фкэихо-матеактгееоках неук п'1'.науч.остр.

О.А.Подсвкрта

\

*. г t- ;

ОТДЫ! i

Общая характеристика работа

Актуальность темы.-Одним из наиболее перспективных в практическом отношения источников электромагнитного излучения миллиметрового к субмиллиметрового диапазонов длин волн в настоящее время является мазер на циклотронном резонансе (ЩР). Совершенствование MHF во многом связано с повышением качества винтового электронного потока (ВЭП) - ак--ивной среды таких устройств. Первостепенное значение имеет ооздание стабильных и устойчивых ВВП с заданным положением в конфигурационном я фазовом пространствах. Среди систем формирования ВЭП наибольшее распространение получила электронно-оптическая система гиротронного типа (SCC ГГ), которая позволила в наибольшей степени реализовать на практике достоинства ЩР. Km выявления путей повышения качества электронного потока в ЭОС ГГ необходимо детальное экспериментальное исследование структура'и динамики простреяственкого заряда, что обусловлено недостатком и разрозненностью имеющихся в литературе данных/в частности, из-за трудностей теоретического анализа-коллективных процессов "з активной среде таких систем. Получении требуемой информации в значительной степени препятствует ограничения, присущие существующим методам экспериментального исследования-параметров ВЭП.

Актуальной поэтому представляется решаемая в настоящей работе задача определения на основе новых, катодов диагностики характеристик колебаний пространственного заряда к структуру эяентрошегэ потока а ЗОС ГГ, а также влияния яа условия формирования и параметры В5П прсшессов у ограничивающих электродов, потоков вторичных частиц, неоднородных полой. . .

Цель работы. Создания комплекса методов -ояабовозмущаетеЭ диагностики БЭЛ и потоков вторичных частиц в электронно-оптической система гкротровяого типа/определение простражтвенно-времонкых характерночт БЗП я влияния на указанныg характеристики неоднородных электрически и магнитных полей, Вторичных частиц, г также состояния поверхности пунт-тора» т

Для достижения указанной дели Сиял поставлены и решеда следующие задачи:-

1. Разработка комплекса слабовоэмущэодЕх методов исследования

' пространственной структуры и динамически характеристик объеиюго заряда, а тахкб параметров потоков вторичных частая в гярорезонаксных устройствах;.

2. гксперишнтальЕов опредвлвняа прострснсгвенко-Ереыенных характерно кж ЬЭП в ЭОС ГТ, в частности, колебаний объемного'заряда, структуру электронного потока, распределения электронов но скоростям, Выявление на этой основе закономерностей физических явлений в винтовом электронном потоке, распространяющемся в неоднородном магнитном поле.

3. Определение параметров потоков вторичных частиц, образующихся в рабочем объеме ЭОС П. и влияния этих части: на характеристики ВЗП.

4. 2ияел6Н£9 путей повышения качества ВЗП, совершенствования устройств гаротрояногэ тина.

Научная новизна работы. Г. Создан комплекс олабовозмущавщих мэто-дов экспериментального исследования физических процессов в устройствах гирэтронаогэ чипа, позволяющий получать новую информацию о.динамкче-- ска характеристиках и пространственной структуре объемного заряда, параметрах потоков вторичных частяа, а такав о характеристиках поверхности термсэмпттера магнэгронно-шшэаторной пушки (МЩ),

2, Проведено комплексное исследование просгранетвакно-времанких характеристик Б£П в ЭОС 1Т, основные результата которого состоят в елндукхпам:

- Получены новые д атше о пространственных и амплитудно-частотных характеристиках, а гакве' условиях самовозбуждения и особенностях язма-Л'.'вня во временя колебаний объемного заряда в диапазоне частот (10-1000) КГц. Установлено, что одновременно с увеличенном интенсивности колебаний происходит размытие поперечной структуры электронного пучка. Гоказакэ возможность эффективного воздействия на характеристики колебаний с помощью неоднородного электрического поля в области дрейфа БЕГ!.

- Определены спектр масс, пространственное распределение и дина-к/.ка потоков вторкчннх частив, образующихся в ЭОС П. Обнаружено влияний, вторичных частиц на характеристики колебаний объемного заряда.

- Выявлена связь неоднородности пространственного распределения пчотности тока I; разброса электронов па скоростям в ВЭД с. эмессяошш-

свойствами гексаборяд-дантгшових и маталлопористих термохатодов, иоколгззч'жх ь ООО ГТ. Показано, что глубина модуляции распределения

потока эмитированных электронов и'ионов а поверхности катода приблизительно пропорциональна относнтальному разбросу частиц по оспилятор-ным скоростям в электронном пучке.

3. Развита модель коллективных динамических процессов в ЭОС ГГ, учитывающая колебания объемного заряда s иах-яитно-электричоскай ловуц-ке и позволяющая' с единых позиций Дать объяснение комплекса полученных: з работе новых зксперикентальнкх данвих.

4. Предложена способа повышения устойчивости ВЗП, подавления интенсивной эмизсии Еторичних частиц, улучшения конструкции ЗОС ГГ.

Научно-практическая ценность диссертационной работы; I. Разработанные матоди диагностики аогут быть использованы для исследования пространственно-временных характеристик объемного заряда, параметров потоков вторичных частиц, а такяе состояния: поверхности эмиттера в различных устройствах с интекеивншя электронными пучками.

2. Выявленное закономерности колебаний объемнов? заряда позволяют существенно уточнять модель коллективных процессов в бинтовых электронных потоках при транспортировке в неоднородном «агаяткоп поле.

3. Иолученны сведения о характеристиках потоков вторлчнкх частей дают возможность определить механизма ¿х образования и влияние на работу приборов гирогроннЗго ша, сформулировать донолнлтелыио требования к коне тру кгшй, параметрам электродов ЭОС ГГ.

4. Предложенные способы управления характеристиками БРП MOiyï быть исяолхзов&на для отыскания перспективных путей соверио.чствоваига гирорезонансных устройств. ' . " '

Основные полонекдя, дычсси'.'.ые па задиту: I.- Новые сведзннл, необходим:« для развития представлений о закономерностях ферш'рованпя ВЗП я характеристиках пространственного заряда в устройствах изотропного типа, позволяет получать комплекс слаоовозмуцаицих" экспериментальных методов, включающий:

- измерение пространственной структура электронного потока с па-мощью распределенной ишака из свободно издающих маяих частиц раз;.;а-ром (O.I-10.0) мкм;

- нсследованиэ характеристик колебании, объемного заряда с использованием сястэш локально связанных с ВЭП кирокополоенчх зондов;

- исследование потоков вторячннх частиц, знеодилмх из рабочего объема S0C ГГ, нацеленное на определение иг массового состава, а также распределения в пространства к изменения бо времени.

2. Б ЭОС. ГТ одновременно развиваются низкочастотное кэлебазпл объемного заряда в диапазоне частот (10-1000) ГГц п ядаеялэгея kûîic-.

речнчз резчврч бс-рклруакого ВШ. ^

3. Введение регулируемой неоднородности электрического пола е области дзрекагничквания ВЭП, "имеющей форму потенциальной ямы для электронов, дает- возможность существенно снизить (до 10 дБ) иатенсявкость низкочастотных колебаняй объвтого заряда.

4. В состав потока вторичных частиц в ЭОС ГГ входят эматгируемыо, с катода МШ огрищтельно заряженные и нейтральные частигщ о вирокт спектром масс, содержащим атомьги молэкулы остаточных газов, а такяа присутствующих на поверхности термеэмиттера и керна веществ, вкявдая тямлые компонента С массами до Ю3 а.е.м.

Апробация работа. Результата, изломанные в диссертационной работе, докладывалась на Всесовзной конференции "Методы и средства диагностирования изделий электронной техники", Москва, 1935; I Всесоюзно« семинаре "Волновые к колебательные явления э электронных приборах О-тша". Ленинград, КЮ; Всесоюзном еовэщании-сэмгосаре "Диагностика поверхности ионными пучками", Москва, 1990; XXI Всесоюзной конференция по эмиссионной электроника, Ленинград, 1990; X Всесоюзной конференции "Взакюдействяе ионов с поверхностью"Звенигород, 1291; УХ Всесоюзной сск:маре по нгорачяэй гонкой к кошю-фогонной эмиссии, Харьков, 1991.

Публикация. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ (список приведен в конца автореферата).

Структура я объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и Приложения. Диссертация изложена на с.машино-

писного текста; содержит 55 рисунков, 7 таблиц к список цитируемой литература, состоящей из 135 наименований.

• Содершняо работы

Во введения обоснованы выбор темы диссэртации, ее актуальность, сфорэдлярозана паль работы, отмечона научная ноеизнэ и практическая значимое?ь проведенных исследований и полученных в работе результатов, кратно иалэкэао содержание работы.

В главе I диссертация, косящей обзорный'характер, приведен анализ литературных данных, связанных с проблемой формирования винтовых элек-трошгмх потоков высокого качества для гирорезонансных устройств,

Излохани результаты теоретических исследований, посвященных решению статической задачи формирования ВЭП в 300 1Т. Отмечается, что в панках адиабатической дрейфовой теории с помощью простых соотношений могут бить определены компоненты скорости электронов, размеры пучка в плсскос-га, парпэчдшкулярной штатному пони, оценено влияние на рас-

пределеннэ частиц ио скоростям в БЭП -неоднородностей змиттирующей поверхности катода.

Указаны факторы, влияющие' на параметры электронного потока в ЗОС ГГ, которые в общем случае не могут бать'учтены в адиабатической теории. Обращается особое внимание на проблемы, связанные с влиянием поля пространственного заряда, е реиении которых используется численный траекторный анализ. Отмечается, что пробочная конфигурация магнитного поля в SOG ГТ при наличии разброоа электронов по скоростям приводит к отражению части ВЭП от магнитной пробки, Ериведаны результаты теоретического исследования влияния эффектов захвата частиц в магнитно-электрическую ловукку менду катодом и "полкой" магнитного пол," на качество формируемого ВЭП. Указываются недостатки и ограничения, присущие аналитическим и численным методам расчета высокрпервеансхшх электронных потоков в ЭОС ГГ.

Рассмотрены актуальные-вопросы, связанные с коллективными динамическими явлениями в ВЗП, формируемых в устройствах гирстропногэ типа.-Обобщаются известные экспериментальные даннио о характере© wuax низкочастотных (НЧ) колебаний пространственного заряда с частотой з диапазоне десятков-сотен Г/Гц. Делается вывод об отсутствии достаточно полного ййслвдовоний этих характеристик., разрозненности вкеврцзсоя результатов. Указывается на то, что механизм возбуждения КЧ колебании с.^зан с развитием Неустойчивости в облаке электронов, захваченных в' лаглит-но-электрическую лзвудку.

Основываясь на теоретических к экспериментальных дашгас, 'полученных в различных электронных вакуумных приборах, проводится анализ закономерностей и механизмов образования вторичных частиц, врзмэ.-лгого их влияния на качество ВЭП, работу 50С ГГ в целом. Указывается на актуальность экспериментальных исследовании характеристик потоков вторичных чег.тиы в связи с трудностями теоретического анализа совокупного вклада процессов поверхностной и объекией ионизации, ионного распилз-ния, десорбции, эмиссии.частиц при нагреве поверхностей электродов г. под действием высокого напряжения.

В заключительной части обзора литературы обсуадаются доогокчс! & и недостатки экспериментальных методов, по?еомя;дпх поедчать ваодша-ш-а о характеристиках ВЗП, которые представляют наибольший готерзе д?я устройств иротронного типа, - распределении олвкгронэд по скзростк\% пространственной структуре, динамике объеансго. заряда. На осноно вы водов из первой главы сформулирована задета настоящей работы.

Глава £ посвящена описанию комплекса нспользуешх в работе м.ет.сь дик, особенностей конструкций экспериментальных приборов к установок.

Исследования были проведены в приборах, которие изготавливались на основа применяемкх на практике ЩР и отличались от устройств гиро-гронного типа отсутствием высокодобротного резонатора. Последнее обстоятельство давало возможность изучить закономерности формирования ВЭП, структуру и динамику объемного заряда ЭОС ГГ в условиях, когда отсутствует интенсивное излучение на частотах циклотронного резонанса. Большая часть экспериментальных даннь-х была получена в приборах, предстаьляш.их собой типичную электронно-оптическую систему гиротрон-ного типа, зснобкьши элементам которой являются ;>.'Ш к протяженная область неоднородного магнитного пота, где происходит накачка осцил-лк^'оркоК энергии электронов и компрессия пучка. В таких приборах пзу-часдлсь характеристики колебаний объемного заряда, пространственное распределение плотности тока ВЗП, разброс электронов по скоростям, , параметра потоков вторпчнкх частиц в.МШ. Необходимое рабочее ыагаитг кос полз «вдувьдай до 3.2 Тл обеспечивалось с помощью снерхпроводяг 4oro сэлоноеда, охлаедаэмого эдкаы гелием. Для анализа влвяния конфигурации неоднородного электрического поля в области перемагничиваг не 'на состояние ЗЭБ использовалась разрезная труба дрейфа,- состоящая из укенысаодкхся по диаметру и изолированных друг от друга секций, Исследование потоков вторичных частиц, эмиттируедах с термокатода, бчло танке гсрозедзно в ¡экспериментальном приборе, который представлял собой КИП, помеденнум в однородное магнитное поле.

Для изучения колебаний объемного заряда'использовались широкопол лоонуо антенны,' расположенная ь разных частях экспериментального яря-г бора и локально связанные с ближней областью ВЭП. Методика повволяда . проводить анализ амплитудно-частотных характеристик колебаний, ча§тд=-та которых но превашала (1-3) ГГц. Кроме того, сравнивая врем?нку§ реализации сигналов различных антенн, можно било определять время :?.иш1 характерного пространственного образования (ci-устка) объемного заряда меад;' антеннами, а таккз продольную компоненту волнового заект тора, •

Распределение электронор но скоростям.определялось с помощью метода тормозящего поля. При установке анализатора в области максимального магнитного поля внутри пролетного канала было отмочено заметное увеличение интенсивности паразитных колебаний объемного заряда, енжо-ш;е о гартового тока неустойчивости ВЗП. Поэтому освовние намерения разброса олектронов по скоростям были проведены в экспериментальном прапоре с анализатором, расположенным за узкой продольной щелью в кол-

лекторе б области спэдавдаго магнитного полл. i

В основе новой методики, предложенной для определения прос!фан-ственной структуру BSÜ, лекала регистрация излучении возкккающегб при взаимодействии исследуемого электронного потскё о райпредеЛзййбЗ мишенью, ссстсящзй из свободно падающих ■ малых частиц (М4) размеров (O.I-IO.O) В проведенных иссяедовзр.иях в качестве вещества мишени применялся порокок л:змянохора» Основываясь на результатах контрольных измерений! пойазаш/ йостокясгва разработанной диагностики, проанализирована в0з!.".охдае ограничения при исследовании интенсивных электронных пучковj связанные с зарядкой ОТ, температурным тушением люминесценции, насыщением активных центров в люминофоре.

Исследование характеристик потоков втэркчнчх частиц, образующихся в области Ш1, включало времяпралвгный масс-анализ и регдстратта пространственного распределения: ионной компоненты по изображен;® на • талянеспентнмл экране. Контрольные измерения показали, что б результате кокно было получать информацию о состзез и свойствах потоков вторичных частиц с временным разрешением (20-100) икс и пространствен- • ным разрешение:« (0,2-1.0) ш. )

В главе 3 обсуждаются результата экспериментальных исследований характеристик колебаний пространственного заряда в 300 ГГ.

Показано, что в ВЭП шкот всзбукдаться относительно низкочастотный квазягармонический колебательный процесс с частотой основной гар-' моники, меняющейся в диапазона. (20-50) МГц. Приведена заочен:.'ост я ча--стоты и амплитуды низкочастотных колебаний от рабочих иараызтр'сз - • напряжения меаду катодом и анодом МИ1 Un, магнитного поля на "полно" • BQ. ускоряющего напряжения мэаду анодом ШП и трубой дрейфа U-rg. коэффициента перемагничивакия k.--=Bd/Bk (Вк - магнитное поле на катода), тока пучка. I; Отмечается4 что характер полученных зависимостей типичен для разных экепердаентальньх приборов во всем исследуемом диапазона рабочих параметров ( U^ = Un Uj2 = (5-3Q) kB, BQ = (I,0-3t2) Тл. I'= (0.02-10.00) А, а = 13-19).

Определена пороговые 'условия возбувденш НЧ колебаний. Основываясь на результатах SHcnepmtääiÖB» сДалан еыеод, что амплитудные и пороговые характеристики колебйайй связаны с параметрами Un, li-j-л, В0. а через величину питч-факторэ , g0i равного отношению поперечной компонента скорости электронов и продольной на "полке" кагпптного поля. Введено понятие-порогового значения питч-фаятора (Jc°1') ствующего граните зоны возбуждения И колебаний. Определена зависимость ог Раз0Р0Са осщзлляторных'скоростей алектройол 8«, в ' . " 7

БЭС путои сравнения зксперименталышх дачных, получению: при исследовании разных термокатод об - генсаборид-лантановых и металлопористого, доказано, что пдтч-фактор q приблизительно пропорционален величине SVI и уменьтается от 1.1 до 0.8 upa поваженки БтГд. от 2q% до Знание связи Sui к с^50 позволяет, определяя порог возбуждения колебаний, контролировать скоростной'разброс электронов ВйП в устройствах гиротрэнногэ тала. Б пороговых по питч-факмоу реммах рбна» ру>::ено увеличена амплитуды А колобайпц с ростом давления ' р осгаточ-ниво газа в приборе," которое измерялось манометром в среднем во времени. Наечщенке зависимости Л(р) при снихекик давления наступало при р ^ (I-2").I0-S Торр. •

Проанализированы особенности 'изменения характеристик низкочастотно: колебаний объемного заряда во времени. Отмечается, что в режимах с интенсивным колебаниями С ^ (I.I-I.2) д-^05) наблюдалась стабильная генерация, ковда амплитуда практически не изменялась во времени,, в тоУГчнсяе в нечрзрнзном реноме.. Время установления КЕазистациокарпо-i'O состояния, характеризующее инкремент нарастания колебаний, составляло (50-150) периодов и, соответственно, (2-5) ыхс. На основе результатов кзмврдня?*. сдвига фаз мегду сигналами разнесенных в пространстве ярке.-лих антеннj сделан вывод, ч5?о иооледуемый колебательный процесс включал в с;ебя движение сгустков объемного заряда в направлении вдоль магнитного ноля.

Fccяодованн характеристики излучения ВзП в диапазона миллиметровых волн. Показано, что при варьировании рабочих параметров одновременно с уазнь:?еняеы интенсивности ПЧ колебаний происходит возрастание модности коротковолнового излучения. Это дало возможность предположить, что изменение характеристик низкочастотных колебаний, в частности, их амплитуд«, екагтаалэсь на параметрах В2П, что, в свою очередь, приводило к изменении иттсшсосги излучения объегя-юго заряда на частоте, близкой к циклотронной.

Изучалось влияниэ неоднородного электрического воля в области пе-ремагничивакля.на характеристики НЧ колебаний. Найдена конфигурация олокгрического ноля, при которой происходило снижение приблизительно на 10 дБ амплитуды колебаний при неизменном расчетном значении питч-íaKTopa i^o пп 2равконшо со стандартной схемой ЗОС ГС, используемой на практике а устройствах 1'иротропного г яла. Для такой конфигурации каракгзрно потеншплх-най яш для электронов вблизи магнитной

пробил на участка "излома'' распределения магнитного поля вдоль продольно:1, кооодпнаты, S

Е главе 4 обзбд-затся результат экспвряиспгальких исследований гространствсккоК структуры ВЭБ я распределения-электронов по скоро-

1тям,

Показано, что з отсутствие низкочастотных колебаний объемного аряда ( Ч0 л размера электронного потопа в плоскости, пер-

юндикулярной магнитно:.™ полю,(средний радиус и толщина пучка) приблизительно соответствуют расечитанным в рамка:; адиабатической дрсй-)овой теории, Одновременно о возраставшем ястексшгоми колебаний происходило размытие пространственной стоуктурм ВоП, нарушение адпа-¡аткчности, поперечное смещение электронов .относительно силовых ли-nti магнитного поля. При пэвктении питч-фактора от 0.9 до 1.4 элгдика пучка возрастала приблизительно на 1C0;Î, Увеличение амллпгу-и колебании при оналогкчнчх изкензниях величины çjQ составляло 20 дБ.

Определена связь неоднородности пространственного распределения лотпости тока Б5П и особенностей термоэлектронной эмиссия с катода [¡.П. Для разшх экземпляров тер:,¡скатолов экспериментально усганогле-:о, что характерные пространственные неоднородности термоэмиссии со-:ракя;огся при транспортировке ВЭП от катода до коллектора. Угловой масштаб, в пределах которого происходило сглахивзниз мелкомасштабных еоднородностей, не през'-лаал азимутального смещения олектронов з крещенных электрической и магнитном полях.

Бнявлена корреляция степени неоднородности эмиссионных свойств атода врекима температурного ограничения ямксски.и распределения лектронов по скоростям в потоке. На основе экспеоиментальпых донных олучено соотношение, описывающее связь относительного разброса ос-илляторних скоростей и глубины модуляишг m азямутально-

о распределения плотности тока ВЭП:' г-. ' w

о^ - -- ; nt0

начония коэффициента щ в проведенных экспериментах лекали в иапазоно 2.5-3.0.

Глава 5 посвящена исследований характеристик вторичшх частш ЭОС ГГ.

Определены параметры потока частиц, эмиттлрованных с катода и аспространяи'днхся в нумсевои области Г.Т/Л. Показано, что наиболее цтенсивная компонента в потоке отрицательно горяг-.еннш; частиц соот-етствует металлическим нонам материала керна катода. Приведен'ти-ичный спектр масс контрольных частиц. в нриссевои потоке, где отчет-ив о вцдоляются 7-10 составляющих, ытпзя легчив агом и молекул.'

(M ¿ 50 a.a.к.), a такта набор тяжелых компонентов с массами в диапазоне, приблизительно до Ю3 а.е.м.

Ка основании полученных экспериментальных данных и проведенных оценок сделан вывод, что образование вторичных атомных частиц на катоде'МИЛ вблизи вершины конуса связано преимущественно с ионным рас,-пылениэм. Показано, что концентрация распыленных частиц в прякатодно;; области в точение импульса ЬЭЯ для типичных режимов работы ВСС ГГ может соответствовать давлению, приблизительно на порядок. бслыж;<у,чем среднее давление в "холодном" прибора. Обсуждается возможное влияние вторичных частиц, образованных на катоде при ионной бомбардировке, на работу устройств гиротронного типа, в чаотностк,на изменение свойств поверхности ограничивающих электродов, раямытпе пространственной структуры к уииронка снсктра энергий электронов в B3ÏÏ,

Представлена результата измерений спектра масс в потоке отрицательных ионов, эмкттируемых с термопокска катода одновременно с формированием БЭП. Наиболее интенсивные компоненты этого дчотока соответствовали значениям масс: 20 а.е(0К~, Н^О"), 32 а.е.м. (Oô), 44 а.е.м. (COg, EOg) - гексаборкц-лантановый эмагтер; 1.2 а.е.м, (ИТ, Hg), 19 а.е.м. (ОН-, Но0~) - моталяопористый эмиттер. Обосновывается вывод о поверхностной ионизация атомов и молзкуд как о преоб,падаицбМ механизме образования отрицательных ионов на поверхности тер:,(опояска. Рассмотрены гакка характеристики потока положительно заряженных час-тин, образованных на гексаборид-лантановом эмиттере в результате поверхностной ионизации. Эти частицы регистрировались при смене поляр' ностя прилокенного к электродам Ж напряжения в отсутствие термоэлек тронной эмиссии. Показано, что спектр масс пояснительных ионов состо-■ ит из практически полного набора устойчивых соединений, образующихся при взаимодействии ¿aBg с остаточным газом, а такке возмоякаьш примесями, присутствующими в активном веществе термокатода (BN+, BP*". В4с+, Щ. ¿a2cg).

Сведения о пространственных и временных характеристиках потоков отрицательных я положительных ионов с термопояска использованы д.mt выявления особенностей эмиссионных свойств катодов,""влияющих на струк тур* и разброс скоростей электронов БЭП. Сравнение азимутальных распределений электронной и ионной компонент в потока частиц-с катода но зволпло предположить, что причиной наблюдаемой неоднородности термо--электронной эмиссии являлся, главным образом, неоднородный характер распределения работы выхода по эмиттирующей поверхности. Ка оснований литературных'данных рассмотрены возможные механизмы размытия функции 10 "

¡аспредеяекия электронов по скоростям в ВЭП. обусловленное нэоднорсд-остыо поверхности эмиттера по работе выхода, наличием электрических полей пятен''.

Анализируется пространственное распределение плотности ионного ока с катода по изображению, регистрируемому на люминесцентном зкра-е. Определен характерный размер неоднородности на поверхности термо-ояска, отношение плотностей токов с разных участков. Представлена ре-ультаты экспериментальных исследований, СБДпегельствующио о пзрестроЗ-е состояния поверхности, эмиттера с течением времени, а также при степеням его температуры.

В заключительной части главы обоугдазотоа особенности образования алих частиц на коллекторе в рекимах, близких к предельным по уделв-ой мощности ЗЭЛ Р , рассеиваемой на его поверхности. Эмкесия частиц азмером г (Ю-1С0) ж», которые двигались со скоростью дряблиэитель-

0 (1-10) см/с, наблвдалаоь при => I кВт/см2 (длительность имиуль-а ВЗП (С.5-2.5) с). Рассматривается зозмэшшй механизм образования зстиц вследствие неоднородного нагрева,поверхности коллектора, л их дияние на работу гирорезояансных устройств в длннноимпулъсном и не-рерквном рзгяимах работы, связанное а деградацией поверхностей элект-здов и увеличением концентрации атомов и молекул в области перемаг-ичквания.

В главе о обсуждается модель коллективных низкочастотных пропес-зз в объемном заряда ЭОС ГГ, связанных с захватом электронов в маг-геногокектричвскую ловушку мевду катодом МШ и "полкой" магнитного зля.

Получено приблккенноз выражение для электронного тока, поступало в ловушку Iх, в котором учтены отражение части ВЭП от магнит-' >й пробки.(10Тр) я образование.вторичных электронов в области пере-1гничкванкя в результате ионизации атомов и молекул остаточного га-

1 (Гвт). Показано, что в режимах работы эксизримонталышх призеров. >гда значение яитч-фактора . было близко к пороговому, соответст-'ющему границе зона возбуждения НЧ колебаний, токи 1отр и 1В? срав-№ по величине. При увеличении ' д0 преобладающим каналом заполне-й лоЕушиа становится отражение электронов первичного пучка от маг-тной пробкд. Стмачакся качественное совпаденчз завко.имостей расчет-|Г0 гола Iй и айплвдди НЧ колобаниХ А, изморшпой в эксперимента.

■ давления остаточного газа, тока ВЗЕ, питч-фактора. На основании ■лученных в работо окопаримеиталышх данных,и■ результатов оценочных счетов сделан вывод, что, условием развития низкочастотного колеба-

' ■ - ' И

тельного процесса п объездом заряде ЭОС 1Т является превышение велдчй пи потока электронов, коседпаащи« в ловуаку, над пороговом значением, которое пэгииаетсл с ростом полного тока БЗП.

Проведено -сравнение частотных к фазэвих характеристи; НЧ колебаний с парявотргш осциллирующего дыахеикя электронов в ловушке, по-•лролгааиео предположит.., что, ьо-перви», рассматриваемо колебания свя запч с движением одиночного сгустка пространственного заряда и, во-вт риг., что др икон на сгустка происходит приблизительно синхронно с коло-бааиякя в яавупке отдельных этсктровоо пои нсвозиушаэм пучке. Рассмотрен качество;шо возиокавй ¡лохдаязк «арастапкя начального возкуае-пия объемного заряда, обуслоьлварий кэяушшей во ьржечи коокицп .::-та отражения электронов от магнитной пробки я периода го: осцилляции в догушке. Расчетные соотношения а лэчучешшэ на сх основе доюте, характеризующие дшакпху объемного зардла в области перо^.агнилпваная ООО ГГ, пригодятся в Приложении,.

Сбосновьшаотся воомонюсть сочегапгл обяарузаняэго з окспори:. онт аксиального движения сгуетксп кроотехшегвзкягот эа<*ца о их дгеялсиио:. в азимутальном каправлвики, Существующая лог с-том гдздутсльчгя компонента високочаетогного подл когдз слузить кркчпнзИ каблздабмэг» раз:.?; ткя пространственной структуры ВЗП в рехчмох с тксэкэЛ интенсивность:; НЧ колебаний.

Глава 7 посвящена обсуждению возмокних способов повиыения гачест ва БЗП и совершенотвзвания консгрукцга 50С ГТ, которое бклн предлоке-нк на основаны! полученных в работе экспг.рпизнтальних данных и резул£ татсв их анализа.

Рассматривается способ при;,мнения неоднородного электрического поля, воздействующего на состояние ВЭП к характеристики газовой средл в области перемагничквания, Огксчаатся, что для ваипдош уозэйчввос! электронного потока трзбуетса,обесяечить ре:г.;1\; о плагин:«. доускореккег электронов в стой' облао-я», когда отсутствует тормонзнис ВЭП собственным нолем пространственного заряда. Показано, что пресечение труби дреГ-йа, состоящий из набора изолированных секций. дает иогиояносгк с; зять интенсивность «окноС бомбардировки катода, перераспределить ионную нагрузку на большую площадь поверхности элементов злсктронопроео; уменьшив гпоргкя бомбардирующих частиц,

Для лобыяшля устойчивости ЗсП з рэаипах, когда нот воо.татаостл избежать отраяекия значительно!! части потока от кагеятноЗ пробки, пр< лодена методика импульсной периодической очистки магнитно-электричз-ской довузкв. Рассматривается вариант конструкций КОС И1, в когорок . 12

время короткого строб-икнульоа захваченные в лсвушку олэктропы ускоряются в ооластл максимального мапштнэго поля и попадают па коллектор. Указывается на то, что- эффективность механизма импульсного периодического стробпрования ¡л оке г быть волжа в непрерывном (ддинноимпульсиом) рекике работы модных гкротронов, когда накопление олектронов в ловушке сопровождается известными из литература нестационарными процессами с постоянной времени от долей до нескольких секунд. Обращается внимание на бойуошость применения разработанного метода диагностики состояния термоониттера ь ООО ГТ, основанного иа измерении характеристик потоков вторичных частиц, для проведения входного контроля и отбраковки катодов, оценки качества изготовления и сравнения различных технологий, прогнозирования долговечности к надежности.

Б заключении обобщены основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Созданы слабоЕозадщаицю методы экспериментального исследования физических процессов з устройствах гирогронного типа, позволяющие проводить ко'/ллексный анализ пространственно-временных характеристик объемного заряда и параметров потоков вторичных частип.

2. С помощью разработанных методов проведено исследование харак-геристнк ВЭП в электронно-оптических системах гиротронного типа,

Получены новые данные об аьшлктудно-частотных, временных и фазовых характеристиках, пороговых условиях возбуждения низкочастотных колебаний объемного заряда в диапазоне частот (10-1000) МГц. Установле-*о, что одновременно с увеличением интенсивности колебаний, имевдкх иалую амплитуду во Енеяних цепях, происходит снякониэ качества ВЭП. доказано, что введение регулируемых неоднородносгей. электрического пота в области перемагнкчиваняя ВЭП дает возможность сушествепно умень-дить (до 10 дБ) амплитуду колебаний.

Впервые определены массовый состав, пространственное распределэ-:ие и динамика потоков вторичных частиц, образующихся на поверхности еермокатсда ЮТ одновременно с формированием штенсивного эдектренно-?о пучка. Установлено, что в состав вторичного потока входят отрицательно заряженные и нейтральные частицы с нироким спектром масс, со-1ержащим атомы и молекулы остаточных газов, а также присутствующих на юверхноети керна и тернозмиттера веществ, ззюшчая тякелые компоненты ; массами до 103'а.о.м. Выявлено воздействие вторичных частиц на характеристики ВЭП, которое проявляется вблизи порога возбуждения коле-5аний объемного заряда в увеличении их амплитуды с ростом концентрами нейтральных частиц в рабочем объеме ЭОС 1Т.

Определена связь неоднородноетей пространственного распределения плотности тока и разброса электронов по скоростям в ВОП с эмиссионными свойствами термокатодов. Показано, что разброс оепдлляторнух скоростей в электронном пучке приблизительно пропорционален глубине модуляции тока эмиссии с катода.

3. Дано качественное объяснение механизма низкочастотных колебаний ВЭП в ЭСС П, которое учптаваот:

- накоплению электронов в магнитно-электрической логузке.

- нарастание возмущения плотности пространственного заряда за счет модуляции потока этра~сккх от -ч-апштнол пробки электрокоЕ и периода их осцилляции в лову;ш'.е под дзйстт-нем церемонного электрического поля ЗЕП,

- влияние колебаний объемного -заряда на размера электронного потока в плоскости, перпендикулярном магагтсему иола.

4. Создан метод дкагиосгакк состояния то г москит тор а в рабочих ус ловлях ЭСС ГГ, основании'} на гзкгрегш; «харакгорпе^зк аогокоз и орпч-иих члотш. С но.тельм данного метода еуя^оодкор^оогг. эмиесп-ошгх характерастпк ^ohtwisx гег.сейэр^.-лйнусяошх и мегаллопорис-TUx катодов, искэльзуожх в устройствах гиротронногэ тгла.

5. Рредлзхьзиа с пособи понадейся г.ичзетва bKi, сужения концентрации вторичных'части!: в рабочем объеме ЕСС ГГ.

Основные результаты диссертации пзлоле.-.и з работах:

1. Яукша O.K., Дь'бип О.В. Удогоатэмнш сгрегапли в диагностике ЭБП // Вевс.кову."Истоды и средства диагностирования изделий элзктро ной техники"./ Тезисы докладов. - , 1989. - С.72.

2. Лукчга О.И., Цыбпн О.Ю, Применение распределенной мелкодиспер ной мишени для анализа структуры электронного потока // Письма в

- 1389. - Т.15, Г- 23. - С.75-70,

3. Луиза О.т;., Цыбпн О.Ю. Исследование колебаний электронного г тока' в фокусируюцем магнитном поле // X Бсес.семинар "Волновые и ко;, батальные явления в электронных приборах С-типа1' / 1езисм докле-дов. Л,, 1990. Р.91.

4. Душе O.K., Цирки 0.0., Еевко O.JI. Применение магнетронно-ш кекторной. пуаке для исследования процессов ионного расгялояпя ковер: ности твердого тела // Бсгс.соье-аакие-се;.-.::нар "Диагностика поверхко« тп конными пучками" / Тезиси докладов. - М., 1930. - С.210.

5. Луета 0.11., 1&бян О.Ю., Шэзко ОД. Анализ зторпчних чистки прк бомбардировке поверхности кэлкбдона комплексом ионов оота'гоф.ог .газа // XXI Бсес.конф.пэ эмиссионной электронике / Тезкой докладов. Ы '

JI.. ISSO. - Т.2. - С.180.

6. Архипов А.Б., Лукща СЛ.. Толкачев Б.Б.. Пдбин О.Ю. Способ азкереиея структуры потока заряконных частил. A.c. С- 1475 470, Спубл. в Б.И. ¡5 15. IS69, дркор.27 февр.КСТ.

7. Лукша О.И., Цыбян О.Ю. Неелодоьалие образования вторичных частиц при взаимодействии ионов с поверхность!-) электродов в мощных электронных вакуумных приборах // У1 Всес.семинар по вторичной ионной и ноняо-а.отзнкои смиссяи / Тезисы докладов. - Хаоьков. 1991. - С,67-63.

8. Лукха 0.1!.. Цнбин О.Ю. Исследование образования вторичных атокчых частиц на катоде электронной пушки // Всес.кэлф."3заааодо£сг-иие ионов с поверхность?)" / Тезиси докладов. - F.I.. 1991. - Т.2. -

С .31-32.

Подписано к печати Заказ Й.//К

Тираж 100 экз. БЕСПЛАТНО

Отпечатано на ротапринта ЛГГУ (I9525I, Санкт-Петербург, Политехническая, 29) .