електронен лъч
Тъй като електронният лъч е колекция от едноименни заредени частици, вътре в него има пространствен заряд от електрони, който създава собствено електрическо поле. От друга страна, електроните, движещи се по близки траектории, могат да се разглеждат като линейни токове, които създават собствено магнитно поле. Електрическото поле на пространствения заряд създава сила, която се стреми да разшири лъча („кулоново отблъскване“), магнитното поле на линейните токове създава сила на Ампер-Лоренц, която се стреми да компресира лъча. Изчислението показва, че действието на пространствения заряд започва забележимо да се отразява (при енергии на електрони от няколко keV) при токове от няколко десети от mA, докато "дърпащият" ефект на собственото магнитно поле се проявява забележимо само при скорости на електрони, близки до скоростта на светлината - енергии на електрони от порядъка на MeV. Следователно, когато се разглеждат електронните лъчи, използвани в различни електронни устройства, технически инсталации, на първо място е необходимо да се вземе предвид ефектът на собствения пространствен заряд, а ефектът на собственото магнитно поле трябва да се вземе предвид само за сублуминални лъчи.
Интензитет на електронния лъч
Основният критерий за условното разделяне на електронния лъч на неинтензивен и интензивен е необходимостта да се вземе предвид действието на полето на собствения пространствен заряд на електроните на лъча. Очевидно, колкото по-голям е токът на лъча, толкова по-голяма е плътността на пространствения заряд и толкова по-силно е отблъскването. От друга страна, колкото по-висока е скоростта на електроните, толкова по-малко собственото електрическо поле на лъча ще повлияе на характера на движението на електроните - колкото по-висока е енергията на електроните, толкова "по-твърд" е лъчът. Количествено действието на полето на пространствения заряд се характеризира с коефициента на пространствения заряд -постоянство, определено като
където I е токът на лъча; U - ускоряващо напрежение, което определя енергията налъчевите електрони.
Забележим ефект на пространствения заряд върху движението на електроните в лъча започва да се проявява при P>=P* = 10 -8 A/V 3/2 = 10 -2 μA/V 3/2. Поради това е обичайно интензивните лъчи да се наричат електронни лъчи с Р>P*.
Неинтензивните лъчи (с P, наречени електронни лъчи, изчислени съгласно законите на геометричната електронна оптика, без да се отчита действието на полето на собствения пространствен заряд, се формират с помощта на електронни проектори и се използват главно в различни устройства с електронни лъчи.
При интензивните лъчи действието на собствения пространствен заряд значително влияе върху характеристиките на електронния лъч. Първо, интензивен електронен лъч в пространство, свободно от външни електрически и магнитни полета, се разширява за неопределено време поради отблъскване на Кулон; второ, за сметка на отричането. електрически заряд на електроните на лъча, потенциалът пада в лъча. Ако разширението на интензивен лъч е ограничено с помощта на външно електрическо или магнитно поле, тогава при достатъчно висок ток потенциалът вътре в лъча може да падне до нула и лъчът ще се „счупи“. Следователно, за интензивни лъчи има концепция за ограничаване (максимална) первеанс. Практически, когато разширението на лъча е ограничено, вътр. полета е възможно да се образуват разширени стабилни интензивни лъчи с P5. 10 µA/V 3/2.
Пълното математическо описание на интензивните електронни лъчи е трудно, тъй като истинският електронен лъч се състои от много движещи се електрони и е практически невъзможно да се вземе предвид взаимодействието между тях. Когато се въвеждат някои опростяващи допускания, по-специално замяната на сумата от сили,действайки върху избран електрон от съседни електрони, чрез силата на действие върху този електрон на определена електрически заредена среда с непрекъснато разпределена плътност на пространствата. заряд и разбиване на целия лъч на набор от "токови тръби", е възможно да се изчисли с помощта на компютър с достатъчно за практическа работа. цели точност осн. интензивни параметри на лъча: форма на лъча (обвивка), разпределение на плътността на тока и потенциала по напречното сечение на лъча.
Геометрия на електронния лъч
На практика се използват греди от три конфигурации: лента (плоска), с правоъгълна форма в напречно сечение с „дебелина“, много по-малка „ширина“, осесиметрична, с кръгла форма в напречно сечение и тръбна, с пръстеновидна форма в напречно сечение. Разработени са подходящи електронни пушки и системи за ограничаване, за да формират електронен лъч от този тип.
Влиянието на пространствения заряд не е еднакво в лъчи с различна конфигурация. Най-голямо влияние върху характера на движението на електроните на границата на електронния лъч има компонент на напрегнатостта на електрическото поле, създаден от пространствения заряд, насочен перпендикулярно на оста на осесиметричните лъчи и широката страна на лентовите.
Радиалната компонента на електрическата якост. полето на границата на осесиметричен лъч е право пропорционално на тока на лъча и обратно пропорционално на радиуса на неговото напречно сечение и скоростта на електроните на лъча. Това създава сила извън оста, която се стреми да разшири лъча. Отблъскващата сила е толкова по-голяма, колкото по-голям е токът, толкова по-малки са скоростта и радиусът на лъча. Теоретично при осесиметричните лъчи траекториите на електроните не могат да пресекат оста и напречното сечение на лъча не може да бъде намалено до точка, тъй като с намаляването на напречното сечение силата на отблъскване нараства неограничено.
Обвивки на осесиметрични електронни снопове: g0 е ъгълът на навлизане на снопа в пространството без поле; r0 - начален радиус; 1 - разнопосочен лъч (g0 > 0); 2-цилиндрична греда (g0=0); 3, 4, 5-сближаващи се лъчи (g0 0) и сближаващи се (криви 3-4, g0 0), разширяват се неограничено в пространство без поле; лъчите, образувани като конвергентни, първо се компресират (r/r0 3/2 потенциалът пада до нула, образува се виртуален катод, част от електроните преминават през минималната равнина, част се отразяват към първоначалната равнина, нормалният токов поток се нарушава. Експерименталната проверка потвърждава това, когато P се доближи до 18,64 μA/V 3/2, възникват нестабилности в потока, колебания на електронния слой s, протичането на ток е нарушено
В реалните електронни лъчи, ограничени от външни електрически и магнитни полета, също се получава спад на потенциала, но тъй като в повечето устройства, които използват интензивни електронни лъчи, удължен лъч преминава през тръба с положителен. потенциал, е възможно да се поддържа потенциал, близък до потенциала на тръбата върху повърхността на лъча. Но дори и при наличието на проводяща тръба, потенциалът по оста на осесиметричния или вж. равнината на лентовите лъчи значително намалява и при достигане на достатъчно голяма первеанс (по-голяма, отколкото в случай на неограничен поток), възниква нестабилност, лъчът се счупва.
Образуване на електронния лъч
Тъй като електронният лъч в свободното пространство се разширява неограничено, на практика. използването на интензивни лъчи, в допълнение към системата, която формира лъча, електронната пушка, изисква система, която ограничава отклонението на лъча. Разширяването на електронния лъч е ограничено от вътр. електрически и магн. полета. Класически пример за разширен интензивен електронен лъч -т.нар. Потокът на Брилюен е цилиндричен лъч, ограничен от надлъжно хомогенно магнитно поле. поле. При определяне съотношението на четири количества – нач. радиус r0, ток на лъча I, напрежение U0, което определя енергията на електрона преди влизане в магнита. поле, и магн. индукция надлъжна хомогенна магн. поле B0 - теоретично е възможно да се получи стабилен цилиндричен електронен сноп. С оптимално съотношение на r0, I, U0 и B0, макс. первеансът на потока на Брилюен достига 25,4 µA/V 3/2. При макс. первеансният потенциал по оста на лъча е само 1/3 от стойността на границата. С ограничен магнит използвайки полето на тръбните греди, могат да се получат дори по-високи стойности на первеанс.
На практика не е възможно да се формират разширени електронни снопове с первеанс, близък до теоретично максимално възможния поради редица причини: разпространението на нач. скорости на електроните, излъчени от катода, трудността при създаване на ограничаващи полета със строго определена конфигурация, практически. невъзможност за стриктно изпълнение на началото. условия за въвеждане на лъча в ограничителната система и др. Реалните електронни лъчи имат вълнообразни и пулсиращи граници, формата на лъча не остава непроменена. Следователно, за да се предотврати утаяването на електроните на лъча върху повърхността на проходния канал, радиусът на проводящата тръба, през която преминава интензивен лъч, се избира да бъде 20-30% по-голям от радиуса на лъча.