книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы
..pdfА. А. ЖИГАРЕВ
ЭЛЕКТРОННАЯ
О ПТИКА
и
ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов специальности
«Электронные приборы»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА» М О С К В А 1 9 7 2
6ФО.З
Ж68
УДК 621.385.8+535.0
Жигарев А. А.
Ж68 Электронная оптика и электроннолучевые приборы. Учеб ник для втузов. М., «Высш. школа», 1972.
540 с. с илл.
В книге рассмотрены вопросы электронной оптики, включая оптику интенсивных пучков, электронные прожекторы (пушки) для электроннолучевых и СВЧ-приборов, отклоняющие систе мы, приемники электронов (экраны и мишени) и конкретные виды электроннолучевых приборов — осциллографические, те левизионные приемные трубки — кинескопы, радиолокацион ные трубки, электронно-оптические преобразователи, потенциалоскопы и передающие телевизионные трубки.
Предназначается в качестве учебника для студентов электро технических и энергетических вузов специальности «Электрон ные приборы».
Может быть полезна для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой, исследованием и применением электроннолучевых приборов и приборов СВЧ.
2—3—4
93—72
6ФО.З
Рецензенты:
кафедра радиотехнической электроники ЛЭТИ; д-р техн. наук, проф. К). М. Кушнир (НИИ прикладной физики)
ПРЕДИСЛОВИЕ
В предлагаемой книге, предназначенной главным обра зом для студентов, изучающих курс «Электронная оп тика и электроннолучевые приборы», рассматриваются основы электронной оптики, включая оптику интенсив ных пучков, элементы и узлы электроннолучевых при боров, а также наиболее распространенные виды элек троннолучевых приборов.
Основное внимание уделено изучению физических процессов, лежащих в основе действия электроннолуче вых приборов и устройств. Поэтому первые главы, по священные вопросам электронной оптики, занимают зна чительную долю всего объема книги. Бурное развитие техники СВЧ потребовало создания систем формирова ния интенсивных электронных пучков с первеансом до 10-6 а/в*1г и более. Вопросы формирования таких пуч ков и устройства (пушки) рассмотрены в главах 2 и 4, которые могут представлять самостоятельный материал для специализирующихся в области СВЧ-приборов.
В главах 3, 5, 6 описаны элементы электроннолуче вых приборов — электронный прожектор, отклоняющие системы и экраны. Главы 7— 12 посвящены конкретным видам электроннолучевых приборов — от простейшей осциллографической трубки до сложных передающих телевизионных трубок. Конечно, в одной книге не пред ставляется возможным охватить все многообразие со временных электроннолучевых приборов, да автор и не стремился к этому, учитывая, что знание основных фи зических процессов, происходящих в наиболее типичных электроннолучевых приборах, поможет читателям само стоятельно разобраться в работе и особенностях не опи санных в книге или вновь разрабатываемых приборов. По этой же причине в книге не приводятся таблицы с параметрами электроннолучевых приборов — ведь учеб ная литература ни в коей мере не должна подменять справочную, а лишь научить пользоваться литератур ными источниками, в том .числе и справочниками, помо гая подобрать прибор с требуемыми параметрами.
Все уравнения в книге записаны в системе СИ. Точно так же входящие в расчетные формулы величины следу ет подставлять в единицах системы СИ; исключение со ставляет только величина магнитной индукции, для ко торой в расчетных формулах сохранен гаусс — единица, прочно вошедшая в практику электромагнитных измере ний и разрешенная к употреблению как десятичная еди ница, кратная основной единице системы СИ — тесла (1 гс= 10~4 тл).
В библиографический указатель включены лишь до статочно распространенные и доступные широкому кругу студентов книги и обзорные статьи. Ссылки на ориги нальные журнальные статьи даются в тех случаях, когда рассмотренные в них вопросы не освещены в моногра фиях или обзорах.
Автор выражает глубокую благодарность рецензен там — проф. Ю. М. Кушниру и коллективу кафедры ра диотехнической электроники ЛЭТИ (зав. кафедрой проф. А. Д. Сушков), взявшим на себя труд по тщательному просмотру рукописи и внесшим ряд замечаний и поже ланий. Большинство замечаний учтено автором и безус ловно способствовало улучшению книги.
Автор
ОСНОВЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
§ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ о п ти ки
Электронная оптика является разделом физики, в котором рас сматриваются вопросы движения заряженных частиц (электронов и ионов) в электрических и магнитных полях, формирования и фо кусировки потоков заряженных частиц и получения изображений при помощи электронных и ионных пучков. Как будет показано ниже (см. § 1.3), между движением заряженных частиц в электри ческих и магнитных полях и распространением световых лучей имеется аналогия, позволяющая во многих случаях использовать известные положения обычной (световой) оптики при рассмотре нии электронно-оптических задач.
В электронной оптике по аналогии со световой оптикой вводит ся понятие электронно-оптического показателя преломления, рас сматриваются электронные линзы, призмы и зеркала, а электрон ные линзы в свою очередь, так же как и световые линзы, харак теризуются оптической силой, положением главных фокусов и главных плоскостей и т. д.
Электронная оптика зародилась в 20-х годах нашего столетия, особенно быстро развивалась в последние десятилетия и в настоя щее время часто рассматривается как самостоятельная наука, охватывающая широкий круг вопросов, связанных с движением заряженных частиц в электронно-оптической среде — электриче ских и магнитных полях в вакууме.
Электронную оптику, так же как и световую оптику, можно разделить на две части — геометрическую электронную оптику и волновую электронную оптику. Геометрическая электронная опти ка изучает вопросы движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, методы нахождения траекторий электронов и ионов, способы фокусировки и получения изображений без учета волновых свойств движущихся частиц. Волновая электронная оптика рассматривает движущийся электрон как волну де Бройля и из учает такие чисто волновые явления, как дифракцию и интерфе
ренцию волн. Длина волны де Бройля X = (h— постоянная mv
Планка, т и v — масса и скорость электрона) даже для сравни тельно медленных электронов весьма мала; например, для элек трона, прошедшего в ускоряющем поле разность потенциалов 100 в, длина волны де Бройля равна приблизительно 1,25 •10-10 м, т. е. меньше 1 нм. Поэтому при рассмотрении физических процессов, происходящих в большинстве электроннолучевых приборов, волно-
вые свойства электронов можно не учитывать. Только в некоторых специальных случаях, например при оценке теоретического преде ла разрешающей способности электронного микроскопа, необходи мо использовать методы волновой оптики.
Оставаясь в рамках геометрической электронной оптики, можно не учитывать соотношение неопределенностей Гейзенберга, т. е. счи тать, что скорость и координаты электрона могут быть одновре менно определены достаточно точно. В самом деле, соотношение неопределенностей может быть приближенно записано в виде
h |
. . . . |
AxAv да — , |
(1.1) |
т0 |
|
где х и v — координата и скорость частицы; h — постоянная План ка (h=6,6* 10-34 дж-сек); т0— масса покоя частицы.
Подставляя в (1.1) значение массы покоящегося (или движу щегося со скоростью, значительно меньшей скорости света) элек трона т 0=9,1 •10-31 кг, получим
AxAv = 0,73 •10~3 мг/сек.
В электроннолучевых приборах скорости электронов обычно не меньше 106 м/сек. Тогда, если принять возможную неточность в определении скорости равной 0,1%, то координату можно вычис лить с точностью 0,73 •10_6 м, что вполне допустимо.
Рассматривая движение электронов в электроннолучевых при борах, во многих случаях можно прибегать к уравнениям класси ческой механики, т. е. использовать соотношение сохранения энергии
|
|
( 1.2) |
где т, v и е — масса, скорость и заряд электрона |
(е= 1,6 •10-19 /с); |
|
U— разность потенциалов, пройденная |
электроном в |
|
электрическом поле |
(предполагается, что при U =0, |
|
о= 0 , т. е. электрон |
начинает движение в электри |
ческом поле без начальной скорости).
Из (1.2) непосредственно получается выражение для скорости электрона:
v = У — U = 5,93■№ УU[м/сек] да 600 УС/ км/сек, (1.3)
г171
где разность потенциалов U измерена в вольтах.
Однако если попытаться определить по (1.3) скорость электро на, ускоренного разностью потенциалов порядка 1 Мв, то для v получится значение, превышающее скорость света, что противоре чит основному положению теории относительности. Поэтому для электронов, ускоренных значительными разностями потенциалов
(быстрых электронов), закон сохранения энергии следует в соот ветствии с теорией относительности записать в виде
m0c2 (l |
1 --------1) = |
eU, |
(1.4)' |
|
' yi — о2/с 2 |
' |
|
|
|
где с — скорость света ( с » 3 - |
108 м/сек). |
|
|
|
Отсюда скорость электрона |
|
|
|
|
|
— У10-в£ /+ |
1 |
(1.5), |
|
v = 5 ,93 -1(уу и |
|
, М сек\ |
||
(разность потенциалов U измерена в вольтах). |
переходит |
|||
Нетрудно видеть, что при |
f/< 1 0 e в выражение (1.5) |
в (1.3). Для оценки пределов применимости к движущимся элек тронам законов классической механики удобно пользоваться таб
лицами (табл. 1.1) или графиками |
(рис. 1.1). |
|
|
||
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1.1 |
|
и,в |
v , м/сек |
Р- V/C |
и, в |
у,м/сек |
Р- V/C |
0,1 |
1,87-105 |
6,62-10-4 |
104 |
5,80-107 |
1,95-10-1 |
1,0 |
5,90-105 |
1,98-Ю-з |
105 |
1,64-108 5.90-10-1 |
|
10 |
1,87-106 |
6 ,20-Ю-з |
106 |
2,84-108 |
0,95 |
102 |
5,90-106 |
1,98-10-2 |
107 |
2,99-108 |
0,998 |
103 |
1,87-107 |
6,20-10-2 |
|
|
|
На рис. 1.1 приведена зависимость (в логарифмическом мас штабе) скорости электронов от разности потенциалов. При малых
разностях потенциалов зависимость о от ]/£ / линейна; при боль ших ускоряющих разностях потенциалов линейная зависимость за метно нарушается, и в этих случаях необходимо пользоваться реля тивистскими формулами. Практически допустимая погрешность при использовании уравнений классической механики получается при ускоряющих разностях потенциалов до 25—30 кв.
Релятивистские уравнения приходится применять лишь в от дельных случаях, например при рассмотрении фокусировки и от клонения движения электронов в проекционных кинескопах, где ускоряющие разности потенциалов достигают 70— 80 кв, и в элек тронных микроскопах, где значение U нередко превышает 100 кв.
Изучая основы геометрической электронной оптики, будем опе рировать такими понятиями, как «поток электронов», «электронный
пучок» и «электронный луч». Наиболее общим является |
понятие |
|||
«электронный поток» — совокупность движущихся |
примерно в |
|||
одном направлении электронов, |
причем в |
ряде случаев поток |
||
можно рассматривать без учета |
граничных |
условий |
или |
вообще |
считать его неограниченным. Электронный пучок — это оформлен
ный поток с вполне определенными внешними границами, как пра вило, являющийся длинным, т. е. имеющим протяженность вдоль одной из координатных осей значительно большую, чем вдоль двух других осей. Поэтому можно говорить о конфигурации пучка, рас считывать граничные траектории, фокусировать пучки.
Электронный луч — это настолько тонкий |
электронный |
пучок, |
что сечение его можно считать сколь угодно |
малым, а след луча |
|
на экране — точкой. Реальные электронные пучки можно |
считать |
совокупностью множества электронных лучей. Приближенно элек тронным лучом часто называ ют узкий сфокусированный пу чок электронов, имеющий хотя бы в одном месте очень малое сечение. Такие пучки — «лучи» используются в большинстве электроннолучевых приборов, что и определяет обобщающее название этого класса элект ровакуумных приборов.
При рассмотрении геомет рической электронной оптики предполагается, что электриче ские и магнитные поля, опре деляющие характер движения заряженных частиц, являются
чисто внешними, т .е. создаются внешними электродами с задан ными потенциалами, а также катушками, обтекаемыми токами, или магнитами. В то же время электрон, являясь заряженной частицей, создает собственное электрическое поле, а движущийся заряд— и собственное магнитное поле. Поэтому, строго говоря, электрические и магнитные поля, действующие на электронные потоки, следует рассматривать как суперпозицию полей, создаваемых внешними электродами и магнитами, и полей, создаваемых самим электрон ным потоком.
Заметное действие собственного электрического поля электро нов начинает проявляться при сравнительно больших плотностях пространственного заряда в пучке и при небольших скоростях элек тронов (см. § 2.1). Заметное действие собственного магнитного поля электронного потока начинает проявляться лишь при скоро стях электронов, близких к скорости света, т. е. в релятивистском случае.
С точки зрения влияния пространственного заряда и, следова тельно, собственного поля заряженных частиц электронную оптику можно разделить на две части — оптику электронов без учета влия ния пространственного заряда и оптику интенсивных пучков, в ко торых влияние пространственного заряда накладывает существен ные ограничения на возможности фокусировки
В первом случае возможна фокусировка, получение качествен ных изображений, и вполне могут использоваться методы расчета,
основанные на аналогии электронной и световой оптики. Во втором случае фокусировка в полном смысле этого слова, т. е. сведение электронных траекторий в одну точку, становится принципиально невозможной, невозможно и получение удовлетворительных изо бражений.
Промежуточная область, в которой еще удается получить изо бражение, но качество его существенно ограничено действием про странственного заряда, разработана еще недостаточно. В этой гла ве будем рассматривать методы расчета и исследования электрон но-оптических систем без учета влияния пространственного заряда электронов пучка, а оптику интенсивных пучков (для которых влия ние пространственного заряда существенно) изучим в гл. 2.
§1.2. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ
ИМАГНИТНОМ ПОЛЯХ
Рассмотрим движение электронов в электрическом и магнитном полях. На электрон в электрическом и магнитном полях действует сила Лоренца
F = - e { E + [vB ]}, |
(1.6) |
где Е — вектор напряженности электрического поля; |
В — вектор |
магнитной индукции. |
|
В случае только электрического поля уравнения движения элек тронов в декартовой системе координат (для нерелятивистских электронов) записываются следующим образом:
тх = — еЕх, |
|
ту — — еЕу, |
0 7) |
тг = — еЕ2, , |
|
где Ех, Еу и Ег— составляющие напряженности |
электрического |
поля. |
|
В качестве примера рассмотрим движение электронов в одно
родном электрическом поле (£„=const, |
Ех=Ег= 0) (рис. |
1.2). |
||
Допустим, что электрон влетает в поле вдоль оси OZ с началь |
||||
ной скоростью Vz0(vxo = VyO=0). |
|
(1.7) приводит |
к выра |
|
Интегрирование системы уравнений |
||||
жениям: |
|
|
|
|
vz = |
VZ0 = |
const, 2 = vzt, |
|
|
vy = |
— Eyt, |
у — |
— Evt2. |
|
|
tn |
1 |
tn |
|
Исключив t из правых уравнений, получим уравнение траекто рии электрона:
1 е г
У~ ~ 2'1к Еу~ ^
Z
Таким образом, траекторией электрона в однородном электри ческом поле является парабола. Практический интерес представ ляет определение угла отклонения траектории от первоначального направления. Дифференцируя (1.8) по г, найдем
dy . |
е |
z |
,(1-9) |
|
—— = |
tg а = |
— |
—— . |
|
dz |
6 |
т |
v vz |
|
z
Рис. 1.2. Движение электро |
Рис. 1.3. Движение |
элек |
на в однородном электриче |
трона в однородном |
маг |
ском поле |
нитном поле |
|
В случае магнитного поля уравнения движения электронов (в декартовой системе координат) имеют вид
тх = — е (vvBz— vzBy) ,
ту = — e(vzBx — vxB2), |
t 1-10) |
mz = — е (vxBv — vvBx).
Нетрудно видеть, что в магнитном поле сила, действующая на электрон, всегда перпендикулярна к направлению скорости. Из этого следует важный вывод о том, что в магнитном поле величина скорости (а следовательно, и энергия) электрона остается неизмен ной, меняется только направление движения. В самом деле, рабо та, производимая силой, равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости и согласно (1.6) можно записать
tt? = Fv = — e[vB]v = — e[vv] В = 0. |
(1.11) |
В практически интересном случае движения электрона в одно родном поперечном (v_LB) магнитном поле (рис. 1.3) сила Ло ренца является центростремительной силой, и электрон описывает круговую траекторию, радиус которой может быть определен из соотношения