книги / Теория и расчет электронных пучков
..pdfДж. Р. ПИРС
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
под РЕДАКЦИЕЙ
М. В. ЦЕХАНОВИЧА
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О С О В Е Т С К О Е Р А Д И О
J. R. PIERCE
THEORY AND DESIGN OF
ELECTRON BEAMS
SECOND EDITION
D. VAN NOSTRAND COMPANY, INC.
TORONTO NEW YORK LONDON
1954
ДЖ. Р. ПИРС
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
В книге строго и последовательно изло жены теоретические основы расчета и по строения электронных пучков. Более пол но, чем в других книгах по электронной оптике, представлен материал, касающийся расчета электронных пучков с большими токами, в том числе с учетом простран ственного заряда. Книга предназначена для инженеров, разрабатывающих элек тронные приборы, и для учебных целей.
Редактор И. А. Крюкова |
Обложка |
худож. В. В. Волкова |
||
|
|
Техн. редактор А. А. Свешников |
|
|
Г-23636 |
Сдано в набор 7.VII.56 |
Подп. к печ. 17.XII.56 |
Формат 84X 1С8/32 |
|
Печ. л. |
11,07 |
Бум. л. 3,37 |
Уч. изд. л. 10,39 |
Зак. 1500 |
|
|
Цена в переплете № 5 — 8 р. 25 к. |
|
|
|
Типография |
Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10. |
||
ПРЕДИСЛОВИЕ
Большинство книг по электронной оптике написано авто рами, основной интерес которых был сосредоточен на элек тронной оптике таких приборов, как электронные микроско пы и телевизионные трубки. Мои оснсвиые интересы отно сились к усилительным и генераторным лампам и в осо бенности к лампам сантиметрового диапазона волн. При работе над такими приборами мне необходимо было полу чить некоторое знание электронной фокусировки.
Книги по электронной оптике были очень полезны, но материалы, которые рассматривались в них наиболее де тально, часто не были самыми важными для электронных пучков с большими токами. Эта книга представляет собой попытку собрать вместе и расположить в возможном по рядке минимальное количество теоретического материала, необходимого для хорошего понимания поведения электрон ного потока и электронной фокусировки в приборах, отлич ных от электронных микроскопов и телевизионных трубок. Я старался представить этот материал достаточно полно, 'чтобы его можно было понимать, не обращаясь к другим источникам. Попыток рассмотрения проблем эксперимен тальной техники здесь не делалось. Относительно последних я не предлагаю читателю ничего, кроме сочувствия,
f Хотя эта книга не названа книгой по электронной оптике, Ьна содержит много элементарного материала из этой об расти. Отсутствует, однако, детальный разбор аберраций. [Вместо этого больше внимания уделено материалам о про странственном заряде и тепловых окоростях.
I В эту книгу я включил задачи частично для того, чтобы Ьиа могла быть легко использована в качестве учебника, но |лавньгм образом потому, что это, как я думаю, должно быть шля читателя самым нужным при изучении книги. Многие |адачи являются своего рода короткими добавлениями к
5
тексту, они подводят к важным вопросам, которые читатель может проработать самостоятельно с помощью книги.
Было бы бесполезно пытаться описать дай проиллюстри ровать очень большое количество остроумных применений электронной фокусировки в небольшой или даже скольконибудь умеренного объема книге. Если читатель имеет в своем распоряжении другие книги, он может воспользовать ся ими для того, чтобы рассмотреть очень много интерес ных иллюстраций по электронным микроскопам, электрон нолучевым трубкам, электронным умножителям, телевизи онным трубкам и другим приборам.
Вконце этого предисловия дается описок книг и некото рая библиография с короткими комментариями. Указания на статьи, имеющие частный интерес, даны в тексте книги.
Взаключение я хочу выразить мою благодарность док тору С. Дж. Девиссону, доктору Л. А. Макколлу и доктору Франку Грею еа знания по электронной оптике, полученные мной от них в течение многих лет, а доктору Макколлу так же и за его заботливую критику рукопиои.
Книги на немецком языке
Е. Б р ю х е и О. Ш е р ц е р . Геометрическая электрон ная оптика*. Изд-во Юлиуса Шпрингера, 1934.
Эта книга является первым трактатом по данному пред мету. Содержит теоретический и экспериментальный мате риал и много прекрасных иллюстраций.
X. Б уш и Е. Б р ю х е . Применение электронной оп тики. Изд-во Иоганна Эмброзиуса Барта, 1937.
В этой книге дан теоретический и экспериментальный материал по аберрациям. Имеется обширный материал по электронным микроскопам, телевизионным трубкам и дру гим приборам. Книга хорошо иллюстрирована.
И о г а н н Пихт . Введение в теорию электронной оп тики. Изд-во Иоганна Эмброзиуса Барта, 1939.
Эта небольшая книга |
содержит полный теоретический |
разбор линз и зеркал и их аберраций. |
|
Книги на английском языке |
|
От г о К л е м п е р е р . |
Электронная оптика. Издание |
Кембриджского университета, 1939.
* Русский перевод с дополнением, написанным проф. Б. А. Остро' умовым, издан в 1943 г. Ленинградским газетно-журнальным и книж ным издательством. (Прим, ред.)
6
Л. М. М а й е р с . Электронная оптика. Изд-во Чэпмэн и Хэлл.
И. Г. М а л о в и Д. В. Э п ш т е й н . |
Электронная оптика |
||
в телевидении. Изд-во МкГроу — Хилл, |
1938. |
об |
|
Эта книга содержит много интересного материала |
|||
электроннолучевых трубках. |
|
|
|
Г. Э. Мо р т о н , Е. Г. Р э м б е р г, И. Х и л л е р , |
|||
Э. В. В э н с, |
В. К. 3 в о р ы к и н. Электронная оптика |
и |
|
электронный |
микроскоп. Изд-во Джон Вайли и сыновья, |
||
1945. |
|
|
|
Книга обширная по содержанию и хорошо иллюстриро
вана. |
Введение в электронную оптику *. |
В. Е. К о с с л е т. |
|
Изд-во Кларэндон, 1946. |
|
Книга охватывает |
и иллюстрирует очень широкую об |
ласть.
К- Р. Ш п а н г е н б е р г . Электронные лампы **. Изд-во МкГроу — Хилл, 1948.
Хотя эта книга охватывает всю область электронных ламп, она содержит много подробных и полезных сведений из области электронной оптики.
Библиография
К л э й Мэр тон и С а м у э л ь Сэс. Библиография по электронной микроскопии!. Journ. Appl. Phys., том 14, стр. 522—531, октябрь 1943. Часть II, том 15, стр. 575—579, август 1944.
М. Е. Р э с б е р н, М. И. И с т в у д и О. М. А р и о л ь д. Дополнительная библиография по электронной микроскопии. Journ. Appl. Phys., том 17, стр. 759—762, октябрь 1956.
* Русский перевод издан в 1950 г. Издательством иностранной ли тературы. (Прим. ред.).
** Русский перевод в двух частях издан в 1954 г. издательством «Советское радио». (Прим, ред.)
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
При подготовке нового издания я главным образом до бавил -новый материал, появившийся после подготовки пер вого издания. Сюда входит материал о фокусировке в при сутствии -пространственного заряда, включая целую новую главу о фокусировке при -помощи периодических пол-ей. Эта глава включает идеи и работы многих сотрудников фи-рмы Bell Laboratories: А. М. Клогстона, К- Ф. Квайта, X. Хэфф- -нера, Дж. Т. Мэнделя и В. X. йокома.
Кроме того, я изменил несколько параграфов и испра вил запутывающие понимание многочисленные ошибки. Один критик высказался -против левой цилиндрической си стемы координат, которую я -применяю. Если эта система вызывает возражения, то я приношу -извинения, но изменить ее в настоящее время не могу.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В первой глазе рассматриваются поля, действующие на электроны. Предполагается, что читатель знаком с 'большей частью того, что будет полагаться здесь, однако даиная глава необходима как вводная, дающая ряд выражений, ко торые 'будут употребляться в дальнейшем. Здесь даются различные уравнения, выраженные в системе единиц MKS, и употребляемые обозначения.
Так как в этой книге рассматриваются движения элек тронов в медленно меняющихся электрических и магнитных полях, то элементы выражения, учитывающие скорость из менения электрического или магнитного поля, не принима ются во внимание. Это значительно упрощает уравнения для полей, но исключает из рассмотрения, например, .переменные поля в пространстве, большом по сравнению с длиной вол ны (как в некоторых сантиметровых резонаторах). Такое упрощение относится с достаточной точностью к нолям, имеющим место в таких устройствах, как электроннолучевые трубки и) большинство триодов, .а также к полям, применяе мым для фокусировки пучка в высокочастотных лампах, когда переменные поля, используемые для управления элек тронами или извлечения мощности из пучка, могут не брать ся в рассмотрение. Таким образом, поля, с которыми мы •имеем здесь дело, встречаются в области низких частот и применяются для формирования и фокусировки электрон ных пучков в высокочастотных устройствах.
1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
Напряженности статических или очень медленно меняю щихся электрических полей являются производными от ска лярного потенциала U. В дальнейшем иногда будет удобно выразить какое-либо соотношение через напряженность
9
электрического поля Е. В случае полей, которые здесь рассматриваются, напряженность электрического поля в направлении s выражается в виде
г |
ди |
( 1. 1) |
ES = ~ 1 F - |
||
В векторном выражении * |
|
|
Е — ~ gradf/. |
( 1.2) |
|
Потенциал U удовлетворяет уравнению Пуассона |
|
|
div grad U = — —, |
(1.3) |
|
где р — плотность заряда в K JMz, а е — диэлектрическая постоянная. Нас интересуют электрические поля в отка чанном пространстве, т. е. в пространстве, в котором могут свободно двигаться электроны. Таким образом, в можно считать всегда постоянной величиной. Для вакуума
6 = 8,854-10"12 ф/м.
В прямоугольных координатах уравнение (1.3) имеет вид
|
дх2 т ’ |
ду2 |
!_ |
___р_ |
П лл |
||
|
~r |
dz2 — |
е • |
' |
' |
||
Нас будут особенно интересовать поля, имеющие осевую |
|||||||
симметрию, в которых |
U не меняется при изменении угла |
||||||
поворота вокруг |
оси. |
Если |
г — расстояние |
вдоль |
оси, |
||
а г — расстояние |
от оси, |
то |
для |
этого случая (1.3) при |
|||
мет вид |
|
|
|
|
|
|
|
Если произвести дифференцирование, получится уравнение
дЮ . |
1 |
ди |
, |
дЮ _ |
р |
’ |
dz2 ' |
г |
dr |
' |
dr2 |
е |
В интегральной форме (1.3) выражает закон Гаусса
Еп— компонента напряженности электрического поля, на правленная наружу и вдоль нормали к поверхности, заклю-
* В приложении объясняются некоторые векторные соотношения.
10
чакЗщей в себе данный объем, a — элемент площади этой поверхности. Интегрирование в левой части уравне ния производится по всей поверхности. Интегрирование в правой части уравнения производится по объему и дает общий заряд, заключенный в данном объеме.
Любое распределение потенциала, удовлетворяющее (1.3) — (1.6) в пространстве вне проводников и постоянное на поверхности проводников, определяет «возможное» элек трическое поле. Если р отлично от нуля в некоторых участках пространства, то это указывает на присутствие электронов или ионов (пространственный заряд). Любое распределение потенциала, удовлетворяющее (1.1)— (1.4) при р = 0 (уравнение Лапласа) в области вне проводников и постоянное на поверхности проводников, является вы ражением поля, которое возможно получить в простран стве, свободном от зарядов. Это поле можно получить путем ограничения области проводниками, имеющими форму эквипотенциалей (поверхности, на которых U постоянно), прилагая подходящее напряжение к этим проводникам или электродам. Например, распределение потенциала U = Ax определяет возможное электрическое поле. Это поле может быть получено в области, заклю ченной между двумя параллельными плоскостями, пред ставляющими собой широкие плоские металлические пла стины, при условии, что одну из них, находящуюся под нулевым потенциалом, поместить перпендикулярно оси х, при х = 0, а другую, с потенциалом AL — также перпен дикулярно оси х, но при x = L.
Поверхностная плотность заряда о на электродах,
. находящихся в поле, выражается законом Гаусса в следую
щем виде: |
(1.7) |
о = 8Еп к\м2. |
Произведение е на Е известно под названием смещения (электрической индукции) Д относящегося к смещению электрических зарядов (на поверхности электрода в этом случае). Таким образом, смещение в направлении s свя зано с полем в направлении s или с градиентом U в на правлении 5 следующим образом:
D ,= «£, = - . § . |
(1.8) |
На рис. 1.1 показано направление градиента, поля, смещения и знак заряда, находящегося на верхней поверх ности проводника в плоскости xz.