МАГНИТНАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 1995 года по МПК H01J23/00 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к производству электровакуумных приборов СВЧ с длительным взаимодействием электронного пучка с полем электромагнитной волны, например ЛБВ, и может найти применение для фокусировки протяженных пучков заряженных частиц.

Среди применяемых на практике магнитных периодических фокусирующих систем (МПФС) определенный интерес вызывают системы с несинусоидальным распределением осевой компоненты магнитной индукции, которое может быть приближенно записано в виде
B_z(Z) B_z1sin Z+B_z3sin Z, где B_z1 и b_z3 амплитуды гармоник поля в разложении в ряд Фурье;
L период системы.

Известна конструкция МПФС с полем указанной конфигурации, состоящая из чередующихся магнитов с аксиальной намагниченностью и полюсных наконечников, между ступицами которых с зазором расположены полые цилиндры из магнитомягкого материала.

Такая фокусирующая система, выбранная в качестве аналога предлагаемого изобретения, позволяет получать магнитное поле с высоким значением магнитной индукции и может быть использована в приборах большой и средней мощности. Однако значительный осевой размер магнитов, многократно превышающий толщину дисковой части полюсных наконечников, не позволяет обеспечить эффективный отвод тепла, проходящего через фокусирующую систему от линии замедления ЛБВ к арматуре.

Прототипом предлагаемого изобретения является конструкция МПФС, которая состоит из набора расположенных между полюсными наконечниками магнитных блоков, содержащих по два магнита с аксиальной намагниченностью и разделенных между собой нейтральными наконечниками, которые подобно полюсным наконечникам включают в себя дисковую часть и ступицы.

Несмотря на то, что осевой размер магнитов, используемых в этой конструкции, уменьшен более чем в 2 раза по сравнению с аналогом, решение проблемы эффективного теплоотвода от линии замедления ЛБВ по-прежнему вызывает трудности из-за малых толщин дисковых частей полюсных и нейтральных наконечников, через которые проходит основная часть теплового потока к арматуре прибора.

Недостаточный теплоотвод от линии замедления приводит к ее перегреву и служит причиной уменьшения выходной мощности ЛБВ, ухудшения токопрохождения и снижения надежности и долговечности приборов.

Известные способы повышения эффективности теплоотвода от линии замедления часто приводят к ухудшению фокусирующих свойств магнитной системы или значительно усложняют производство электровакуумных изделий.

Кроме того использование нейтральных наконечников в магнитных системах "шашлычного" типа, где полюсные наконечники являются частью вакуумной оболочки в большинстве современных ЛБВ, требует вдвое большего числа вакуумно-плотных спаев, чем в аналоге. Надежность спаев в области нейтральных наконечников еще более ухудшится, если с целью улучшения теплоотвода увеличивать толщину дисковой части нейтральных наконечников, что потребует одновременного уменьшения длины ступиц или их отсутствия.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности ЛБВ за счет снижения рабочей температуры линии замедления и уменьшения числа вакуумно-плотных спаев вакуумной оболочки прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в МПФС, состоящей из набора расположенных между полюсными наконечниками магнитных блоков, содержащих по два магнита, которые обращены друг к другу противоположными полюсами и разделены между собой нейтральными наконечниками из магнитомягкого материала, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру вакуумной оболочки и полюсных наконечников, каждый нейтральный наконечник состоит из 2-х элементов, расположенных концентрично относительно друг друга и оси фокусирующей системы с зазором, заполненным вакуумно-плотным неферромагнитным материалом с высокой теплопроводностью.

С целью более эффективного использования магнитотвердого материала МПФС внешний и внутренний диаметр наружного элемента нейтрального наконечника изготавливают равным внешнему и внутреннему диаметру магнитов соответственно при этом внешний диаметр внутреннего элемента выбирают наименьшим из величин
(d₁+d₂)/2иd₁+t/2, где d₁ внутренний диаметр полюсных и нейтральных наконечников;
d₂ внешний диаметр ступиц полюсных наконечников;
t толщина дисковой части полюсных наконечников.

Нейтральные наконечники могут выходить за пределы внешнего диаметра магнитов и создавать тепловой, механический и магнитный контакты с арматурой ЛБВ, обеспечивая необходимый тепловой режим линии замедления и магнитов, повышенную устойчивость прибора к механическим воздействиям и экранирование фокусирующей системы от внешних магнитных полей.

Внешний контур нейтральных наконечников и магнитный экран могут иметь азимутально-несимметричную форму.

Принципиальное отличие предложенной конструкции МПФС от известной состоит в том, что разделение нейтральных наконечников на две детали позволяет увеличить толщину дисковой части этих наконечников для улучшения теплоотвода от линии замедления ЛБВ, исключая опасность натекания вакуумной оболочки в области, прилегающей к нейтральным наконечникам.

На фиг. 1 представлена конструкция фокусирующей системы; на фиг.2 распределение абсолютной величины продольной составляющей магнитной индукции вдоль оси системы; на фиг. 3 зависимость амплитуды магнитной индукции от внешнего диаметра внутренних и наружных элементов нейтральных наконечников и от диаметра магнитного экрана; на фиг.4 пример реализации теплоотвода от спиральной линии замедления ЛБВ через элементы конструкции МПФС.

Фокусирующая система включает в себя полюсные наконечники 1, между которыми расположены магнитные блоки, содержащие по два аксиально намагниченных магнита 2, внешний 3 и внутренний 4 элементы нейтрального наконечника. Внутренние элементы нейтральных наконечников вместе с полюсными наконечниками и немагнитными втулками 5 и 6 входят в состав вакуумной оболочки ЛБВ.

Этой конструкции МПФС соответствует конфигурация магнитной индукции (фиг.2) и обеспечивающая малые пульсации электронного пучка.

На фиг. 3 кривые 7 и 8 изображают зависимость поведения амплитуды магнитной индукции В_о в предлагаемой фокусирующей системе от внешнего диаметра внутренних и внешних элементов нейтральных наконечников соответственно. Эти зависимости получены при равных между собой осевых размерах и неизменных внутренних диаметрах указанных элементов, соответственно равных внутренним диаметрам полюсных наконечников d₁ и магнитов d_м. Внешний диаметр наружных элементов нейтральных наконечников при снятии кривой 7 оставался равным внешнему диаметру магнитов D_м; кривая 8 была получена при внешнем диаметре внутренних элементов, равном 1,1 d₁, что в данном случае соответствует среднему диаметру ступиц полюсных наконечников.

Кривая 9 представляет собой ту же зависимость, что и кривая 8 и отличается от последней наличием магнитного экрана, контактирующего с внешними элементами нейтральных наконечников.

Поведение кривой 7 показывает, что создание зоны разрыва магнитомягкого материала нейтральных наконечников увеличивает индукцию поля в системе. Чем больше разрыв, тем на большую величину увеличивается магнитное поле. При этом внутренняя часть нейтрального наконечника 4 (полый цилиндр) не должна находиться в состоянии магнитного насыщения. Иначе может произойти нежелательное с точки зрения качества фокусировки электронного пучка изменение выбранного закона распределения магнитной индукции.

Анализ распределения индукции магнитного поля показывает, что толщина стенки полого цилиндра 4 должна быть по возможности меньшей, но и не настолько малой, чтобы материал цилиндра 4 находился в состоянии магнитного насыщения. Обычно это достигается, когда толщина стенки выбирается наименьшей из величин, которую имеет 1/2 толщины ступиц и 1/4 толщины дисковой части полюсного наконечника 1. Предполагается, что полюсный наконечник не находится в состоянии насыщения. Предлагаемый выбор толщины стенок полого цилиндра из двух величин основан на том, что ближе к насыщению по разным причинам может быть диск или ступицы полюсного наконечника.

Из кривой 8 видно, что равенство внешних диаметров наружного элемента нейтральных наконечников и магнитов обеспечивает максимальный уровень магнитного поля на оси фокусирующей системы. Также установлено, что отклонение внутреннего диаметра наружного элемента нейтральных наконечников от внутреннего диаметра магнитов в ту или иную сторону вызывает уменьшение амплитуды поля.

Исходя из характера поведения кривой 8, можно утверждать, что неограниченное увеличение внешнего диаметра нейтральных наконечников как и уменьшение его до внешнего диаметра полюсных наконечников, слабо влияет на величину индукции магнитного поля, которая снижается на единицы процентов относительно максимального значения.

Небольшое дополнительное снижение поля, исчисляемое единицами процентов, наблюдается при использовании сплошного магнитного экрана, имеющего контакт с нейтральными наконечниками (зависимость, представленная кривой 9), если указанный экран расположен от поверхности магнитов на расстоянии не менее 1/4 длины периода фокусирующей системы.

На фиг. 4 приведен пример отвода тепла от описываемой фокусирующей системы к арматуре прибора. Теплоотвод осуществляется через гребенки 10, спаянные с нейтральными наконечниками и изготавливаемые, как правило, из меди. В случае необходимости дополнительный теплоотвод можно обеспечить также и от полюсных наконечников.

Если при используемой технологии производства линии замедления ЛБВ, содержащей в данном случае спираль 11, диэлектрические стержни 12 и вакуумно-плотную оболочку, состоящую из элементов 1, 4, 5, 6, тепловая нагрузка на спираль не приводит к перегреву последней в процессе работы лампы, то тепловая связь нейтральных наконечников с арматурой прибора может осуществляться через гребенку, изготовленную частично или полностью из того же материала, что и нейтральные наконечники.

Применение магнитопроводящей гребенки вызывает меньшее снижение поля в фокусирующей системе, чем в случае сплошного магнитного экрана. Эксперименты показывают, что азимутальная асимметрия выступающих частей нейтральных наконечников и экранирующей поверхности гребенки не оказывает заметного влияния на токопрохождение электронного пучка в ЛБВ.

Теплоотвод от полюсных наконечников следует осуществлять неферромагнитным материалом. В противном случае увеличение радиального размера полюсных наконечников и выход его за пределы внешнего радиуса магнитов ведет к увеличению потока рассеяния магнитной индукции и к нежелательному снижению величины магнитного поля на оси фокусирующей системы.

Для проведения сравнительного анализа теплового режима спиральной линии замедления с фокусирующими системами предложенной конструкции и ее прототипом исследовалось несколько импульсных ЛБВ одного типа, в которых используется кондуктивный теплоотвод на водоохлаждаемую плиту. Отвод тепла от предлагаемой МПФС к основанию прибора осуществлялся через медную гребенку, зуцы которой спаивались с нейтральными наконечниками твердым припоем. В ЛБВ с МПФС-прототипом теплоотводящий элемент не имел зубцов из-за трудности точной их стыковки с тонкими наконечниками. Поэтому тепловой поток от фокусирующей системы к теплоотводящему элементу проходил через миллиметровый слой теплопроводящего компаунда с наполнителем из медных опилок.

Результаты проведенного сравнительного анализа показывают, что при одинаковом токопрохождении электронного пучка и близких уровнях выходной импульсной мощности спираль прибора с новой МПФС выдерживает более чем трехкратную тепловую нагрузку по отношению к ЛБВ с МПФС-прототипом.

Испытания подтверждают также высокую устойчивость новой конструкции фокусирующей системы к механическим и тепловым внешним воздействующим факторам.

Область использования в электронной технике для фокусировки протяженных пучков заряженных частиц. Сущность: магнитная периодическая фокусирующая система состоит из расположенных между полюсными наконечниками магнитных блоков, содержащих по два магнита, разделенных нейтральными наконечниками. Полюсные и нейтральные наконечники входят в состав вакуумной оболочки ЛБВ. Использование нейтральных наконечников способствует созданию несинусоидального распределения магнитной индукции в фокусирующей системе с высоким уровнем 3-ей гармоники. Каждый нейтральный наконечник состоит из двух элементов, расположенных с зазором, заполненным неферромагнитным материалом. Предлагаемая конструкция обеспечивает повышение надежности и долговечности ЛБВ за счет снижения рабочей температуры линии замедления и уменьшения количества вакуумно-плотных спаев оболочки прибора. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. МАГНИТНАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА, состоящая из набора последовательно расположенных между полюсными наконечниками магнитных блоков, каждый из которых содержит по два магнита с аксиальной намагниченностью, которые обращены друг к другу противоположными полюсами и разделены между собой нейтральными наконечниками из магнитомягкого материала, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру вакуумной оболочки и полюсных наконечников, отличающаяся тем, что каждый нейтральный наконечник состоит из двух элементов, расположенных концентрично относительно друг друга и оси фокусирующей системы с зазором, заполненным вакуумно-плотным неферромагнитным материалом с высокой теплопроводностью. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что внешний и внутренний диаметры наружного элемента нейтрального наконечника изготавливают равными внешнему и внутреннему диаметрам магнитов соответственно, при этом внешний диаметр внутреннего элемента выбирают наименьшим из величин
(d₁ + d₂)/2;
d₁ + t/2,
где d₁ внутренний диаметр полюсных и нейтральных наконечников;
d₂ внешний диаметр ступиц полюсных наконечников;
t толщина дисковой части полюсных наконечников. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нейтральные наконечники выходят за пределы внешнего диаметра магнитов с созданием теплового, механического и магнитного контактов с арматурой ЛБВ. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что внешний контур нейтральных наконечников и магнитный экран выполнены азимутально-несимметричной формы.