ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 1995 года по МПК H01J3/02 H01J1/32 

Изобретение относится к электронным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно к электронным пушкам для ламп бегущей волны, клистронов и других СВЧ-приборов, и может быть использовано в радиолокации, связи и других областях техники для усиления и генерации сигналов СВЧ.

Известны мощные электронные пушки, содержащие термокатод и расположенную над ним управляющую сетку, находящуюся под отрицательным потенциалом, что позволяет управлять электронным потоком без приложения положительного смещения, а также электронные пушки с двумя сетками над катодом теневой и управляющей [1]
В таких электронных пушках осуществляется низковольтное управление электронным потоком, что значительно упрощает изготовление источников питания.

Однако использование сеток над катодом существенно уменьшает эффективную поверхность катода и снижает КПД прибора из-за токооседания на сетках и неравномерности электронного потока по плотности. Кроме того, токооседание на сетках и сложность изготовления и поддержания в процессе работы размеров и формы управляющих сеток, повторяющих поверхность катода, приводит, особенно в мощных коротковолновых приборах, к существенному снижению надежности таких приборов.

Поэтому в мощных и сверхмощных коротководновых приборах электронные пушки с сеточным управлением находят весьма ограниченное применение.

Известны также электронные пушки со сходящимся электронным пучком без управляющих сеток, создающие цилиндрический электронный поток, обеспечивающие высокий первеанс и большую плотность тока в пучке при достаточно низкой плотности тока катода.

Катодный узел в таких пушках состоит из термоэмиссионного катода с торцевой поверхностью сферической формы, внутри которого расположен подогреватель, фокусирующего электрода и анода, имеющего выступ, направленный в сторону катода [2]
Эти электронные пушки нашли широкое применение, особенно в мощных и сверхмощных приборах, благодаря высокому первеансу и возможности получать электронные пучки большой плотности при сравнительно небольшой плотности тока с катода, что обеспечивает высокую надежность и долговечность приборов.

Однако, обладая целым рядом преимуществ по сравнению с пушками с управляющими сетками над катодом, эти пушки не позволяют осуществлять низковольтное управление электронным потоком, что является их недостатком.

Кроме того, общим недостатком пушек с управляющими сетками и без них является необходимость разогрева катода, имеющего значительную поверхность и массу, до рабочей температуры, что ограничивает возможность уменьшения времени готовности и повышения полного (с учетом накала) КПД приборов, в которых используются такие пушки.

Целью данного изобретения является обеспечение низковольтного управления электронным потоком и сокращение времени готовности прибора при сохранении надежности, технологичности и КПД такими же, как у приборов с электронными пушками со сферическим катодом без управляющих сеток.

Указанная цель достигается в каждом из двух конструктивных вариантов.

Первый вариант состоит в том, что в известной электронной пушке, содержащей анод, фокусирующий электрод и катодный узел, катодный узел состоит из кольца с внутренней поверхностью, выполненной из вторично-эмиссионного материала, имеющий радиус, монотонно увеличивающийся к аноду и превышающий радиус отверстия в аноде; внутри кольца расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца катода.

Второй вариант состоит в том, что в той же известной электронной пушке, содержащей анод, фокусирующий электрод и катодный узел, катодный узел состоит из нескольких расположенных вдоль оси пушки изолированных колец с внутренней поверхностью, выполненной из вторично-эмиссионного материала, имеющей радиус, превышающий радиус отверстия в аноде, осевая длина каждого кольца превышает расстояние между соседними кольцами, внутри наиболее удаленного от анода кольца катода, расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца.

Замена торцевого сферического термоэмиссионного катода на кольцевой вторично-эмиссионный или, во втором варианте, на несколько кольцевых вторично-эмиссионных, и прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод позволяет осуществлять запуск пушки и низковольтное управление электронным потоком путем подачи на прямонакальный катод или автокатод потенциала 20-100 В при максимальных потенциалах мощных электронных пушек 5-50 кВ.

Кроме того, такая замена исключает необходимость разогрева всего катода и, благодаря этому, существенно снижает время готовности пушки и повышает ее экономичность.

При использовании прямонакального катода можно получить время готовности прибора 1-2 с и в несколько раз уменьшить подводимую мощность накала, а при использовании автоэлектронного катода можно получить время готовности прибора практически равным нулю и совсем исключить источник накала.

Пушка с вторично-эмиссионным катодом позволяет получить как цилиндрический, так и трубчатый электронный поток. Создание трубчатого потока достигается с помощью фокусирующих электродов специальной формы (или использованием магнитной фокусировки).

На фиг. 1 изображена электронная пушка (вариант I) с одним кольцом из вторично-эмиссионного материала; на фиг. 2 электронная пушка (вариант 2) с несколькими кольцами из вторично-эмиссионного материала.

Электронная пушка (фиг. 1) содержит катод 1, выполненный в виде кольца; внутри кольца расположен прямонакальный термокатод 2 (или автоэлектронный катод), рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности 3 кольца катода; фокусирующий электрод 4, анод 5. Внутренняя поверхность кольца катода выполнена из вторично-эмиссионного материала и имеет радиус, мотонно увеличивающийся к аноду и превышающий радиус отверстия в аноде.

Высокая плотность тока в пучке достигается благодаря тому, что вторично-эмиссионный катод расположен снаружи прямонакального термокатода, что позволяет увеличить радиус рабочей поверхности вторично-эмиссионного катода и этим снизить плотность тока с него, а также за счет увеличения к аноду радиуса внутренней поверхности вторично-эмиссионного катода и оптимизации таким образом угла падения электронов на вторично-эмиссионный катод, а также исключения экранировки вторично-эмиссионного катода прямонакальным термокатодом.

Электроды пушки укреплены на каркасе пушки, состоящем из ряда металлических дисков 7, укрепленных на керамических стержнях 6.

Электронная пушка, показанная на фиг. 2, содержит несколько расположенных вдоль оси пушки изолированных колец 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной из вторично-эмиссионного материала и имеющей радиус, превышающий радиус отверстия в аноде 5, при этом осевая длина каждого кольца превышает расстояние между соседними кольцами, внутри наиболее удаленного от анода кольца катода расположен автоэлектронный катод 3, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца, фокусирующий электрод 4, анод 5.

Высокая плотность тока в пучке достигается в этом случае благодаря тому, что, как и в первом варианте, кольца из вторично-эмиссионного материала расположены снаружи прямокального термокатода или автоэлектронного катода и радиус внутренней поверхности колец больше радиуса отверстия в аноде, а также благодаря тому, что имеется несколько расположенных последовательно колец, обеспечивающих нарастание тока пучка вдоль пушки, а так как осевая длина колец превышает расстояние между соседними кольцами, электроны попадают на каждый последующий вторично-эмиссионный катод.

Электроды пушки, как и в варианте 1, укреплены на каркасе пушки, состоящем из ряда металлических дисков 7, укрепленных на керамических стержнях 6.

Использование в электронных пушках мощных ламп бегущей волны или клистронов катодных узлов, состоящих из вторично-эмиссионных катодов и прямонакальных термокатодов или автоэлектронных катодов, позволяет создавать приборы с низковольтным управлением и многорежимные приборы без ухудшения таких важных параметров как надежность, КПД, технологичность.

Кроме того, создание электронных пушек с такими катодными узлами позволяет в 5-10 раз снизить время готовности электронной пушки и прибора, в котором она используется, в несколько раз сократить расход энергии при эксплуатации приборов импульсного действия и на 5-30% приборов непрерывного действия, а при использовании вторично-эмиссионного катода с автоэлектронным катодом позволяет исключить источник питания накала.

Использование: электронные СВЧ-приборы со сходящимся электронным потоком. Сущность изобретения: электронная пушка содержит анод, фокусирующий электрод и катодный узел в виде кольца, внутренняя поверхность которого покрыта вторично-эмиссионным материалом и имеет радиус, увеличивающийся к аноду. Внутри кольца размещен прямонакальный термокатод или автокатод. Пушка может состоять из нескольких расположенных вдоль оси пушки изолированных друг от друга колец, осевая длина которых превышает расстояние между соседними кольцами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА для ЛБВО и клистрона, формирующая сходящийся электронный поток, содержащая анод, фокусирующий электрод и катодный узел, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения низковольтного управления электронным потоком и сокращения времени готовности прибора, катодный узел состоит из кольца с внутренней поверхностью из вторично-эмиссионного материала, радиус которой монотонно увеличивается к аноду и превышает радиус его отверстия, внутри кольца расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого обращена к внутренней поверхности кольца катода. 2. Электронная пушка для ЛБВО и клистрона, формирующая сходящийся электронный поток, содержащая анод, фокусирующий электрод и катодный узел, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения низковольтного управления электронным потоком и сокращения времени готовности прибора, катодный узел состоит из нескольких расположенных вдоль оси пушки изолированных колец с внутренней поверхностью из вторично-эмиссионного материала, радиус которой превышает радиус отверстия в аноде, причем осевая длина каждого кольца превышает расстояние между кольцами, а внутри наиболее удаленных от анода колец катода расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого обращена к внутренней поверхности кольца катода.