МАГНИТНАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА СВЧ-ПРИБОРА "О" ТИПА Российский патент 1997 года по МПК H01J23/87 

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ приборам, в частности к элементам магнитной фокусировки электронных пучков в таких приборах. Изобретение может быть использовано в мощных СВЧ приборах "0" типа пакетированных с постоянными магнитами.

Известны конструкции магнитных фокусирующих систем (МПФС) (патент ФРГ N 1296276, МКИ Н 01 J 21 g 13/17), с помощью которых обеспечивается формирование электронных пучков в электронных пушках и фокусировка пучков в пролетных каналах СВЧ приборов "0" типа. Указанные МПФС содержат постоянные магниты, создающие магнитные фокусирующиеся поля в пролетном канале и в области электронной пушки, магнитные экраны, позволяющие видоизменить магнитное фокусирующее поле в пушке, а также магнитные элементы, например, шайбу из магнитомягкого материала или подвижную пластину малого размера (патент ФРГ N 1491437, МКИ Н 01 J 21 g 13/17)), с помощью которых можно компенсировать азимутальные неоднородности магнитного поля в пушке и на входе в МПФС.

Недостатком этих МПФС является то, что указанные магнитные элементы обеспечивают лишь локальную компенсацию неоднородностей поля.

Известно также, что компенсацию неоднородностей поля на протяженном участке можно обеспечить при помощи ряда колец из магнитомягкого материала (армко), расположенных с промежутками перпендикулярно оси электронного луча (патент ФРГ N 1541059, МКИ. H 01 J 23/06) и (патент ФРГ N 1491453; МКИ. 21 g 13/17).

Недостатком таких систем является то, что кольцевые элементы оказывают влияние на характер распределения осевых фокусирующих полей в пушке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является магнитная фокусирующая система для СВЧ прибора "0" типа (Мельников Ю.А. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ приборов. М. Сов.Радио, 1967. С.94.рис. 5.12б), содержащая магнит, охватывающий оболочку прибора "0" типа и магнитный выпрямитель, расположенный между оболочкой прибора и магнитом. Выпрямитель поля выполнен в виде набора тонких пермаллоевых и алюминиевых кольцевых дисков и позволяет экранировать поперечные магнитные поля в приборе.

Недостатком приведенной конструкции является то, что в области пушки выпрямитель находится вне оболочки и, следовательно имеет большой внутренний диаметр. Это обуславливает большие габариты и массу выпрямителя и малую эффективность снижения уровня поперечных полей в области электронной пушки.

Цель изобретения обеспечение эффективности снижения уровня магнитных поперечных полей в области пушки и входной части магнитной фокусирующей системы за счет применения выпрямителя небольшого веса и габаритов.

Цель достигается тем, что магнитная фокусирующая система СВЧ прибора "0" типа содержит магнитную периодическую систему (МПФС) в виде ряда следующих друг за другом с обратной полярностью кольцевых магнитов с кольцевыми полюсными наконечниками, магнитный экран, расположенный со стороны электронной пушки, с центральным отверстием в его торцевой стенке, расположенный между ними кольцевой магнит, выпрямитель магнитного поля в виде чередующихся тонких из магнитомягкого материала и немагнитных кольцевых дисков, выпрямитель установлен в центральном отверстии торцевой стенки магнитного экрана соосно МПФС с соблюдением соотношений:
l ≅ h₁ + h₂; d₁ ≥ d_н;
где: l осевая длина выпрямителя магнитного поля;
h₁ и D толщина и диаметр центрального отверстия торцевой стенки магнитного экрана пушки;
h₂ толщина кольцевого магнита, расположенного между МПФС и магнитным экраном;
d₁, d₂ соответственно внутренний и наружный диаметры кольцевых дисков выпрямителя,
d_н внутренний диаметр полюсного наконечника МПФС.

Кроме того, выпрямитель имеет форму усеченного конуса с уменьшением наружного диаметра кольцевых дисков в сторону от МПФС.

В источниках и патентно-технической литературе не встречаются признаки, аналогичные заявляемым. Установка выпрямителя магнитного поля в центральное отверстие торцевой стенки магнитного экрана электронной пушки так, что между наружной цилиндрической поверхностью диаметром d₂, равным наружному диаметру его кольцевых дисков, выпрямителя и внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D центрального отверстия торцевой стенки имеется немагнитный кольцевой зазор (вакуумный, воздушный или заполненный немагнитным материалом, например, частью медного анода) величиной D d₂/2.

Немагнитный кольцевой зазор дает возможность эффективно воздействовать на поперечные компоненты магнитного поля и практически не изменять распределение продольного магнитного поля в области катод анод входная часть МПФС.

Выбор внутреннего диаметра d₁ выпрямителя равным внутреннему диаметру d_н полюсных наконечников МПФС позволяет максимально приблизить выпрямитель к оси прибора и, тем самым усилить его воздействие на азимутальные неоднородности магнитного поля. Возможен выбор d₁ > d_н. Однако при заданных размерах диаметра центрального отверстия D в торцевой стенке и внешнего диаметра выпрямителя d₂, с увеличением диаметра d₁ уменьшается ширина кольцевого диска d₂ d₁/2 из магнитомягкого материала и, следовательно снижается эффективность выпрямителя.

Осевая длина выпрямителя l может быть взята равной как толщине h₁ торцевой стенки магнитного экрана пушки, так и суммарной длине равной толщине торцевой стенки n₁ и толщине h₂ дополнительного кольцевого магнита, расположенного между МПФС и магнитным экраном пушки. В последнем случае (l h₁ + h₂) воздействие на поперечное магнитное поле осуществляется не только в области анода пушки и торцевой стенки экрана, но также на участке между пушкой и входной частью МПФС. Возможен случай, когда осевая длина выпрямителя l < h₁ + h₂. Конкретный выбор длины l делается по результатам экспериментальных измерений, при которых достигается наименьший уровень поперечных магнитных полей. Внутренний диаметр дополнительного кольцевого магнита равен или больше внутреннего диаметра D центрального отверстия в торцевой стенке магнитного экрана пушки.

Использование выпрямителя магнитного поля возможно также в варианте прибора, когда между МПФС и магнитным экраном пушки нет дополнительного кольцевого магнита толщиной h₂. В этом месте имеется немагнитный зазор с осевой длиной h₂. В этом варианте осевая длина выпрямителя поля также выбирается исходя из соотношения l ≅ h₁ + h₂ по результатам экспериментальных измерений поперечных магнитных полей. Поскольку выпрямитель конструктивно вписывается внутрь центрального отверстия торцевой стенки экрана и дополнительного кольцевого магнита, то он существенно меньше по радиальным размерам и весу по сравнению с выпрямителем в прототипе.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено продольное сечение магнитной фокусирующей системы для СВЧ прибора "0" типа предлагаемого устройства; на фиг.2 создаваемое этим устройством распределение осевого магнитного фокусирующего поля в области пушки и МПФС прибора.

Позициями обозначены: на фиг.1. 1 кольцевые магниты МПФС, 2 полюсные наконечники МПФС, 3 магнитный экран электронной пушки, 4 цилиндрическая стенка магнитного экрана пушки, 5 торцевая стенка магнитного экрана пушки, 6 дополнительный кольцевой магнит МПФС, 7 электронная пушка, 8 анод электронной пушки, 9 катод электронной пушки, 10 выпрямитель магнитного поля.

На фиг. 2. 11 распределение продольной компоненты магнитного фокусирующего поля, 12 контур электронного пучка. Коллекторная часть прибора выполнена в обычном виде и на фиг. не показана.

На фиг. 3 представлены результаты измерений осевого распределения поперечной компоненты B_⊥ магнитного поля (в соотношении к величине продольного поля ) в области анода, торцевой стенки магнитного экрана пушки и дополнительного магнита МПФС прибора, где: 13 распределение для случая МПФС с выпрямителем магнитного поля, 14 распределение для случая без выпрямителя магнитного поля.

На фиг. 4 представлена конструкция выпрямителя магнитного поля, где l - общая осевая длина выпрямителя, h₃ толщина кольцевого диска из магнитомягкого материала (пермаллоя), h₄ толщина немагнитного кольцевого диска, d₁ внутренний диаметр кольцевых дисков выпрямителя, d₂ наружный диаметр кольцевых дисков выпрямителя.

Как видно на фиг.1 магнитная фокусирующая система для СВЧ прибора "0" типа содержит МПФС, выполненную в виде ряда кольцевых магнитов 1 следующих с обратной полярностью друг за другом и разделенных кольцевыми полюсными наконечниками 2 из магнитомягкого материала, магнитный экран пушки 3 с цилиндрической 4 и торцевой 5 стенками из магнитомягкого материала, дополнительный кольцевой магнит 6 МПФС, создающий вместе с магнитным экраном 3 магнитное поле, нарастающее от значения В_к на катоде пушки до величины В₁ в середине магнита 6 (кривая 11 на фиг.2). В области, занятой торцевой стенкой 5, в ее центральном отверстии и внутри дополнительного магнита 6 вдоль оси прибора, установлен выпрямитель магнитного поля 10 в виде ряда тонкостенных кольцевых дисков из магнитомягкого материала (например, пермаллоя), разделенных немагнитными кольцевыми дисками.На фиг.3 видно, что в случае установки магнитного выпрямителя в приборе уровень поперечного магнитного поля 13 в два раза ниже, чем таковой в случае отсутствия выпрямителя 14. Геометрические размеры выпрямителя магнитного поля (фиг.4) выбирают в каждом конкретном случае, исходя из требований достижения минимального уровня поперечного магнитного поля.

Работа предлагаемой магнитной фокусирующей системы (МФС) для СВЧ прибора "0" типа, содержащей магнитную периодическую фокусирующую систему (МПФС) с кольцевыми магнитами и полюсными наконечниками и магнитный экран электронной пушки, в центральном отверстии торцевой стенки которого расположен выпрямитель магнитного поля, заключается в следующем. Электроны, имитированные катодом 9, формируются в сходящийся пучок 12 электрическим полем компрессионной пушки и монотонно нарастающим от катода B_к до первого максимума B₁ магнитным полем 11, а затем фокусируется периодическим полем МПФС и проходит через пролетный канал до коллектора прибора.

Пример. Результаты измерения распределения поперечного поля (), приведенные на кривой 13 (фиг.3), получены с использованием магнитного выпрямителя с геометрическими размерами:
l 6 мм
h₃ 0,3 мм
h₄ 0,7 мм
d₁ 5,3 мм
d₂ 13 мм
При этом выбраны следующие геометрические размеры магнитного экрана пушки и МПФС: h₁ 3 мм, h₂ 3,2 мм, D 15 мм, d_н 5,3 мм, что соответствовало соотношениям h₁ + h₂ 6,2, d₁ d_н приведенным в формуле изобретения.

Таким образом, размещая выпрямитель в области пушки по прототипу, потребовалось бы увеличить его радиальные размеры и следовательно и вес не менее, чем в 6 раз. Эффективность же компенсации уровня поперечных магнитных полей при этом уменьшается.

Из кривой 13 (фиг. 3) видно, что более эффективно выпрямитель воздействует на величину B_⊥ в средней части и несколько хуже на участке, ближнем к катоду пушки.

В предлагаемом устройстве магнитный выпрямитель позволяет существенно снизить по сравнению с прототипом уровень поперечной компоненты магнитного поля в области пушки и входной части МПФС, уменьшить расфокусирующее воздействие на электронный пучок и следовательно уменьшить токооседание электронов пучка на стенки пролетного канала. Последнее приводит к уменьшению тепловой нагрузки на электродинамическую систему СВЧ прибора "0" типа.

Применение выпрямителя с наружной поверхностью, выполненной в виде конуса (фиг. 5), сужающегося от диаметра величиной d₂ 13 мм до d₂ 10 мм в направлении пушки (в противоположном направлении от МПФС), позволяет повысить эффективность выпрямителя также на концевом участке выпрямителя (кривая 15 на фиг.3).

Другим преимуществом устройства по сравнению с прототипом является уменьшение габаритов и веса применяемого выпрямителя магнитного поля.

Таким образом устройство позволяет уменьшить габариты и вес МФС, а также улучшить эксплуатационные характеристики прибора.

Использование: в электровакуумных СВЧ приборах, в частности в элементах магнитной фокусировки электронных пучков в таких приборах и может быть использовано в СВЧ приборах "0" типа, пакетированных с постоянными магнитами. Сущность изобретения: магнитная фокусирующая система СВЧ прибора "0" типа содержит магнитную периодическую систему (МПФС) в виде ряда следующих друг за другом с обратной полярностью кольцевых магнитов с кольцевыми полюсными наконечниками, магнитный экран, расположенный со стороны электронной пушки, с центральным отверстием в его торцевой стенке, расположенный между ними кольцевой магнит, выпрямитель магнитного поля в виде чередующихся тонких из магнитомягкого материала и немагнитных кольцевых дисков, выпрямитель установлен в центральном отверстии торцевой стенки магнитного экрана соосно МПФС с соблюдением заданных соотношений. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магнитная фокусирующая система СВЧ-прибора О-типа, содержащая магнитную периодическую систему в виде ряда следующих друг за другом с обратной полярностью кольцевых магнитов с кольцевыми полюсными наконечниками, магнитный экран, расположенный со стороны электронной пушки, с центральным отверстием в его торцевой стенке, расположенный между ними кольцевой магнит, выпрямитель магнитного поля в виде чередующихся тонких из магнитно-мягкого материала и немагнитных кольцевых дисков, отличающаяся тем, что выпрямитель установлен в центральном отверстии торцевой стенки магнитного экрана соосно с магнитной периодической фокусирующей системой с соблюдением соотношений
l ≅ h₁ + h₂; d₁ ≥ d_н;
d₂ / D 0,7 0,9,
где l осевая длина выпрямителя магнитного поля;
h₁ и D толщина и диаметр центрального отверстия торцевой стенки магнитного экрана пушки;
h₂ толщина кольцевого магнита, расположенного между магнитной периодической фокусирующей системой и магнитным экраном;
d₁, d₂ соответственно внутренний и наружный диаметры кольцевых дисков выпрямителя;
d_н внутренний диаметр полюсного наконечника магнитной периодической фокусирующей системы. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выпрямитель имеет форму усеченного конуса с уменьшением наружного диаметра кольцевых дисков в сторону от системы.