МНОГОЛУЧЕВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С НИЗКОВОЛЬТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 1998 года по МПК H01J3/02 H01J23/06 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к многолучевым электронным пушкам с низковольтным управлением для мощных ЭВП СВЧ О-типа.

Многолучевые электронные пушки обеспечивают высокие параметры электронного потока и повышенные эксплуатационные характеристики приборов, но имеют недостаток, а именно достаточно высокое управляющее напряжение ~ 20 -30% от анодного. Типичные значения этого напряжения для мощных СВЧ- приборов составляют ~ 3 -10 кВ. По этой причине приходится использовать громоздкие и массивные модуляторы. Снижение управляющего напряжения позволяет существенно упростить источники питания, уменьшить их вес, увеличить надежность и долговечность самих электронных пушек.

Уменьшение управляющего напряжения многолучевых электронных пушек за счет использования сеточного метода связано с серьезными техническими трудностями. Основная из них заключается в том, что сетка, будучи тонкой, быстро разрушается в результате неизбежных высоковольтных пробоев при тренировке в мощных ЭВП.

Известна конструкция однолучевой ЭОС с низковольтным штыревым управлением [1] , взятая нами за аналог, которая устойчива к высоковольтным пробоям. Однолучевая ЭОС с низковольтным штыревым управлением содержит эмиттер с центральным отверстием, два управляющих электрода, один из которых выполнен в виде штыря, расположенного в отверстии эмиттера коаксиально ему и выступающего в направлении продольной оси эмиттера относительно внутренней кромки эмиттера на расстояние, равное ~ 2% от величины расстояния катод-анод, а другой электрод совмещен с внешним фокусирующим кольцевым электродом.

В настоящее время существует многолучевая электронная пушка, взятая нами за прототип [2], содержащая многолучевой термокатод, включающий в себя систему эмиттеров, расположенных на общей обойме, управляющий электрод в виде плоскопараллельной металлической пластины с отверстиями, оси которых совпадают с осями эмиттеров, электрически изолированный от термокатода, элементы крепления термокатода и управляющего электрода на вакуумно-плотном высоковольтном изоляторе.

Перенести без изменений однолучевую ЭОС, взятую за аналог, на многолучевую конструкцию электронной пушки не представляется возможным по следующим причинам: 1) сложность и громоздкость конструкции катодно-подогревательного узла не обеспечат малых реальных расстояний между осями эмиттеров; 2) управляющий электрод-штырь крепится на подогревателе катода, что требует для каждого эмиттера собственного подогревателя; 3) штырь имеет непосредственный тепловой контакт с подогревателем и не защищен от напыления эмиссионно-активного вещества со внутренней поверхности эмиттера, что приводит к паразитной эмиссии со штыря и скорому разрушению его.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многолучевой электронной пушки с низковольтным управлением для мощных ЭВП СВЧ О-типа. Техническим результатом реализации многолучевой электронной пушки со штыревым управлением будет низковольтное управление порядка 10 - 15% от анодного при тех же параметрах электронного потока и эксплуатационных характеристиках, характерных для многолучевых приборов.

Эта задача решается в предложенной многолучевой электронной пушке, содержащей многолучевой термокатод, включающий в себя систему эмиттеров, расположенных на общей обойме, управляющий электрод в виде плоскопараллельной металлической пластины с отверстиями, оси которых совпадают с осями эмиттеров, электрически изолированный от термокатода, элементы крепления термокатода и управляющего электрода на вакуумно-плотном высоковольтном изоляторе, отличающуюся тем, что каждый эмиттер многолучевого термокатода оснащен дополнительным управляющим электродом, выполненным в виде штыря, электрически связанным с основным управляющим электродом, в каждом эмиттере выполнено центральное отверстие для размещения штыря коаксиально ему с кольцевым зазором L между эмиттером и штырем, а все штыри закреплены на общем основании, расположенном вне термокатода со стороны элементов крепления термокатода на высоковольтном изоляторе. Таким образом, нами предлагается многолучевая электронная пушка с низковольтным штыревым управлением.

Предложенная конструкция многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением иллюстрируется на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 изображен схематично общий вид многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением.

На фиг. 2 изображена схема одного элемента многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением без анода.

На фиг. 3 изображена схема одного элемента многолучевой электронной пушки, взятой нами за прототип, не оснащенной штырями, - со сплошными эмиттерами, без анода.

Как изображено на фиг. 1, предложенная многолучевая электронная пушка с низковольтным штыревым управлением содержит несколько эмиттеров 1, имеющих центральные отверстия, закрепленных на общей обойме 2, штыри 3, выполненные из тугоплавкого неэмиттирующего металла, закрепленные на основании 4, управляющий электрод 5, выполненный из тугоплавкого неэмиттирующего металла в виде плоскопараллельной цилиндрической пластины с отверстиями, охватывающими с зазором каждый эмиттер, и электрически соединенный с основанием 4, и анод 6, имеющий пролетные каналы для каждого электронного луча.

Изображенный на фиг. 2 элемент многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением содержит эмиттер 1, выполненный из пористого вольфрама, пропитанного эмиссионно-активным составом алюмината щелочно-земельных металлов, имеющий внешний диаметр D_э и ширину кольца эмиттера S, соответствующая полуразности внешнего диаметра цилиндрического эмиттера и диаметра цилиндрического отверстия в нем, закрепленный на общей обойме 2, штырь 3 с диаметром D_ш, закрепленный на основании 4, и управляющий электрод 5, имеющие зазор L с эмиттером 1, а также внутренний кольцевой электрод 7.

На фиг. 3 приведена схема элемента многолучевой электронной пушки со сплошными эмиттерами 8 и управляющим электродом 9.

Многолучевая электронная пушка с низковольтным штыревым управлением работает следующим образом. На анод 6 (фиг. 1) подается ускоряющее высокое напряжение постоянной величины. При подаче на управляющий электрод 5 и штыри 3 электрического потенциала, равного потенциалу термокатода, каждый электронный луч, формируемый отдельным элементом многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением, ускоряется анодным напряжением, фокусируется электрическими полями управляющего электрода 5 и штырей 3, образуя сходящийся в пролетный канал анода 6 трубчатый электронный луч. При подаче на управляющий электрод 5 и штыри 3 управляющего отрицательного по отношению к катоду напряжения U_зап происходит запирание, т.е. уменьшение электронного потока до пренебрежимо малой величины.

Проанализировав имеющиеся экспериментальные данные по многолучевым электронным пушкам, взятым за прототип, не оснащенным штырями, - со сплошными эмиттерами, нами установлено, что зависимость между управляющим напряжением U_зап (кВ), плотностью токоотбора j (А/см²) сплошного эмиттера в наиболее удаленной от кромок управляющего электрода точке и расстоянием от этой точки до кромок управляющего электрода d (мм) может быть описана выражением (1)
U_зап=0.48•j^0,56•d^1.4
На фиг. 3 приведена схема элемента многолучевой электронной пушки со сплошными эмиттерами 8, на которой показано расстояние d от кромок управляющего электрода 9 до наиболее удаленной от них точки сплошного эмиттера 8, соответствующей для сплошного эмиттера его центру.

Сравнение результатов расчета по этой формуле со значениями для имеющихся конкретных изделий приведено в табл. 1.

Точность расчета U_зап получена на уровне ± 5% от фактического значения.

Характерной особенностью ЭОС со сплошным эмиттером является трудность запирания центральных участков эмиттера вследствие их наиболее удаленного расположения от кромок управляющего электрода, вклад же этих участков в общий токоотбор незначителен.

Устранение центральных участков и введение штырей, электрически связанных с управляющим электродом, позволяет понизить управляющее напряжение U_зап, т. к. выражение (1) остается справедливым и для элемента многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением, изображенного на фиг. 2, в котором расстояние d₁ от кромок управляющих электродов 3 и 5 до наиболее удаленных от них точек эмиттера становится меньше, чем расстояние d до центра эмиттера: d₁<d.

В однолучевой ЭОС, взятой нами за аналог, снижение U_зап обусловлено дополнительным управляющим электродом в виде штыря. В предложенной нами многолучевой электронной пушке со штыревым управлением имеется внутренний кольцевой электрод 7 (фиг. 2), выполняющий роль антиэмиссионного покрытия, для граней которого недопустимо выступание над кромками эмиттеров, а ширина их должна быть минимальной, т.к. в противном случае растет плотность токоотбора, падает ресурс и не удается обеспечить требуемое токопрохождение.

На фиг. 2 показано расстояние d₁, равное d₁=(2•L+S)/2, где L - величина зазора в мм между эмиттером 1 и штырем 3, и между эмиттером 1 и управляющим электродом 5; S - ширина в мм кольца эмиттера 1. При заданных значениях плотности токоотбора j и ширины S из формулы (1) по величине управляющего напряжения U_зап определяется величина зазора L. При этом необходимо учитывать условие на устойчивость к высоковольтным пробоям между эмиттером 1 и штырем 3, и между эмиттером 1 и управляющим электродом 5. Из опыта создания электронных пушек для мощных ЭВП СВЧ известно, что среднее значение напряженности электрического поля между электродами электронной пушки для устранения электрических пробоев не должно превышать 15 кВ/мм. Поэтому полученное из формулы (1) значение L должно удовлетворять неравенству (2)
L(мм)≥U_зап(кВ)/15(кВ/мм)
Верхняя граница величины зазора L определяется из следующих соображений.

Внешний диаметр D_э, ширина кольца эмиттера S и величина токоотбора j при определении величины зазора L остаются заданными параметрами. Диаметр отверстия в эмиттере D_отв=D_э-2•S также остается фиксированным. Увеличение зазора L возможно за счет уменьшения диаметра штыря D_ш (фиг. 2), т.к. L= 0.5•(D_отв-D_ш). При этом напряженность электрического поля на поверхности штыря E(D_ш в соответствии с законами электростатики будет расти как
E(D_ш)≤2•U_зап/D_ш.

Отсюда предельное значение сверху для L
L(мм)≤0.5•D_отв(мм)-U_зап(кВ)/15(кВ/мм). (3)
Таким образом, значение L, входящее в формулу (1), должно удовлетворять одновременно неравенствам (2) и (3).

Предлагаемая многолучевая электронная пушка с низковольтным штыревым управлением была смоделирована с помощью ЭВМ. В модели многолучевой электронной пушки с низковольтным штыревым управлением использовались эмиттеры ⊘ 4 мм с центральными отверстиями ⊘ 2 мм, штыри цилиндрической формы ⊘ 1 мм и закругленными концами, зазорами L=0.5 мм (фиг. 2). Заданное значение тока - I=1.7 А, что соответствует плотности токоотбора j=17 А/см².

При моделировании использовалась также реверсная магнитная фокусирующая система на постоянных магнитах, размещенных по длине пролетного канала анода.

Достигнутый эффект по управляющему напряжению U_зап приведен в табл. 2 в сравнении с традиционной электронной пушкой со сплошными эмиттерами.

Таким образом, расчеты показывают, что предлагаемая многолучевая электронная пушка со штыревым управлением обладает значительно меньшим управляющим напряжением по сравнению с традиционной при незначительном увеличении плотности токоотбора j с каждого эмиттера.

Литература.

1. Патент N 872.170. Великобритания. J.R. Pickin, R.D. Phillips. - 1958.

2. О. Ю. Масленников, С.А. Абанович. Многоэмиттерные катодно-подогревательные узлы с металлопористыми катодами, устойчивые к термоциклам. /Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 2. - 1995. - с. 24.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к многолучевым электронным пушкам для мощных СВЧ-приборов О-типа. Задачей изобретения является создание многолучевой электронной пушки с низковольтным управлением для мощных ЭВП СВЧ О-типа, что позволит существенно упростить источники питания, уменьшить их вес, увеличить надежность и долговечность самих электронных пушек. Многолучевая электронная пушка со штыревым низковольтным управлением содержит многолучевой термокатод, включающий систему эмиттеров, расположенных на общей обойме, управляющий электрод в виде плоскопараллельной металлической пластины с отверстиями, оси которых совпадает с осями эмиттеров, электрически изолированный от термокатода, элементы крепления термокатода и управляющего электрода на вакуумно-плотном высоковольтном изоляторе. Каждый эмиттер оснащен дополнительным управляющим электродом, выполненным в виде штыря, электрически связанным с основным управляющим электродом, в каждом эмиттере выполнено центральное отверстие для коаксиального размещения штыря с зазором, определенным аналитическим выражением. Все штыри закреплены на общем основании, расположенном вне термокатода со стороны элементов крепления термокатода на высоковольтном изоляторе. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. 2 табл.

1. Многолучевая электронная пушка с низковольтным управлением, содержащая многолучевой термокатод, включающий систему металлопористых эмиттеров, пропитанных алюминатом ЩЗМ, расположенных на общей обойме, управляющий электрод в виде плоскопараллельной металлической пластины с отверстиями, оси которых совпадают с осями эмиттеров, электрически изолированный от термокатода, элементы крепления термокатода и управляющего электрода на вакуумно-плотном высоковольтном изоляторе, отличающаяся тем, что каждый эмиттер многолучевого термокатода оснащен дополнительным управляющим электродом, выполненным в вид штыря, электрически связанным с основным управляющим электродом, в каждом эмиттере выполнено центральное отверстие для размещения штыря коаксиально ему, при этом кольцевой зазор L между эмиттером и штырем определен условием
0,5 • D_отв (мм) - U_зап (кВ)/15 (кВ/мм) ≥ L (мм) ≥ U_зап (кВ)/15 (кВ/мм),
где D_отв - диаметр отверстия в эмиттере;
U_зап - запирающее напряжение, определяемое по заданной плотности тока j (А/см²) на поверхности кольцевого эмиттера с шириной кольца эмиттера S, по выражению U_зап. = 0,48 • j^0,56 • ((2 • L + S)/2)^1,4,
а все штыри закреплены на общем основании, расположенном вне термокатода со стороны элементов крепления термокатода и основного управляющего электрода на высоковольтном изоляторе. 2. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность отверстий в каждом эмиттере имеет покрытие для уменьшения испарения эмиссионно-активного вещества на размещенный в отверстии эмиттера штырь, выполненное в виде кольцевого электрода из молибдена с гранью, совпадающей с внутренней кромкой эмиттера.