ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА Российский патент 2003 года по МПК H01J3/02 H01J23/06 H01J25/10 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к электронным пушкам в лампах бегущей волны О-типа или клистронам, в которых применяется низковольтное управление электронным пучком с помощью сеточных структур, расположенных вблизи катода электронной пушки, путем подачи на эти структуры соответствующих потенциалов (см. Григорьев Ю.А., Правдин Б.С., Шестеркин В.И. Электронно-оптические системы с сеточным управлением: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ "Электроника", 1987. - Вып.7 (1264). - 71 с.).

Основным недостатком, присущим электронным пушкам с управляющими сетками, является ограничение по мощности, рассеиваемой на сетке при оседании на ней части тока пучка. Нарушение этого ограничения приводит к потере сеткой управления из-за термоэмиссии или к расплавлению элементов сеточной структуры из-за тепловой перегрузки (см. Pallakoff O.E. To grid or not to grid? / Microwave J. - 1974. - Vol.13, 5. - Р.52-56).

Применение сеточных структур, содержащих кроме управляющего током пучка "теневые" сетки, позволяет защитить управляющие сетки от нежелательного токоперехвата, поэтому электронные пушки с такими структурами получили широкое распространение. Однако использование их в ЛБВ или клистронах коротковолновой части сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн наталкивается на технологические трудности в точном изготовлении и точном совмещении между собой миниатюрных сеточных структур.

Описанных недостатков лишены известные конструкции электронных пушек с одинарной сеткой, с потенциалом, меньшим "естественного" или равным потенциалу катода (см. Saloom J.A., Lee R.A. Monterey revisited. / Microwave J. - 1978. - Vol.21, 7. - р.14).

Наиболее близким к заявляемому решению, которое реализует электронную пушку с одинарной, не перехватывающей ток пучка сеткой, работающей в области отрицательных потенциалов, является конструкция электронной пушки, описанная в патенте США 3160782, кл. МКИ H 01 J 3/15 от 20.08.62 г., описанном в 1964 году. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.

В этой конструкции управление электронным потоком осуществляется сеткой с квадратными ячейками и перемычками прямоугольного сечения, на которую подается постоянное отрицательное смещение, такое, что потенциал сетки никогда не превышает потенциала катода, даже в случае подачи на нее положительного импульса напряжения для включения электронного пучка.

Недостатком такой конструкции является сильное возмущение электронов вблизи сеточной структуры и, как следствие этого, нарушение ламинарности пучка. Нарушение ламинарности связано с отличием угла, под которым нулевая эквипотенциаль подходит к каждому парциальному пучку в отдельной ячейке сетки, от оптимального, равного углу Пирса 67^o30' (см. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М.: Сов. Радио, 1966, 456 с.). Поэтому применение прямоугольных или квадратных в сечении перемычек сетки всегда приводит к существенному возмущению электронного потока, к ухудшению токопрохождения в приборе и к усложнению конструкции прибора при увеличении фокусирующего магнитного поля для улучшения токопрохождения или улучшении теплоотвода от замедляющей системы прибора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение токопрохождения в приборе за счет уменьшения возмущений электронного потока вблизи сеточной структуры.

Поставленная задача решается таким образом, что в электронной пушке, состоящей из катода, фокусирующего электрода, одного или нескольких анодов и сеточных структур, расположенных между катодом и анодом, поперечное сечение перемычек, по крайней мере, одной из сеток имеет форму равнобедренного треугольника, вершина которого обращена в сторону анода. Кроме того, угол α при вершине треугольника поперечного сечения перемычки, по крайней мере, не меньше величины 2arctg(Δ/2h), где Δ - ширина перемычки, a h - толщина сеточной структуры. Форма самих ячеек сетки, образованных перемычками, может быть различной и соответствовать различным по типам сеткам, известным как радиальные, кольцевые или сотовые сетки. Фактически профиль перемычек сетки задает требуемую геометрию поверхности прикатодного электрода микропушек, катоды которых расположены перед каждой отдельной ячейкой сеточной структуры. Из-за небольшой величины продольной составляющей скоростей электронов пучка на участке катод - сетка изменение профиля поперечного сечения перемычек последней, несмотря на их относительно малую толщину, оказывает существенное влияние на величину разброса поперечных скоростей электронов после сетки. Вследствие уменьшения возмущений пучка его заполнение и уровень пульсаций в пролетном канале (при одинаковых конструктивных размерах) уменьшаются и токопрохождение в приборах с электронной пушкой заявленной конструкции улучшается.

Изготовление сеточной структуры может быть осуществлено стандартными методами (например, с помощью лазерной технологической установки на базе лазера ЛТИ-136, см. В.Д. Журавлева, С.П. Морев, В.И. Роговин, Т.Н. Соколова, Г. Ю. Юдин. Перспективы применения низковольтного сеточного управления электронным пучком в ЭВП СВЧ О-типа непрерывного действия. / Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98. / Материалы международной научно-технической конференции, Саратов, 1998, т.1, с.165-171).

Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией профиля перемычек сеток, и положительный эффект, вызванный этим при формировании электронных пучков в пушках с низковольтным управлением, неизвестны.

На фиг.1 схематически изображена электронная пушка с сеточной структурой заявляемой конструкции. Электронная пушка содержит катод 1, фокусирующий электрод 2, расположенную вблизи катода 1 сеточную структуру 3, перемычки которой выполнены в виде треугольных элементов, аноды 4. Боковые стороны перемычек 5 выбраны равными, а острия, образуемые ими, обращены в сторону анода.

На фиг.2 схематически изображено увеличенное поперечное сечение перемычки 5 шириной Δ и толщиной h. Изменение угла α при вершине треугольника позволяет просто и без изменения ширины Δ перемычек сетки реализовать условия, при которых возмущение электронов вблизи сеточной структуры уменьшается.

На фиг. 3-5 представлены варианты выполнения заявляемой конструкции, в которой применены различные типы сеточных структур.

На фиг.6 представлены результаты расчета средних поперечных скоростей 6 и среднеквадратичного отклонения от средних поперечных скоростей (дисперсии) 7 по сечению пучка после прохождения пучком сеточной структуры в электронной пушке заявленной конструкции, изображенной на фиг.1, при следующих параметрах: ток пучка I=0,3 А, ускоряющий потенциал U=10000 B, диаметр катода 4,5 мм, толщина перемычек сеточной структуры h=0,15 мм, ширина перемычек Δ = 0,3 мм, расстояние между катодом и сеточной структурой s=0,1 мм.

Результаты аналогичных расчетов для электронной пушки с прямоугольными перемычками сеточной структуры при одинаковых конструктивных размерах представлены на фиг.7.

На фиг.8 представлены результаты фокусировки электронного пучка 8, сформированного электронной пушкой заявленной конструкции, токопрохождения 9 по длине пролетного канала 10 в магнитном поле 11 для ЛБВО средней мощности коротковолновой части СВЧ-диапазона при следующих параметрах магнитной периодической фокусирующей системы: амплитуда магнитного поля Ва=0,27 Тл, период L=10 мм, диаметр пролетного канала 2,0 мм.

На фиг. 9 представлены аналогичные результаты фокусировки электронного пучка, сформированного электронной пушкой с прямоугольными перемычками сеточной структуры.

Сравнительный анализ расчетов на фиг.6 и 7 показывает, что возмущения электронов в электронной пушке предлагаемой конструкции существенно меньше. Изменение прямоугольной формы сечения колец сетки на треугольную форму (при неизменности остальных размеров) уменьшает величину положительных преимущественных радиальных скоростей (кривые 6) в 3 раза, а максимальную величину дисперсии (кривые 7) - в 5 раз. Как следует из анализа фокусировки пучка, представленного на фиг.8 и 9, уровень пульсаций и заполнение пучком пролетного канала для электронного пучка, сформированного электронной пушкой заявленной конструкции, меньше и токопрохождение лучше.

Отсутствие токоперехвата сеткой и повышение токопрохождения по сравнению с прототипом и аналогом создают возможность использования электронных пушек с сетками описанного профиля в приборах, работающих в непрерывном режиме. Использование сеточной структуры в таких приборах позволяет снизить уровень запирающих напряжений, по крайней мере, в два раза без усложнения конструкции приборов. Таким образом, предлагаемая конструкция электронной пушки для приборов О-типа обладает следующими преимуществами:
уменьшение возмущений электронного пучка вблизи сеточной структуры вследствие выбора треугольных в поперечном сечении перемычек сетки;
улучшение токопрохождения в пролетном канале приборов О-типа;
уменьшение управляющих током пучка напряжений в приборах, работающих в непрерывном режиме.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к лампам бегущей волны О-типа или клистронам с низковольтной модуляцией электронного потока (ЭП), использующим пушки с сетками. Технический результат - повышение токопрохождения за счет уменьшения возмущений ЭП сеточной структурой. Пушка содержит катод, фокусирующий электрод, расположенную вблизи катода сеточную структуру, аноды. Поперечное сечение перемычек, по крайней мере, одной из сеток имеет форму равнобедренного треугольника, вершина которого обращена в сторону анода. 1 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Электронная пушка для СВЧ-приборов О-типа, состоящая из катода, фокусирующего электрода, одного или нескольких анодов и сеточных структур, расположенных между катодом и анодом, отличающаяся тем, что поперечное сечение перемычек по крайней мере одной из сеток имеет форму равнобедренного треугольника, вершина которого обращена в сторону анода. 2. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что угол при вершине треугольника по крайней мере не меньше величины 2arctg(Δ/2h), где Δ - ширина перемычки, а h - толщина сеточной структуры.