МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЙ КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА Российский патент 2007 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа или клистронах, в которых применяется рекуперация кинетической энергии отработавших электронов.

В большинстве применяемых сегодня конструкций коллекторов для уменьшения обратного потока электронов из коллектора, а также для предотвращения попадания обратных электронов в пролетный канал приборов, что приводит к снижению КПД, увеличению тепловой нагрузки на замедляющую систему, самовозбуждению, снижению надежности и долговечности, применяются несимметричные электрические и магнитные поля (см. Роговин В.И., Семенов С.О. Коллекторы с рекуперацией для ЛБВО и клистронов: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. - вып.4(1167). - 70 с.).

Несимметричные электрические поля создаются путем применения несимметричной конструкции электродов с различными потенциалами, несимметричные магнитные поля - с помощью несимметричных магнитотвердых и магнитомягких материалов.

Примером такой конструкции является коллектор, в котором несимметричным элементом является полуцилиндр, являющийся продолжением токоприемного электрода, а поперечное оси прибора электрическое поле возникает между названным полуцилиндром и предколлектором, являющимся частью корпуса прибора, имеющими различные потенциалы (В.Е.Гинзбург, С.В.Лебединский, А.К.Михалев, В.Т.Овчаров. Коллектор электронного прибора СВЧ. А.С. СССР, №271661, заявлено 30.12.1967, опубликовано 12.02.1971). Таким образом, поперечное электрическое поле расположено во входной области одноступенчатого коллектора и служит для предотвращения попадания обратных электронов в пролетный канал прибора. Недостатком предложенной конструкции является, прежде всего, расположение области с поперечным электрическим полем на входе в коллектор. Отклоняющиеся от оси под действием поперечного поля медленные электроны оседают во входной части коллектора, а вылетевшие вторичные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле и выходят из коллектора и оседают на предколлектор, снижая КПД прибора. Также способствует выходу вторичных электронов из коллектора и равенство диаметров входного отверстия и полости токоприемного электрода. Кроме того, наличие поперечного электрического поля на входе в коллектор приводит к существенно несимметричному оседанию электронов на поверхность коллектора и несимметричному распределению тепловой нагрузки, что усложняет систему охлаждения коллектора.

Известен коллектор, в котором для увеличения КПД токоприемный электрод разделен на два электрода с различными и пониженными относительно предколлектора потенциалами (Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ, 1972, №11, с.56). Коллектор имеет те же отмеченные выше недостатки. Помимо этого, т.к. область с поперечным электрическим полем расположена во входной области коллектора - между предколлектором и первым электродом с пониженным потенциалом, за счет отклоняющего действия поперечного поля уменьшается ток на второй электрод коллектора с более низким потенциалом, что ведет к снижению КПД коллектора.

Известна также конструкция многоступенчатого коллектора, описанная в пат. 3202863, США, С1. 315-5.38, Crossed field collector, D.A.Dunn, P.A.Sturrock, заявл. 19.09.1960, опубл. 24.08.1965. В этой конструкции электроды коллектора, предназначенные для сбора электронов, представляют из себя набор полуцилиндров, изолированных друг от друга и расположенных на противоположных сторонах оси прибора. В объеме между полуцилиндрами создаются скрещенные поперечные оси прибора электрическое и магнитное поля. Для электронов прямого направления электрическая и магнитная сила компенсируют друг друга, а для обратных электронов эти силы складываются и отклоняют электроны от оси, препятствуя выходу из коллектора.

Основным недостатком такой конструкции является использование полуцилиндров для сбора электронов. Такой коллектор нельзя применять в мощных приборах, так как отдельные полуцилиндры должны размещаться каждый на своем изоляторе и такая конструкция имеет ограниченную теплорассеивающую способность. Помимо этого, при оседании первичных электронов на полуцилиндры будут образовываться вторичные электроны, которые будут улетать из-за их взаимного расположения на полуцилиндры с большим потенциалом, существенно понижая эффективность коллектора.

Приведенный на рис.10 указанного патента США №3202863 вариант конструкции коллектора наиболее близок к заявляемому решению. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.

Коллектор состоит из двух электродов: предколлектора, являющегося частью корпуса прибора, и токоприемного электрода под пониженным относительно корпуса потенциалом. Соединенные с названными электродами два полуцилиндра охватывают электронный пучок и создают в области между электродами поперечное электрическое поле. Внешнее устройство создает в области полуцилиндров также поперечное оси коллектора и электрическому полю магнитное поле. Для электронов прямого направления электрическая и магнитная сила компенсируют друг друга, а для обратных электронов - эти силы складываются и отклоняют электроны от оси, препятствуя выходу из коллектора. Для сбора электронов применен специальный электрод с пониженным потенциалом, который может иметь эффективную систему охлаждения.

Рассмотренная конструкция коллектора имеет следующие недостатки: действующая на электроны отклоняющая сила электрического поля полуцилиндров, расположенных в области между предколлектором и коллектором, уравновешивается отклоняющей силой магнитного поля только для электронов определенной энергии, электроны с другими энергиями отклоняются от оси, что приводит к существенно неравномерному распределению токооседания и тепловой нагрузки по поверхности коллектора. Применение для дальнейшего повышения КПД дополнительных электродов с пониженными потенциалами, расположенных за названным токоприемным электродом, окажется неэффективным из-за отклонения электронов от оси на входе в коллектор и, как следствие, уменьшения тока на дополнительные электроды. Кроме того, электронные пучки в мощных приборах СВЧ имеют большой первеанс и быстро расходятся под действием собственного пространственного заряда. В указанной конструкции коллектора не предусмотрены меры по дополнительной фокусировке пучка в области коллектора, что также приводит к уменьшению тока на дополнительные электроды и КПД прибора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение КПД прибора, повышение его предельной мощности, надежности и долговечности за счет улучшения токопрохождения на электроды с низким потенциалом, уменьшения обратного потока вторичных и отраженных электронов из коллектора и улучшения теплорассеивающей способности коллектора.

Поставленная задача решается следующим образом: в коллекторе электровакуумного СВЧ прибора O-типа, содержащем корпус, электрод с полостью для пролета электронов, имеющий пониженный относительно корпуса потенциал, по крайней мере одно устройство для создания поперечного оси прибора электрического поля, выполненное в виде двух полуцилиндров, имеющих различные потенциалы и расположенных на противоположных сторонах от оси, и устройство для создания магнитного поля, включающее постоянные магниты, содержатся один или несколько дополнительных электродов с полостью для пролета электронов и с пониженным относительно корпуса потенциалом, а устройство для создания поперечного электрического поля расположено между электродами, причем каждый из полуцилиндров электрически соединен с одним из электродов, длины полуцилиндров L₁, L₂ связаны с поперечным размером охватываемой полуцилиндрами полости d соотношением 0,1≤L₁/d, L₂/d≤0,4, а постоянные магниты имеют компоненту магнитного поля, ориентированную вдоль оси прибора.

Помимо этого полости электродов, соединенных с полуцилиндрами, имеют поперечные размеры, превышающие поперечный размер d.

Помимо этого полуцилиндры могут быть охвачены цилиндрической втулкой, электрически соединенной с одним из полуцилиндров. Основными отличительными признаками предлагаемого коллектора являются:

- расположение устройства для создания поперечного электрического поля между электродами коллектора, имеющими пониженный относительно корпуса потенциал, при этом полуцилиндры электрически соединены каждый со своим электродом и имеют различные потенциалы,

- длина полуцилиндров L₁, L₂ связана с поперечным размером d соотношением 0,1≤L₁/d, L₂/d≤0,4,

- постоянные магниты устройства для создания магнитного поля имеют компоненту магнитного поля, ориентированную вдоль оси прибора.

Дополнительными отличительными признаками являются:

- полости электродов, соединенных с полуцилиндрами, имеют поперечные размеры, превышающие поперечный размер d, являющийся фактически размером входного и выходного отверстия электродов,

- наличие дополнительной цилиндрической втулки, охватывающей полуцилиндры и электрически соединенной с одним из полуцилиндров.

Благодаря наличию совокупности признаков уменьшается обратный поток электронов из коллектора, увеличивается КПД прибора, его предельная мощность, повышается надежность и долговечность.

Изготовление коллекторов предложенной конструкции может быть осуществлено известными методами на стандартном оборудовании.

На фиг.1, 2 изображены варианты конструкций коллекторов, реализующие предлагаемое техническое решение.

Коллектор содержит корпус 1, часть 2 которого служит предколлектором, изоляторы 3, электроды 4 с устройствами для создания поперечного электрического поля, состоящими из двух полуцилиндров 5, устройство 6 для создания магнитного поля, дополнительную цилиндрическую втулку 7. Распределение компоненты магнитного поля, создаваемой постоянными магнитами устройства 6 и ориентированной вдоль оси прибора, обозначено цифрой 8.

На фиг.3 показана конфигурация двухэлектродного коллектора, имеющего предколлектор и два электрода с пониженными относительно предколлектора потенциалами, рассчитанные по компьютерной программе (Журавлева В.Д., Роговин В.И., Семенов С.О. Расчет трехмерных электронно-оптических систем электровакуумных СВЧ-приборов от катода до коллектора // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та. 1998, С.187-189) траектории первичных и вторичных электронов и распределение продольной компоненты магнитного поля 9 в области коллектора.

На фиг.4, 5 представлены расчетные зависимости относительных величин: потребляемой мощности Рпотр., обратного тока электронов из коллектора на замедляющую систему и предколлектор Iзс, токов на электроды в зависимости от отношения L/d. При расчетах длины полуцилиндров L₁ и L₂ выбирались одинаковыми.

Для создания магнитного поля в области коллектора с продольной компонентой магнитного поля устройство для создания магнитного поля может содержать, например, аксиально или радиально-намагниченные кольцевые магниты (фиг.6а) или наборы призматических магнитов (фиг.6б).

Коллектор работает следующим образом. При влете электронного пучка в коллектор наиболее медленные электроны оседают в начальной и средней части первого электрода 4. Часть не осевших медленных и быстрые электроны фокусируются продольной составляющей магнитного поля 8 и попадают в тормозящую электростатическую линзу между первым и вторым электродами. Медленные электроны не могут пройти во второй электрод, отражаются от линзы и возвращаются назад. За счет действия поперечного электростатического поля, создаваемого полуцилиндрами 5 с различными потенциалами, они получают дополнительную поперечную скорость, отклоняются от оси и оседают в первом электроде коллектора. Быстрые электроны проходят во второй электрод 4 и оседают в нем. Вторичные электроны из второго электрода, движущиеся ко входу коллектора при прохождении электростатической линзы между электродами, также получают дополнительную поперечную скорость и оседают в первом электроде. В рассмотренной конструкции коллектора разделены в пространстве на области сортировки электронов по энергиям (электростатические линзы между электродами) и области оседания электронов на поверхность электродов, где образуются вторичные электроны. Большая часть пучка оседает на протяженные, хорошо охлаждаемые электроды 4. Ускоряющее электрическое поле, которое вытягивает вторичные электроны из электродов и заставляет их двигаться ко входу коллектора, существует лишь во входной части электродов, где оседание мало и мало число ускорившихся вторичных электронов. Таким образом, применение устройства из двух полуцилиндров для создания поперечного электрического поля между электродами коллектора позволяет осадить почти весь обратный поток отраженных и вторичных электронов внутри коллектора и достигнуть величин КПД, близких предельным. Достижение максимума КПД означает одновременно и минимизацию тепловой нагрузки на коллектор, увеличивая надежность и долговечность прибора. Поперечное электрическое поле между полуцилиндрами 5 отклоняет и быстрые, и медленные электроны в одну сторону и далее поток электронов расходится под действием собственного пространственного заряда, поэтому по сравнению с прототипом распределение токооседания и тепловой нагрузки по поверхности электродов будет более равномерным.

Продольная составляющая магнитного поля 8 позволяет сфокусировать электронный пучок на входе в следующий электрод коллектора и обеспечить хорошее прохождение пучка на электроды с низким потенциалом и обеспечить максимальный КПД прибора. За счет фокусировки пучка оседание на электроды в области электростатических линз, в частности на полуцилиндры, незначительно, и потери в КПД за счет влияния вторичной эмиссии также малы. В отсутствие фокусирующего магнитного поля ток второго электрода мал и прирост КПД за счет его применения незначителен.

Аналогичным образом работает и коллектор с большим числом электродов.

Проведенные расчеты позволили выбрать указанное выше соотношение между длиной полуцилиндров и поперечным размером охватываемой ими области. Применение в коллекторе полуцилиндров с соотношением L/d вне указанного выше интервала приводит к возрастанию потребляемой мощности и уменьшению КПД прибора, причем при меньших соотношениях L/d за счет уменьшения длины полуцилиндров уменьшается величина отклонения отраженных от линзы и вылетающих из второго электрода вторичных электронов, возрастает обратный поток электронов из коллектора и увеличивается потребляемая мощность Рпотр., КПД коллектора и прибора уменьшается (фиг.4, 5). При больших значениях L/d - потребляемая мощность увеличится, а КПД уменьшится из-за уменьшения тока на ступени с низким потенциалом, что связано с отклоняющим действием сильного поперечного электрического поля.

Длины полуцилиндров обычно выбираются близкими по величине, тогда достигается максимальный положительный эффект от их применения, но по конструктивным соображениям могут и отличаться, оставаясь в указанных выше пределах.

Число пар полуцилиндров в многоэлектродном коллекторе может изменяться от одной до N-1, где N - число электродов, в зависимости от параметров прибора и применяемого в нем электронного пучка, особенностей применения и т.д.

Увеличение поперечного размера полости электрода D по сравнению с поперечным размером d, который обычно является и поперечным размером входного отверстия электрода, позволяет уменьшить выход из полости электрода вторичных электронов, что увеличивает КПД прибора, а также за счет развития внутренней поверхности электрода снизить удельную тепловую нагрузку, уменьшить температуру электрода и увеличить надежность и долговечность коллектора и прибора.

Применение охватывающей полуцилиндры дополнительной втулки позволяет практически полностью устранить выход электронов через зазоры между полуцилиндрами, попадание их на керамические изоляторы и накапливание на их поверхности зарядов, что может привести к пробоям изоляторов. Таким образом, применение втулки повысит надежность и долговечность коллектора и прибора в целом.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа или клистронах. Коллектор содержит корпус, часть которого служит предколлектором, изоляторы и электроды с устройствами для создания поперечного электрического поля, которые расположены между электродами и выполнены в виде полуцилиндров. Длины полуцилиндров L₁, L₂ связаны с поперечным размером охватываемой полуцилиндрами полости d соотношением 0,1≤L₁/d, L₂/d≤0,4. Имеется устройство для создания магнитного поля, ориентированного вдоль оси коллектора. Техническим результатом является увеличение КПД, предельной мощности, надежности и долговечности прибора. Полости электродов, соединенных с полуцилиндрами, имеют поперечные размеры, превышающие поперечный размер d. Полуцилиндры могут быть охвачены цилиндрической втулкой. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Коллектор электровакуумного СВЧ-прибора О-типа, содержащий корпус, электрод с полостью для пролета электронов, имеющий пониженный относительно корпуса потенциал, по крайней мере, одно устройство для создания поперечного оси прибора электрического поля, выполненное в виде двух полуцилиндров, имеющих различные потенциалы и расположенных на противоположных сторонах от оси, и устройство для создания магнитного поля, включающее постоянные магниты, отличающийся тем, что коллектор содержит один или несколько дополнительных электродов с полостью для пролета электронов и имеющих пониженный относительно корпуса потенциал, а устройство для создания поперечного электрического поля расположено между электродами, причем каждый из полуцилиндров электрически соединен с одним из электродов, длины полуцилиндров L₁, L₂ связаны с поперечным размером охватываемой полуцилиндрами полости d соотношением 0,1≤L₁/d; L₂/d≤0,4, a постоянные магниты имеют компоненту магнитного поля, ориентированную вдоль оси прибора.2. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что полости электродов, соединенных с полуцилиндрами, имеют поперечные размеры, превышающие поперечный размер d.3. Коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полуцилиндры охвачены цилиндрической втулкой, электрически соединенной с одним из полуцилиндров.