Катодный узел с профилированным тепловым зазором для мощной электронно-лучевой пушки Российский патент 2022 года по МПК H01J29/48 H01J1/13 H01J3/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов.

Традиционно принято считать катодный узел сердцем электровакуумного прибора. Для мощных электровакуумных приборов СВЧ это представляет особый смысл в связи с тем, что основные электродинамические и эксплуатационные параметры приборов находятся в тесной связи с параметрами катодных узлов. Катодный узел оказывает определяющее влияние на получение высоких параметров, надежности и долговечности электровакуумных приборов.

Катодный узел любого устройства с мощным электронным пучком и термоэмиссионным катодом состоит собственно из катода, подогревательного блока и формирующих электродов, образующих электронно-оптическую систему (ЭОС) электронной пушки. Нагретая до высокой температуры поверхность катода должна быть изолирована от формирующих электродов с тем, чтобы исключить перегрев последних, приводящий к тепловым деформациям, которые нарушают работу ЭОС, а также приводят к расходу дополнительной мощности на паразитный нагрев электродов. Устранение упомянутых нежелательных эффектов достигается за счет выполнения теплового зазора между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода. Однако такой тепловой зазор в принятой практике реализуется не на основании теоретических расчетов, а волюнтаристским образом, обычно в виде горизонтальной щели постоянной ширины, параллельной оси прибора.

Известна конструкция электронной пушки, защищенной патентом США №10475618 «Электронная пушка, способная подавлять влияние электронной эмиссии с боковой поверхности катода», H01J 29/48, H01J 37/075, опубл. 12.11.2019. Известная электронная пушка включает в себя: катод, способный испускать электроны при нагревании; сетку, контролирующую эмиссию электронов катода; и катодный экран, выполненный из электропроводящего материала, включающий в себя поверхность, расположенную вблизи боковой поверхности катода и обращенную, по меньшей мере, к части боковой поверхности через вакуумный зазор либо прослойку из теплоизоляционного материала. Известная электронная пушка способна несколько подавлять влияние эмиссии электронов с боковой поверхности катода. Однако тепловой зазор между катодом и формирующим электродом в катодном узле известной электронной пушки организован без учета результатов теории, а задача исключения паразитной эмиссии электронов не в полной мере решается противопоставленным боковой поверхности электродом с потенциалом катода.

Широко известны научные работы, содержащие расчетные данные, направленные на обоснование необходимости применения в катодных узлах электронно-лучевых пушек профилированных, переменных по ширине тепловых зазоров между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода.

Так, в статье Данилова В.Н., Сырового В.А «К расчету электронных пушек с тепловым зазором по методу синтеза», «Радиотехника и электроника», 1976, Т. 40, №2, с. 418-421, сформулирована концепция профилированного теплового зазора, не нарушающего принятую гидродинамическую модель потока, на примере цилиндрического электронного пучка. В результате решения упомянутых в известной статье уравнений в частных производных теоретически рассчитана конфигурация эквипотенциалей, определяющих сложные криволинейные границы теплового зазора. Однако расчетные исследования, представленные в известной статье, не дают возможности определения практической конструктивной формы профилированного теплового зазора при его практической реализации в катодных узлах современных мощных электровакуумных приборов.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является катодный узел электронно-лучевой пушки, конструктивное исполнение которого защищено патентом SU №1393214 «Электронно-лучевая пушка», H01J 29/48, опубл. 10.06.2000. Известная электронно-лучевая пушка содержит секционированную цилиндрическую вакуумную камеру, одна из секций которой выполнена из электроизоляционного материала, а на ее оси размещен катодный узел с вогнутым сферическим катодом, формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности катода, и анод. Корпус катода выполнен коническим, а формирующий электрод закреплен между секциями вакуумной камеры, каждая из которых выполнена из электроизоляционного материала и образует с конической поверхностью корпуса катода конусообразный зазор, отношение а величины которого к радиусу эмитирующей поверхности выбрано из выражения Применение известного катодного узла в электронно-лучевой пушке позволяет несколько повысить однородность потока электронов, однако, грубая аппроксимация теоретических результатов и отсутствие конструктивной конфигурации фронтальной поверхности формирующего электрода не позволяет обеспечить надежную работу известного катодного узла, допуская перегрев и тепловые деформации формирующего электрода.

Актуальной задачей при разработке катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки является повышение его надежности и ресурса, повышающих, в свою очередь, надежность и ресурс в целом электроннолучевой пушки. Именно определение практической конструктивной формы и установление конструктивных очертаний профилированного, переменного по ширине теплового зазора между катодом и формирующим электродом, имеющим потенциал, отрицательный по отношению к катоду, позволяет полностью исключить паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, повышая качество электронного пучка, уменьшая токоперехват на элементы конструкции, существенно снижая тепловые деформации формирующего электрода, обеспечив тем самым надежную работу и высокий ресурс катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.

Задача изобретения - повышение надежности работы, увеличение ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.

Техническим результатом изобретения является разработка надежного, с высоким ресурсом, катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки, исполненного с профилированным тепловым зазором между катодом и формирующим электродом, обеспечивающим высокое качество электронного пучка и полностью исключающим паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что катодный узел электронно-лучевой пушки содержит термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода. Термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод имеет отрицательный потенциал ϕ = -ϕ_* по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов. Положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов, при этом, числовая величина расстояния d определяется значением потенциала ϕ и вычисляется в соответствии со следующими выражениями:

где:

где:

I плотность тока,

ϕ_А - потенциал анода, В;

- удельный заряд электрона;

E₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

L_* - расстояние анод-катод, м,

при этом ϕ_* измеряется в долях потенциала анода ϕ_А, помимо этого, форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности термокатода, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода на расстоянии b от кромки термокатода, определяемом по формуле

В конструкции созданного катодного узла для мощной электроннолучевой пушки выполнен профилированный тепловой зазор между боковой поверхностью термокатода и внутренней стенкой формирующего электрода, имеющего потенциал, отрицательный по отношению к термокатоду. Теоретически обоснованная и технологичная конфигурация такого теплового зазора повышает качество электронного пучка, уменьшает токоперехват на элементы конструкции, что особенно важно для мощных установок, тем самым повышая ресурс и надежность работы плавильной электронно-лучевой пушки в целом.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана технологичная конфигурация профилированного теплового зазора катодного узла, где:

1 - термокатод,

2 - фронтальная эмитирующая поверхность термокатода 1,

3 - формирующий электрод с отрицательным потенциалом,

4 - поток электронов, исходящий от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1,

5 - боковая поверхность термокатода 1,

d - расстояние между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом в 135 градусов от направления потока 4 электронов,

b - расстояние по вертикали от кромки термокатода 1, на котором находится точка сопряжения первой линии с дугой окружности, образующими форму внутренней стенки формирующего электрода 3.

Катодный узел разработан для мощной электронно-лучевой пушки и содержит термокатод 1 с фронтальной эмитирующей поверхностью 2 и боковой поверхностью 5, параллельной внутренней стенке формирующего электрода 3, подогревательный блок (на чертеже не показан) и формирующий электрод 3 с отрицательным потенциалом. Катодный узел предназначен для формирования мощного электронного потока 4 электронов, используемого, например, при плавке металлов в вакуумной камере электронно-лучевого плавильного комплекса.

Термокатод 1 имеет плоскую эмитирующую поверхность 2 и нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод 3 имеет отрицательный потенциал ϕ =- ϕ* по отношению к термокатоду 1. Профилированный тепловой зазор в конструкции катодного узла формируется между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов.

Задавая потенциал формирующего электрода 3, по соотношению определяется расстояние d, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов, между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка 4 электронов, исходящего от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов. При этом:

где:

I плотность тока,

ϕ_A - потенциал анода, В;

- удельный заряд электрона;

E₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

L_* - расстояние анод-катод, м,

Потенциал ϕ_* формирующего электрода 3 измеряется в долях потенциала анода ϕ_А. Форма внутренней стенки формирующего электрода 3 задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности 5 термокатода 1, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1 на расстоянии b от кромки термокатода 1, определяемом по формуле

Профилированный тепловой зазор обеспечивает реализацию решения уравнений в частных производных, включающих уравнение движения заряженной частицы в самосогласованном электромагнитном поле и уравнения Максвелла для этого поля. Упомянутые уравнения описывают математическую модель, адекватную физической природе явления, состоящего в эмиссии и формировании плотного электронного пучка.

Теоретически рассчитанная конфигурация боковой поверхности термокатода и отрицательной эквипотенциали, образующих профилированный тепловой зазор, легко поддается модификациям с целью придания ей технологичных очертаний без существенного возмущения электронного потока.

Практическое использование теоретически обоснованного профилированного теплового зазора повышает качество мощного электронного пучка, исключает возможность токоперехвата элементами конструкции пушки и паразитную эмиссию с боковой поверхности катода.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании данного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее данное изобретение при его осуществлении, относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов;

- для вышеприведенного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его практического осуществления;

- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении обеспечивает высокое качество электронного пучка, полностью исключает паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, что способствует повышению надежности работы, увеличению ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.

Следовательно, данное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек, и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов. Технический результат - повышение надежности работы, увеличение ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом. Катодный узел электронно-лучевой пушки содержит термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода. Термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ = 0. Формирующий электрод имеет отрицательный потенциал по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол 67,5 градусов. Положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов. Форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности. 1 ил.

Катодный узел электронно-лучевой пушки, содержащий термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода, отличающийся тем, что термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ = 0, формирующий электрод имеет отрицательный потенциал ϕ = -ϕ_* по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол 67,5 градусов, причем положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов, при этом числовая величина расстояния d определяется значением потенциала ϕ и вычисляется в соответствии со следующими выражениями:

где:

I - плотность тока,

ϕ_A - потенциал анода, В;

- удельный заряд электрона;

E₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

L_* - расстояние анод-катод, м,

при этом ϕ_* измеряется в долях потенциала анода ϕ_А, помимо этого, форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22,5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности термокатода, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода на расстоянии b от кромки термокатода, определяемом по формуле