МАГНИТНАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 2023 года по МПК H01J23/87 

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам, в частности к магнитным периодическим фокусирующим системам (МПФС).

Известна конструкция магнитной фокусирующей системы для СВЧ-приборов, состоящая из пушечного магнита, содержащего кольцевые магниты с аксиальной и радиальной намагниченностью, и расположенного за ним МПФС [изобретение «Магнитная фокусирующая система», Н01J23/08, авторское свидетельство № 656129, приоритет 13.04.1977]. Наличие пушечного магнита в конструкции позволяет поднять амплитуду магнитного поля в области катода прибора до 1400÷1800 Гс, что приводит в конечном счете к снижению коэффициента шума прибора.

Однако такая система обладает значительным весом, габаритами и полями рассеяния. Кроме того, неэкранированная катодная область добавляет трудности при настройке и эксплуатации СВЧ-прибора.

Известна МПФС, в которой между магнитным экраном со стороны электронной пушки и первым магнитом установлен дополнительно аксиально намагниченный магнит [изобретение «Магнитная периодическая фокусирующая система», Н01J23/08, авторское свидетельство № 337846, приоритет 18.11.1969]. Конструкция выходной области аналогична входной. В указанной МПФС величину первого и последнего максимумов магнитной индукции можно регулировать путем изменения размеров аксиально намагниченных колец, а также их намагниченностью.

Недостатком данной МПФС является то, что указанные дополнительные магниты не оказывают влияния на характер распределения и амплитуду магнитного поля в области катода.

Наиболее близкой к предлагаемой магнитной фокусирующей системе является МПФС, содержащая магнитный выпрямитель, установленный в центральном отверстии торцевой стенки магнитного экрана со стороны электронной пушки соосно с МПФС (прототип) [патент на изобретение № 2074448 «Магнитная фокусирующая система СВЧ-прибора О-типа», Н01J23/087, приоритет 20.0.1994]. Наличие магнитного выпрямителя позволяет уменьшить поперечную компоненту магнитного поля в области катода и входной части МПФС. Соответственно уменьшается тепловая нагрузка на электродинамическую систему СВЧ-прибора.

Недостатком приведенной конструкции является то, что выпрямитель фактически размещен под первым магнитом МПФС. Это обуславливает увеличение поперечного и продольного размеров первого магнита, что соответственно приводит к увеличению массогабаритных параметров всей МПФС. К тому же, выпрямитель воздействует на распределение осевой поперечной компоненты магнитного поля, не изменяя амплитуду его в области катода.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении выходной мощности и КПД СВЧ-прибора в целом, а также в уменьшении тепловой нагрузки на замедляющую систему (ЗС) за счет улучшения токопрохождения электронного потока через пролетный канал.

Технический результат достигается тем, что магнитная фокусирующая система содержит 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 и дополнительным отверстием, в котором перпендикулярно оси системы установлен кольцевой радиально намагниченный магнит, имеющий полярность, противоположную первому аксиально намагниченному магниту, расположенному между полюсным наконечником и торцевой стенкой магнитного экрана, причем

Bp ≥ Вm,

где Bp - значение радиальной намагниченности кольцевого магнита,

Вm - значение аксиальной намагниченности первого магнита;

полюсные наконечники соединены кольцевыми элементами в виде ступенчатых тел вращения из немагнитного материала, при этом цилиндрическая стенка магнитного экрана полностью закрывает область электронной пушки.

Дополнительное отверстие в торцевой стенке магнитного экрана служит полюсом для радиально намагниченного магнита, который необходим для повышения аксиальной симметрии поля в этой области. Расположение радиально намагниченного магнита в магнитном экране позволяет уменьшить массогабаритные параметры магнитной системы.

Кольцевой радиально намагниченный магнит служит для увеличения индукции магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом с аксиальной намагниченностью, расположенным между полюсным наконечником и торцевой стенкой магнитного экрана, в области электронной пушки СВЧ-прибора. Применение кольцевого магнита с радиальной намагниченностью позволяет «деформировать» симметричную колоколообразную кривую распределения магнитного поля на оси системы и сместить точку минимума индукции магнитного поля влево.

Направление намагниченности выбраны так, что их поля складываются в области электронной пушки. Для того, чтобы аксиально намагниченный кольцевой магнит не размагничивал радиально намагниченный магнит, следует брать их намагниченности из условия: Bp ≥ Вm.

Новым положительным свойством конструкции является повышение эффективности настройки СВЧ-прибора на максимальное токопрохождение за счет возможности размещения без перекосов полюсных наконечников, которые образуют вместе с кольцевыми элементами из немагнитного материала с высокой теплопроводностью вакуумно-плотное соединение. Выбор размеров и материала кольцевых элементов позволяет также снизить влияние поперечных магнитных полей, связанных с неоднородностью намагниченности магнитов в азимутальном направлении.

Цилиндрическая стенка магнитного экрана служит для экранирования полей рассеяния от кольцевых магнитов с аксиальной намагниченностью в области электронной пушки.

Наличие магнитного поля в области электронной пушки позволяет существенно увеличить токопрохождение электронного потока, особенного трубчатых электронных потоков. Это в свою очередь повышает выходную мощность и КПД СВЧ-прибора, уменьшает тепловую нагрузку на ЗС.

Таким образом, использование дополнительного магнита в конструкции МПФС в соответствии с предложенной формулой изобретения позволяет обеспечить магнитное поле в области катода от 30 Гс и выше.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемой магнитной фокусирующей системы, где:

кольцевые магниты 1,

полюсные наконечники 2,

магнитный экран 3,

электронная пушка 4,

торцевая стенка магнитного экрана 5,

кольцевой радиально намагниченный магнит 6,

первый кольцевой аксиально намагниченный магнит 7,

кольцевой элемент 8,

цилиндрическая стенка магнитного экрана 9,

электронный поток 10.

На фиг.2 представлен график распределения магнитного поля на оси системы.

Работа предлагаемой магнитной фокусирующей системы для СВЧ-прибора, содержащей кольцевые магниты 1 и полюсные наконечники 2 и магнитный экран электронной пушки 3, в торцевой стенке которого расположен кольцевой радиально намагниченный магнит 6, заключается в следующем.

Полюсные наконечники 2 и кольцевые элементы 8 образуют единый внешний экран ЗС, что позволяет существенно уменьшить ее поперечный размер, и тем самым увеличить индукцию магнитного поля на оси системы для улучшения токопрохождения электронного потока 10.

Электронная пушка 4 формирует интенсивный электронный поток 10 электрическим полем компрессионной пушки и монотонно нарастающим от катода Вк магнитным полем, затем происходит фокусировка периодическим полем МПФС и поток проходит через пролетный канал до коллектора СВЧ-прибора.

Распределение продольной компоненты магнитного поля вдоль ЗС обуславливается намагниченностью кольцевых магнитов 1. Для обеспечения требуемого магнитного поля в области электронной пушки 4 необходимо исключить влияние кольцевых магнитов 1. Это достигается путем полного экранирования области электронной пушки 4 за счет цилиндрической стенки магнитного экрана 9.

Величину индукции магнитного поля в области электронной пушки 4 определяют кольцевые магниты 6 и 7 при соблюдении условия Bp ≥ Вm. Причем дополнительный магнит 6 и кольцевой магнит 7 имеют такую полярность, что обеспечивается сложение магнитных полей.

Теплоотвод от полюсных наконечников 2 осуществляется кольцевым элементом 8 с высокой теплопроводностью, например, из меди. В противном случае увеличивая радиальный размер полюсных наконечников 2 и выход его за пределы внешнего радиуса магнитов 1 приведет к увеличению потока рассеяния магнитной индукции и к нежелательному снижению величины магнитного поля на оси фокусирующей системы. Магниты 1, к которому примыкает медный кольцевой элемент 8 предохраняют их от возможного перегрева, а также обратимого снижения магнитного поля в системе при увеличении температуры магнитов.

Предлагаемое техническое решение позволяет исключить расстройку МПФС с ростом температуры.

Пример. Магнитная фокусирующая система содержит периодическую систему, выполненную в виде ряда кольцевых магнитов 1, следующих с обратной полярностью друг за другом, и разделенных кольцевыми полюсными наконечниками 2, магнитный экран 3 и кольцевой магнит 6. Все магниты выполнены из сплава самарий-кобальт, полюсные наконечники 2 и магнитный экран 3 - из стали марки «Армко».

Кольцевые магниты 1 имеют внутренний диаметр 8 мм, наружный диаметр 14 мм и длину 3 мм. Кольцевой магнит 6 размером: внутренний диаметр 15 мм, наружный диаметр 21 мм, длина 1.2 мм. Значения намагниченностей кольцевых магнитов 6 и 7 составляют Bp = Вm= 0.7 Тл.

Полюсные наконечники 2 выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящих, по меньшей мере, из двух цилиндрических частей размерами: внутренний диаметр D0 = 5.5 мм, наружный диаметр D1 = 7 мм, длина L1 = 2.6 мм и внутренний диаметр D1 = 7 мм, наружный диаметр D2 = 11 мм, длина L2 = 1.2 мм. Полюсные наконечники 2 имеют неразъемное соединение с медными кольцевыми элементами 7, выполненными в виде ступенчатых тел вращения из двух цилиндрических частей размерами: внутренний диаметр D0 = 5.5 мм, наружный диаметр D1 = 7 мм, длина L3 = 1.66 мм, и внутренний диаметр D1 = 7 мм, наружный диаметр D3 = 8 мм, длина L4 = 3.06 мм.

Торцевая стенка 5 магнитного экрана 3 имеет внутренний диаметр 5.5 мм, наружный диаметр 26 мм и длину 1.2 мм. Цилиндрическая стенка 8 магнитного экрана 3 размером: внутренний диаметр 23 мм, наружный диаметр 26 мм, длиной 26.04 мм.

Уровень магнитного фокусирующего поля в области электронной пушки 4 определяется параметрами кольцевых магнитов 6 и 7, а в регулярной части системы параметрами кольцевых магнитов 1. Анализ графика, представленного на фиг. 2, показывает, что в случае установки кольцевого магнита 6 в конструкцию магнитной системы СВЧ-прибора, уровень магнитного поля в области электронной пушки 4 составляет Вк = 60 Гс, а в случае отсутствия кольцевого магнита 6, магнитное поле в области электронной пушки 4 близко к нулю. Значения намагниченностей кольцевых магнитов 6 и 7, а также их геометрические параметры выбирают в каждом конкретном случае, исходя из требований достижения минимального уровня магнитного поля в области электронной пушки 4.

На фиг.2 приведет график распределения продольной компоненты магнитного фокусирующего поля В, Тл вдоль оси прибора, где: положение электронной пушки соответствует Z=0 мм, уровень магнитного поля на катоде Вк: сплошная линия - при наличии кольцевого радиально намагниченного магнита 6, штрихпунктирная линия - без него.

Применение предложенной конструкции магнитной системы в СВЧ-приборе позволяет уменьшить потери тока пучка и снизить тепловую нагрузку на ЗС, обеспечивая повышенные уровни эффективного фокусирующего магнитного поля на оси системы и в области электронной пушки.

Таким образом, СВЧ-прибор с предлагаемой конструкцией магнитной системы обладает следующими преимуществами: увеличенной выходной мощностью и КПД, улучшенными эксплуатационными параметрами.

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам, в частности к магнитным периодическим фокусирующим системам (МПФС). Технический результат - увеличение выходной мощности и КПД СВЧ-прибора, уменьшение тепловой нагрузки замедляющей системы (ЗС) за счет улучшения токопрохождения электронного потока через пролетный канал. Магнитная фокусирующая система содержит периодическую систему в виде ряда следующих друг за другом с обратной полярностью кольцевых магнитов с кольцевыми полюсными наконечниками. В торцевой стенке магнитного экрана, расположенного со стороны электронной пушки, выполнено центральное отверстие и дополнительное отверстие, в котором перпендикулярно оси системы установлен кольцевой радиально намагниченный магнит, имеющий полярность, противоположную первому аксиально намагниченному магниту, расположенному между полюсным наконечником и торцевой стенкой магнитного экрана. Полюсные наконечники соединены кольцевыми элементами в виде ступенчатых тел вращения из немагнитного материала. Цилиндрическая стенка магнитного экрана полностью закрывает область электронной пушки. 2 ил.

Магнитная фокусирующая система, 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, отличающаяся тем, что в торцевой стенке магнитного экрана дополнительно выполнено отверстие, в котором перпендикулярно оси системы установлен кольцевой радиально намагниченный магнит, имеющий полярность, противоположную первому аксиально намагниченному магниту, расположенному между полюсным наконечником и торцевой стенкой магнитного экрана, причем

Bp ≥ Вm,

где Bp – значение радиальной намагниченности кольцевого магнита,

Вm – значение аксиальной намагниченности первого магнита,

полюсные наконечники соединены кольцевыми элементами в виде ступенчатых тел вращения из немагнитного материала, при этом цилиндрическая стенка магнитного экрана полностью закрывает область электронной пушки.