МАГНИТНАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ 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 (Авторское свидетельство №656129, H01J 23/08). Наличие пушечного магнита в конструкции позволяет получить однородное распределение магнитного поля в области электронной пушки прибора с амплитудой до 0,14÷0,18 Тл. Наличие магнитного поля на катоде улучшает фокусировку электронного потока, что приводит в конечном счете к увеличению выходной мощности прибора.

Также известна конструкция МПФС для СВЧ-прибора, которая содержит постоянный магнит, окружающий область электронной пушки для создания однородного магнитного поля в данной области (Патент №2965782, US).

К недостаткам представленных выше систем относится наличие магнита в области электронной пушки, который создает значительные поля рассеяния, добавляя трудности при настройке и эксплуатации СВЧ-прибора. Кроме того, значительно увеличиваются массогабаритные параметры МПФС.

Наиболее близкой к предлагаемой магнитной фокусирующей системе является МПФС, содержащая систему магнитных экранов (прототип) (Патент №3252033, US). Магнит, установленный в области электронной пушки, создает требуемое однородное распределение магнитного поля, при этом с двух сторон расположен магнитный экран. Для исключения взаимовлияния магнита в области электронной пушки с магнитами периодической системы установлен дополнительный магнитный экран. Совокупность технических решений позволяет уменьшить тепловую нагрузку на прибор и повысить выходную мощность.

Недостатком приведенной конструкции является то, что система магнитных экранов имеет развитую поверхность, которая усложняет сборку конструкции. Настройка токопрохождения в приборе усложнена из-за полной изоляции магнитными экранами первого магнита периодической системы. К тому же наличие магнита в области электронной пушки приводит к увеличению массогабаритных параметров всей МПФС.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в улучшении токопрохождения электронного потока, уменьшении тепловой нагрузки на замедляющую систему и увеличении уровня выходной мощности СВЧ-прибора при сохранении габаритов.

Технический результат достигается тем, что в магнитной фокусирующей периодической системе, состоящей из чередующихся аксиально-намагниченных магнитов, полюсных наконечников со ступицами и магнитных экранов из ферромагнитного материала, торцевая стенка магнитного экрана со стороны электронной пушки выполнена из немагнитного материала, причем, в осевом направлении торцевая стенка соединена с полым цилиндром из ферромагнитного материала, расположенным со стороны периодической системы и имеющим длину l_sh

l_sh≥l_m,

где l_m - продольный размер первого магнита, расположенного между полюсными наконечниками за торцевой стенкой магнитного экрана электронной пушки;

полюсные наконечники с одинаковым наружным диаметром, расположенные по обе стороны от первого магнита в области электронной пушки, выполнены в виде ступенчатых тел вращения из, по меньшей мере, двух цилиндрических частей; причем, полюсный наконечник, расположенный перед первым магнитом, не имеет ступицы и закреплен с одной стороны в торцевой стенке магнитного экрана одной из цилиндрических частей; полюсный наконечник, расположенный после первого магнита, имеет одностороннюю ступицу, ориентированную к центру периодической системы, причем внутренние диаметры полюсных наконечников одинаковы.

Предлагаемая конструкция магнитной фокусирующей системы позволяет сохранить массогабаритные параметры неизменными благодаря геометрии полюсных наконечников, расположенных по обе стороны от первого магнита, и выполнения торцевой стенки магнитного экрана из немагнитного материала.

Торцевая стенка магнитного экрана в области электронной пушки выполняется из немагнитного материала с целью заведения магнитного поля в область катода. Для силовых линий магнитного поля от первого магнита торцевая стенка становится «прозрачной». Для получения контролируемого распределения магнитного поля в области катода, необходимо обеспечить зависимость амплитуды магнитного поля на катоде от величины намагниченности только первого магнита. Данная зависимость может быть достигнута путем введения в конструкцию цилиндрической части полюсного наконечника, расположенного перед первым магнитом, и дополнительного экрана в виде полого цилиндра из ферромагнитного материала с длиной l_sh≥l_m, на которой силовые линии магнитов периодической системы экранируются дополнительным экраном и не вносят значительный вклад в величину магнитного поля на катоде. При этом равномерное распределение плотности магнитного потока в зазоре первого магнита обеспечивается одинаковым наружным диаметром полюсных наконечников. Совокупность предложенных конструктивных решений позволяет минимизировать влияние магнитов периодической системы на амплитуду первого максимума, создаваемого первым магнитом, до 10%.

Величина намагниченности первого магнита может существенно отличаться от величины намагниченности магнитов периодической системы, что приводит к возникновению сильных магнитных потоков в зазоре первого магнита. С целью исключения перенасыщения ступиц полюсных наконечников, в зазоре первого магнита ступицы отсутствуют.

Таким образом, совокупность перечисленных признаков в предлагаемой конструкции МПФС обеспечивает магнитное поле в области катода от 0,03 Тл и выше. Наличие магнитного поля на катоде позволяет улучшить транспортировку электронного потока. Это в свою очередь позволяет повысить уровень выходной мощности и устранить токооседание на внутреннюю поверхность пролетного канала. Последнее приводит к уменьшению тепловой нагрузки на электродинамическую систему СВЧ-прибора.

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

- аксиально намагниченные магниты 1,

- полюсные наконечники 2,

- ступицы 3,

- магнитный экран 4,

- торцевая стенка магнитного экрана 5,

- электронная пушка 6,

- полый цилиндр из ферромагнитного материала 7,

- первый кольцевой аксиально намагниченный магнит 8,

- полюсный наконечник, расположенный перед магнитом 9,

- полюсный наконечник, расположенный после магнита 10,

- цилиндрическая часть полюсного наконечника 11.

На фиг. 2 приведет график распределения продольной компоненты магнитного фокусирующего поля В, Тл на оси системы, где: положение электронной пушки соответствует Z=-10 мм, уровень магнитного поля на катоде Вк: сплошная линия - при наличии полого цилиндра из ферромагнитного материала 7 и полюсных наконечников 9 и 10, штрихпунктирная линия - без них.

Предлагаемая магнитная периодическая фокусирующая система для СВЧ-прибора работает следующим образом. Электронная пушка 6 формирует интенсивный электронный поток электрическим полем компрессионной пушки и монотонно нарастающим от катода Вк магнитным полем. Магнитные потоки, создаваемые магнитами 1, замыкаются через ступицы 3, формируя периодическое магнитное поле с требуемыми характеристиками. Затем происходит фокусировка электронного потока магнитным периодическим полем системы и производится его транспортировка через пролетный канал до коллектора прибора.

При движении электронного потока пролетном канале электродинамической системы, хорошая фокусировка благодаря наличию магнитного поля на катоде обеспечивает условия для уменьшения токооседания на пролетный канал, что в свою очередь, существенно уменьшает тепловую нагрузку на электродинамическую систему. В отличие от прототипа повышается эффективность настройки токопрохождения в СВЧ-приборе, за счет доступа к первому магниту 8 магнитной периодической фокусирующей системы.

Пример. Магнитная периодическая фокусирующая система содержит аксиально намагниченные магниты 1, полюсные наконечники 2 со ступицами 3 и магнитный экран 4.

Все магниты выполнены из сплава самарий-кобальт и имеют внутренний диаметр 8 мм, наружный диаметр 14 мм и длину 3 мм. Значения намагниченностей магнитов 1 и 8 составляют 0,7 Тл и 0,9 Тл соответственно.

Полюсные наконечники 2, 9 и 10, а также магнитный экран 3 и полый цилиндр 7 выполнены из стали марки «Армко». Полюсные наконечники 2 выполнены в виде ступенчатых тел вращения из двух цилиндрических частей, где первая часть имеет внутренний диаметр 7 мм, наружный диаметр 11 мм и длину 1,2 мм, вторая часть с внутренним диаметром 5,5 мм, наружным диаметром 7 мм и длиной 2,6 мм. Полюсный наконечник 9 и 10 также выполнены в виде ступенчатых тел вращения из двух цилиндрических частей, с наружным диаметром 16 мм. Внутренний диаметр первой части полюсного наконечника 10 равен 7 мм с длиной 1,2 мм, а вторая часть - внутренний диаметр 5,5 мм, наружный диаметр 7 мм и длиной 1,9 мм. Первая часть полюсного наконечника 9 имеет внутренний диаметр 8 мм и длину 1,2 мм, второй частью с внутренним диаметром 14,5 мм и длиной 1,8 мм полюсный наконечник 9 закреплен в торцевой стенке магнитного экрана 5 посредством пайки.

Торцевая стенка магнитного экрана 5 выполнена из меди и имеет внутренний диаметр 5,5 мм, наружный диаметр 26 мм и длину 1,8 мм. Магнитный экран 4 размером: внутренний диаметр 23 мм, наружный диаметр 26 мм, длиной 26,04 мм. Внутренний и наружный диаметры полого цилиндра 7 одинаковые, а длина 4,66 мм.

Уровень магнитного фокусирующего поля в области электронной пушки 6 определяется намагниченностью первого магнита 8, а в регулярной части системы параметрами магнитов 1. В случае установки торцевой стенки магнитного экрана 5 из немагнитного материала и полюсных наконечников 9 и 10 в конструкцию магнитной системы СВЧ-прибора, уровень магнитного поля в области электронной пушки 6 составляет Вк=0,004 Тл. Значения намагниченностей магнита 1 и 8, а также их геометрические параметры выбирают в каждом конкретном случае, исходя из требований достижения минимального уровня магнитного поля в области электронной пушки 6 (на графике распределения продольной компоненты магнитного фокусирующего поля положение электронной пушки соответствует Z=-10 мм, уровень магнитного поля на катоде Вк сплошная линия - при наличии полого цилиндра из ферромагнитного материала 7 и полюсных наконечников 9 и 10, штрихпунктирная линия - без них, на фиг. 2).

Таким образом, использование предлагаемой конструкция магнитной периодической фокусирующей системы обладает преимуществами: улучшение токопрохождения в СВЧ-приборе, и как следствие увеличение выходной мощности и улучшение теплового режима прибора, упрощение его настройки и эксплуатации, при сохранении небольших массогабаритных параметров.

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам, в частности к магнитным периодическим фокусирующим системам (МПФС). Технический результат - улучшение токопрохождения электронного потока, уменьшение тепловой нагрузки на замедляющую систему и увеличение уровня выходной мощности СВЧ-прибора при сохранении габаритов. В магнитной фокусирующей периодической системе, состоящей из чередующихся аксиально-намагниченных магнитов, полюсных наконечников со ступицами и магнитных экранов из ферромагнитного материала, торцевая стенка магнитного экрана со стороны электронной пушки выполнена из немагнитного материала, причем в осевом направлении торцевая стенка соединена с полым цилиндром из ферромагнитного материала, расположенным со стороны периодической системы и имеющим длину l_sh ≥l_m, где l_m - продольный размер первого магнита, расположенного между полюсными наконечниками за торцевой стенкой магнитного экрана электронной пушки. Полюсные наконечники с одинаковым наружным диаметром, расположенные по обе стороны от первого магнита в области электронной пушки, выполнены в виде ступенчатых тел вращения из двух цилиндрических частей. Полюсный наконечник, расположенный перед первым магнитом, не имеет ступицы и закреплен с одной стороны в торцевой стенке магнитного экрана одной из цилиндрических частей, а полюсный наконечник, расположенный после первого магнита, имеет одностороннюю ступицу, ориентированную к центру периодической системы. 2 ил.

Магнитная периодическая фокусирующая система, состоящая из чередующихся аксиально-намагниченных магнитов, полюсных наконечников со ступицами и магнитных экранов из ферромагнитного материала, отличающаяся тем, что торцевая стенка магнитного экрана со стороны электронной пушки выполнена из немагнитного материала, причем в осевом направлении торцевая стенка соединена с полым цилиндром из ферромагнитного материала, расположенным со стороны периодической системы и имеющим длину l_sh , причем

l_sh ≥ l_m,

где l_m - продольный размер первого магнита, расположенного между полюсными наконечниками за торцевой стенкой магнитного экрана электронной пушки;

полюсные наконечники с одинаковым наружным диаметром, расположенные по обе стороны от первого магнита в области электронной пушки, выполнены в виде ступенчатых тел вращения из, по меньшей мере, двух цилиндрических частей; причем полюсный наконечник, расположенный перед первым магнитом, не имеет ступицы и закреплен с одной стороны в торцевой стенке магнитного экрана одной из цилиндрических частей; полюсный наконечник, расположенный после первого магнита, имеет одностороннюю ступицу, ориентированную к центру периодической системы, причем внутренние диаметры полюсных наконечников одинаковы.