Электронная пушка для СВЧ-приборов Советский патент 1991 года по МПК H01J23/06 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП), работающим в наиболее коротковолновом диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пущки, формирующие трубчатые электронные потоки.

Известна электронная пушка диод-, кого типа для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого электронного потока с частичной экранировкой катода от магнитного поля, содержащая катодный узел с кольцевой эмит ирующей йоверхностью, фокусирующие электроды.

ьо

)

анод и устройство для создания маг-vjнитного поля.

00

Основной недостаток указанной пугоооки состоит в том, что вращательная энергия формируемого ею трубчатого потока пренебрежимо мала по сравнению с полной энергией потока, что не позволяет практически использовать ее в мощных ЭВП с цикпотро.нным резонансом типа пенионтрон.

Наиболее близким техническим ре- шением к изобретению является пушка диодного типа, формирующая в магнитном поле тонкостенньй трубчятый электронный поток, вращаюшийсч типситр но ОСИ пушки с цик.потриино 1 частото и заданной эмергие вращлтегптного движения. . Однако пушка содержит катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверх ностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитног поля. Для повышения доли энергии вращательного движения трубчатого поугока с циклотронной частотой отно сительно оси пушки эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного кону са, повернутого больщим основанием аноду, причем угол между осью пушки и образующей конуса составляет от 20 до 50°, а средний даметр катода определен соотношением ,55.,(1) СВоВ где D. - средний диаметр катода, MJ К - з-аданная величина отношени энергии вращательного движения к полной энергии пот ка, равная (0,5-0,85)у V - потенциал анода, в; BQ - индикация магнитного поля в канале дрейфа, TJ В - индукция магнитного поля на катоде, т. Недостаток указанной пушки- заключается в том, что при реализации ее в наиболее коротковолновой части СВЧ диапазона в связи с уменьшением ее геометрических размеров и. увеличением индукции магнитного поля в канале дрейфа возникают следующее проблемы. 1)Диодная пушка имеет относител но короткую (2-4 мм) длину переходной области, в связи с чем возникаю трудности реализации магнитной системы,. об еспечивающей при высоком уровне индукции магнитного поля в канале (л0,8 т) высокую (0,2 0,4 т/мм) крутизну нарастания поля в переходной области, что в конечно итоге значительно усложняет, а иног да и вовсе исключает возможность со дания диодных пушек с указанными :йвЬйствами в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ. 2)В диодной пушке невозможна электрическая подстройка согласования потока с магнитным полем без из менения первеанса потока в связи с чем возникает необходимость задания жестких допусков на изготовление эломентов конструк1ц-1и пушки и на ее сборку, обеспечение которых в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ сталкивается со значительными трудностями . Целью изобретения является упрощение технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкций мaг штнoй системы за счет увеличения фокусного расстояния, а также обеспечение электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем. Цель достигается тем, что в электронной пушке, формирующей в магнитном поле трубчатый.электронный поток, вращающийся относительно оси пушки с циклотронной частотой, содержащей катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, между Катодом и анодом по,следовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полного цилиндра со ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром Bg и обращенного торцом с поверхностью наименьшего диаметра D в сторону катода, при этом диаметры D;j и D определены соотношениями1,,4 1,4 2 2,2 а где Dg - внешний диаметр анода. Изобретение поясняется чертежом, где изображено взаимное расположение электродов пушки и конфигурация электронного потока. Предложенное устройство имеет катодный узел с кольцевой эмиттирую щей поверхностью 1, фокусирующие электроды 2,3, ускоряювяй электрод 4, согласующий электрод 5 и анод 6, Согласующий электрод 5 обеспечивает электростатическую подфокусировку трубчатого потока 7 и согласование потока с магнитным полем при слабой крутизне нарастания поля (0,050,1 т/мм) в переходной области. Ускоряющий электрод 4 обеспечивает заданную величину первеанса практически независимо от потенциалов и пол.ожения согласующего электрода и а кода. Наличие в конструкции пушки согласующего и ускорянчцего электродов позволяет разделить две функции управления и формирования потока с заданным первеансом - между различны ми электродами пушки что облегчает процесс настройки пушки при заданном распределении магнитного поля в переходной области и конструктивнотехнологических ходах межэлектродных расстояний. Согласующий электрод 5 делит пушк на две изолированные друг от друга области поля (электрические линзы): прикатодную из электродов 1,2,3,4 и прианодную (иммерсионную) линзу, сос тоящую из .электродов 5,6. Оптическая сила прианодной иммерсионной линзы определяется потенциалами и конфигурацией образующих ее электродов - внешним диаметром D,. анода 6, диаметрами D, и D внутрен них цилиндрических поверхностей согласующего электрода 5, расстоянием bZjjp между торцами анода. 6 и согласующего электрода 5., При оптимальном выборе указанных параметров линза обеспечивает магнит ное сопровождение потока на участке В при начальных углах ветрела потока в плоскости согласующего йлектрода 5-10. Расчет оптимальных параметров иммерсионной линзы проводился- численным методом на ЭВМ. Критерием оптимальности служит величина пульсаций границы потока в канале дрейфа при сохранении преобладающей доли энергии вращательного движения (к 0,5-0,85).. Относительное рассто ние между торцом анода и внутренней частью торцовой поверхности согласующего электрода выбирается минимальным ( 0,4) из условий дос тижения требуемой оптической силы иммерсионной линзы и обеспечения элект рической прочности межэлектродного пр мекутка анод - согласующий электрод Из результатов машинного эксперимента следует, что максимальная величиD D2. на параметров -- и -г- ограничена а О предельно допустимой величиной пульсации границы потока в канале дрейфа Пульсациям ,57, - предельным с точки зрения эффективности взаимодействия потока с высокочастотным полем в приборе типа пениотрон, соответствуют максимальные значения параметров (5i) 1.4 Dg WOKC DO ААОКС D Минимальная величина параметра ограничена заданной сходимостью потока. Для проходимости потока по площади , обычно используемой в пушках приборов типа пениотрон она равна (5iy 1 Р(, мин Минимальная величина параметра -ограничена электрической прочностью межэлектродного промежутка согласующий электрод - анод. В 3-миллиметровом диапазоне длин волн при про 10 -, анодбивном напряжении R прмм ном напряжении V 10 кВ, внешнем диаметре анода D 5 мм из соотношенияР 2у пр- Dj- DO следует, что 1 . 2V(KB) (Di) DO Таким образом, для обеспечения оптимальных условий работы прианодной линзы (с точки зрения согласования п.отока с магнитным полем) геометрические параметры ее должны удовлетворять следующим соотношениям: 1,0.С1,.4 где D - внешний диаметр анода. Предложенное устройство работает следующим образом. Кольцевая поверхность 1 катодного узла эмиттирует электроны, которые формируются в трубчатый поток 7. ,1годаря выбору среднего диаметра D эмиттируницей кольцевой поверхности в соответствии с конструктивным признаком (1) и выполнению ее в виде бокорой поверхности усеченного конуса, повернутого бопыпим основанием к катоду с углом между осью пушки и образующей конуса С. 20-50, обеспе чивается вращение потока относительн оси пугаки с циклотронной частотой и заданной величиной отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока. Потенциалом ускоряющего электрода 4 и геометрией электродов прикатодной области подбирается требуемая величина первеанса потока, а также достигаются условия оптимального ввода потока (под углом 5-10 ) в область слабого градиента электрического поля между ускоряющим А и согласующим 3 электродами. Элект рическое поле иммерсионной линзы, образованной согласующим электродом 5 и анодом 6, создает фокусирующую силу, направленную к центру потока противоположно направлению расфокуси руюших сил, обусловленных влиянием объемного заряда и вращения потока относительно оси пушки (центробежная сила) , благодаря чему осуществля ется дальнейшая компрессия потока до заданного диаметра и увеличивается фокусное расстояние пушки. Выбор геометрических размеров согласующего электрода 5 в соответствии с конс руктивным признаком (2) обеспечивает минимальные пульсации потока ( при высоком уровне энергии вращатель ного движения электронов (k -0,8), необходимом -для эффективного взаимоействия потока с высокочастотным поем в приборах с циклотронным резонансом типа пениотрон. Применение предложенной пушки позволяет формировать трубчатые электронные потоки с малыми поперечными размерами, низким уровнем пульсаций и большой энергией вращательного движения для мощных ЭВП с циклотронным резонансом (типа пениотрон), работающих в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ с высоким КПД ,50%, Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других технических преимуществ . Во-первыХ}электрическая подстройка согласования потока с магнитным позволяет избежать крайне нежелательного в наиболее коротковолновой области СВЧ сужения поля допусков на размеры электродов пушки и межэлектродные расстояния, что должно значительно упростить и удешевить процесс изготовления таких пущек. Во-вторых, увеличение фокусного расстояния пушки и связанное с ним удлинение переходной области.значительно облегчает проектирование самой магнитной системы, так как требование к величине крутизны магнитного поля в переходной области является одним из наиболее важных (определяюшкх конструкцию) требований для магнитных систем с высоким уровнем индукции магнитного поля в рабочем зазоре. В целом предложенное устройство позволяет повысить выходную мощность и КПД усилительных и генераторных СВЧ приборов наиболее коротковолновой части СВЧ диапазона. BijOiriH.ed. i zoomed.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ СВЧ ПРИБОРОВ, содержащая катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, отличающаяся тем, что, с цепью упрощения технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкции магнитной системы за счет увеяиче- НИН фокусного расстояния, а также обеспечения электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем, между катодом и анодом последовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полого цилиндра со ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром D- и обращенного торцом с поверхностью наименьшего диаметра D в сторону катода, при этом диаметры D определены соотношениями 1,0 D с 1,4, § (Л 1,4 с 5-.2.2 где Dq - внешний диаметр анода.