Электронная пушка Советский патент 1991 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к устройствам с автоэмиссионными катодами, и может

.найти широкое применение, например, при создании электронных приборов СВЧ и устройств, имеющий : малоевремя готовности и ненакаливаемый эффективный источник электронов.

Известна электронная пушка, содер- жащая автоэмиссионный катод, вьшол- ненный в виде острия, и анод, выполненный в виде, металлической пластины

с ocecи мeтpичным отверстием. При этом анод находится под высоким потенциалом относительно катода. Элект

;о о со о:

ронная .эмиссия в таком устройстве локализована в узком телесном угле (не .более 0,22 ср), определяемом размера;мн пятна эмиссионной активной пленки ни поверхности монокристаллического острия из тугоплавкого.металла. Бла.годаря этому уменьшаются поперечные составляющие скорости электронов потока (углы наклона траекторий граничных электронов потока составляют менее 15). Недостатком таких устройств является нестабильность автоэмиссионного тока.. Известна также электронная пушка, срдержап ая осесимметричн расположенные автоэмиссионный катод и выполненные с осесимметричными отверстиями управляющий электрод и анод. В этой пушке управляющий электрод и анод образуют электростатическую линзу, причем электроды имеют возрастающий по отношению к эмиттеру потенциал. Недостатком этого устройства является малая эффективность фокусировки, связанная с большими поперечными составляющими скорости электронов. При телесном угле раствора электронного потока с поверхности автоэмиттера 1-2 ср углы наклона траекторий гранич ных электронов потока достигают 304.5 , а соответствующая величина поперечной составляющей скорости V стано вится соизмеримой с продольной скоростью V движения электронов (Vp/Vj. - 0,5-1,0) . Указанная величина отнощения поперечной составляющей скорости к продольной более чем на порядок вьпве по сравнению с потоками, формируемыми пушками с термоэлектронным катодом. Для эффективной фокусировки потока путем подавления поперечньк скоростей электронов требуется сильное магнитное попе, что связано с увеличением ,массы и габаритов магнитной системы, а следовательно, массы и габаритов прибора в целом. Кроме того, большие поперечные скорости электронов эначительно ухудшают условия согласования потока с мапдатным полем, в результате чего ухудшается внутренняя структу ра потока: поток становится неламинар ным (с пересекающимися траекториями электронов), возрастают пульсации ег границы и, как следствие, ухудшается токопрохождение. Неламинарность струк туры и пульсации границы потока ухуд шают также шумовые характеристики приборов. Целью изобретения является увеличе1ше эффективности, фокусировки пучк электронов путем уменьшения поперечных составляющих-скоростей электронов. Цепь достигается тем, что в элект ронной пушке, содержащей осесимметри но расположенные автоэмиссионный и выполненные с осесимметричными отверстиями управляющий электрод и анод,, между управляющим электродом .и анодом введен соединенный с катодо фокусирующий электрод с осеснмметрич ным отверстием, а электроды вьпюлнены в соответствий со следующими соотнощениям размеров: t tg (0,15-0,45)D; (0,3 -0,5)D; 4 (0,15-0,25)D, Sl Se где , Ь толщины управляющего и фокусирующего электрон дов и анода соответственно;. зазоры между управлякйдами фокусирующем электродами и между фокусирующим электродом и анодом;диаметр отверстий-в электродах. На фиг.1 показаны взаимное расположение электродов пушки, схема их подключения к источнику и траектории двиг жения электронов в потоке; на фиг.2 электронная пущка с катодом в виде матрицы острий. Электронная пушка содержит автоэмиссионный катод 1 в виде острия, управляющий электрод 2, фокусирующий электрод 3 и анод 4. Управляющий электрод 2, фокусирующий электрод 3 и анод 4 вьшолнены в виде проводящих пластин, расположены последовательно вдоль оси острия катода 1 перпендикулярно ей и имеют отверстия 5, аксиальные острию. Катод 1, управляйщий электрод 2, фокусирующий электрод 3 и анод 4 между собой разделены диэлектрической прослойкой 6. Фокусирующий электрод 3 электрически соеди-, нен с катодом t. Управляющий электрод, 2 и анод 4 электрически соединены и находятся под положительным потенмралом относительно катода 1. Катод 1 может быть выполнен в виде матрицы острий (см.фиг.2). В этом случае электроды выполняются в виде металлических пленок, а зазоры - в виде диэлектрических пленок. Предложенная электронная пушка работает следующим образом. При подаче на управля|рщЕ1й электрод 2 напряжения, достаточного для.того чтобы создаваемое у вершины острия катода t электрическое поле вызвало автоэмнссиюу из отверстия 5 анода 4 вытекает электройный поток 7. Ка5 1тод 1, фокусирующий электрод 3 с нулевым потенциалом относительно катода 1, управляющий электрод 2 электрически соединенный с анодом А с положительным потенциалом V относительно катода 1, образуют электростатическую, линзу, обеспечивающую подавление поперечных составляющих скоростей электронов. Данная система электростатических линз формирует за анодом 4 электронной пушки поток 7с малыми поперечными скоростями электро нов, исходящих из острия эмиттера 1 в пределах сравнительно большого телесного угла (0,3-11,0 ср) . Такая конструкция электронной пушки обеспечивает существенное умень шение (более чем на порядок) поперечньк скоростей частиц в выходной штоскости анода 4 и улучшает эффективност .фокусировки потока. При формировании электронного потока повышенной мощности в предложенной электронной пушке с катодом , i1 в виде матрицы острий фокусировка испускаемых остриями микроструй 7 осуществляется электростатическими линэаьш, образованными обвдм управляющим электродом 2, фокусирующим электродом 3 и анодом 4 (см. фиг.2), имеющими аксиальные остриям отверстия Проведенный расчет на ЭВМ предложенной конструкции.электронной пушки показывает, что геометрические размеры пушки (фиг.1) должны удовлетворять следующими соотношениями: t (0,15-0,45)0; (0,3-0,5)D; S (0,15-0,25)D, где t.tg S толщина управляющего электрода, фокусирующего электрода-и анода соответственно;S. зазоры между управляющим и фокусирующим электродами и фокусирующим электро

дом и анодом соответственно;

D - диаметр отверстий электродов . .

Эффективность фокуси ровки потока в магнитном попе можно оценить по относительной величине среднеквадратичной поперечной составляющей скои уменьшения продольных размеров области фокусирующего поля.

Рассмотренными вьгще факторами ограничены пределы изменения геометричес55ких размеров , ) и Sj/D в соотношении (1). За пределами нижних границ области изйв.нения параметров фокусирующая cibia 6 . . рости V , где V, - среднеквадратичное значение продольной скорости. В обычных пущках с термоэлектронным .катодом величина ,1, что соответствует относительно малым углам наклона траектории ; 5°, при которьк пучок удовлетворительно согласуется с магнитным полем, достигается качественная фокусировка и высокое 1pO%) токопрохождение. Величина V /V всегда положительна (V /V 0) и при идеальной фокусировке потока (параллельных траекториях в выходной плоскости анода) V,/V. 0. Любые отклонения траекторий от параллельных в случаях недостаточной фокусировки исходящего из острия потока (слабая электрическая линза, пололмтеяьные углы наклона траекторий) или перефокусировка потока (сильная электрическая линза, отрицательные углы наклона траекторий) приводят к Vi увеличению Фокусирующая сила линзы, образованной управляющим электродом, фокусирукнарм электродом и анодом, возрастает при увеличении относительной толщины управляющего электрода (--) и анода (г), что приводит к расширению потока в области фокусирующего электрода. Фокусирующая сила линзы возрастает также, при увеличеНИИ относительной толщины фокусирующего электрода () и ширины межэлектродных зазоров Sj /D , что приводит к увеличению продольных размеров области фокусирующего поля, при увеличении фокусирующей силы линзы за счет указанных факторов про исходит перефокусировка потока. Напротив, при уменьшении этйзс napiiaMeTров фокусирующая сила линзы уменьщается. вследствие недостаточно глубокого проникновения пучка в область сильного фокусирующего поля вблизи поверхности фокусирующего электрода

линзы недостаточна для компенсации радиальной расходимости потока, а за пределами верхних гранид она слишком велика и приводит к недопустимой перефокусировке потока. Внутри указанных областей изменения параметров обеспечиваются относительно малые (в пределах, допустимых для пушек с термоэлектронньши катодами) поперечные скорости электронов в выходной ..плоскости анода , и, следовательно, достигается эффективная фокусировка потока магнитным полем

Результаты расчета величины П1 изменении параметров t./D, ,

t,/D для средней точки допустимого диапазона изменения параметра Sg/D Яриведены в табл.1. Эмиссия задана в пределах телесного угла 0,4 ср. В табл.1, вьщелена область параметров , внутри которой величина V.,1. Верхняя и нижняя стороны прямоугольника в табл.1 соответственно определяют нижнюю и верхнюю границы области изменения параметров t,/D tg/D, а левая и правая стороны - нижнюю и верхнюю границы области изменения параметра tg/D.

Т а б л и ц а- 1

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содержащая осесимметрично расположенные автоэмиссионный катод и 1 выполненные с ОСасимметричными отверстийми управляющий электрод и анод, отличающаяся тем что, с цепью увеличения эффективности фокусировки пучка электронов, мелду управляющим электродом и анодом введен соединенный с катодом фокусирующий электрод с осесимметричным отверстием, а электроды выполнены и размещены в соответствии со следующими соотношениями размеров:

Величина отношения , зависит от безразмерных геометрических параметров пушки tj/О tj,/D и tj/D. Рабочая область параметров заключена внутри вьщеленного прямоугольника, ;где /%.0,1.

Без применения предложенного устройства электронный поток, образованньй совокупностью микроструй, испускаемых многострийным автокатодом в пределах телесного угла эмиссии с . каждого острия 0,4-1 ср, обладает большими поперечными составляющими скоростями электронов (,51,0) и ярко выраженной неламинарной структурой. Выполненные расчеты, результаты которых приведены в табл.2, показывают, что для магнитной фокусировки такого потока с заданными в пределах 10-50% пульсациями требуется увеличение индукции магнитного |П051Л в t,72-3,3 раза (коэффициент Kg rf массы магнитной системы (коэффициент 1) в 2,96-10,9 раза.

Таблица 2

Увеличение индукции пол-я Kg и массы магнита необходимо для обеспечения фокусировки потока с пульсациями 0 10-50% без применения предложенного устройства. Телесный угол автоэмиссии 0,4-1 ср.

Таким образом,уст1)ойство позвопя0 ет осуществить эффективную фокусировку и существенно улучшить ламинар.HpcTt потока, испускаемого автокато;дом, без дополнительного увелич ения магнитного поля, т.е. при помощи известньк магнитных систем, используе- . мых для фокусировки потоков в электронно-оптических системах с термоэлектронными катодаья. Это значитель