СВЧ-ПРИБОР 0-ТИПА Советский патент 1994 года по МПК H01J25/00 H01J23/87 

Изобретение относится к электронике СВЧ, к мощным электровакуумным приборам О-типа.

Известны СВЧ-приборы О-типа с магнитной фокусировкой, в которых для формирования электронного пучка заданной конфигурации используются электронные пушки с сопровождением пучка магнитным полем. Для создания требуемого распределения магнитного поля в области пушки используются пушечные полюсные наконечники соответствующей формы.

Такие конструкции не позволяют реализовать требуемые величины и распределение продольного магнитного поля одновременно в прикатодной и прианодной областях пушки.

Несколько большими возможностями обладает в этом отношении конструкция прибора, внутри пушечного полюсного наконечника которого помещен дополнительный магнитный элемент в виде диска с центральным отверстием из магнитомягкого материала. В этой конструкции путем осевого перемещения диска относительно полюсного наконечника обеспечивается изменение величины и распределения магнитного поля в пушке.

Недостатком данной конструкции является то, что изменение поля в одной области пушки приводит к его изменению в другой части и даже к изменению распределения поля в межполюсном зазоре прибора. Другой существенный недостаток конструкции связан с тем, что введение указанного диска внутрь полюсного наконечника приводит к нарушению монотонного характера распределения поля - появляются "всплески" поля либо в пушечной области, либо на начальном участке межполюсного зазора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является СВЧ-прибор О-типа, пакетированный с постоянным магнитом, содержащий электронную пушку с катодом и электродинамическую систему, коллектор, коллекторный полюсный наконечник, пушечный полюсный наконечник с центральным отверстием в его торцевой стенке и соосно расположенный внутри центрального отверстия полюсного наконечника и разделенный с ним кольцевым зазором магнитный элемент - диск из магнитомягкого материала с отверстием в торцевой стенке, в котором закрепляется анод электронной пушки.

Диск отделен от торцевой стенки полюсного наконечника немагнитным кольцевым зазором. Диаметр центрального отверстия дополнительного элемента определяет, в основном, распределение осевого магнитного поля в прианодной области пушки, т. е. в области больших значений поля. Введение кольцевого немагнитного зазора позволяет осуществлять регулировку распределения магнитного поля в прикатодной области пушки путем выбора среднего диаметра и величины этого зазора.

Описанное устройство может быть использовано как для триодной, так и для диодной электронной пушки. В частности, в прототипе приведена конструкция электронной пушки с теневой и управляющей многодорожными сетками.

Однако для мощных приборов О-типа коротковолновой части СВЧ-диапазона, характеризующихся высокой удельной мощностью электронного пучка и малыми поперечными и продольными размерами электродов пушки, создание долговечных и надежных неперехватывающих сеток связано со значительными конструктивно-технологическими сложностями, и для указанного класса приборов в настоящее время эта задача не решена.

Наличие немагнитного кольцевого зазора в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, который может быть и вакуумным, позволяет в принципе реализовывать триодный режим работы электронной пушки, если центральное отверстие дополнительного элемента служит базой для соосной установки анода пушки, а цилиндрическая стенка пушечного полюсного наконечника является частью оболочки прибора, в которой устанавливается соосно электродинамическая система. В этом случае возможно раздельное электропитание анода пушки и электродинамической системы и тем самым независимая регулировка ускоряющего потенциала на замедляющей системе (ЗС) прибора и величина тока прибора. Последнее, в свою очередь, дает возможность регулировать в некоторых пределах такие выходные параметры прибора, как диапазон частот усиливаемого сигнала, выходная мощность, КПД и др.

Недостатком приведенной конструкции является то, что практически можно использовать лишь экраны с очень малым по величине кольцевым зазором (не более нескольких десятых долей миллиметра). При увеличении зазора происходит не только увеличение уровня поля, но и нежелательное изменение характера его распределения, нарушается закон монотонного нарастания поля от катода к аноду, появляются "всплески" поля, что приводит к изменению условий формирования пучка.

Между тем для мощных приборов разность потенциалов на ЗС и аноде пушки может достигнуть единиц и даже десятков киловольт и с этой точки зрения для предотвращения пробоев величина кольцевого зазора должна быть увеличена до нескольких миллиметров.

При таких зазорах отклонение от закона монотонного нарастания поля становится недопустимо большим.

Целью изобретения является расширение возможностей варьирования эксплуатационных и выходных параметров прибора. В результате при серийном производстве повышается процент выхода годных приборов, а также расширяется область их применения.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-приборе О-типа, пакетированном с постоянным магнитом, содержащем электронную пушку с катодом, электродинамическую систему, коллектор, пушечный полюсный наконечник с центральным отверстием в его торцевой стенке и соосно расположенный внутри центрального отверстия полюсного наконечника отделенный от него кольцевым зазором магнитный элемент из магнитомягкого материала с отверстием в торцевой стенке, согласно изобретению магнитный элемент снабжен цилиндрическим выступом, направленным в сторону катода электронной пушки, при этом высота цилиндрического выступа составляет не менее 0,5 диаметра отверстия в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, а торце магнитного элемента смещен относительно торца полюсного наконечника в сторону катода.

Для электронных пушек с сопровождением электронного пучка магнитным полем смещение торца магнитного элемента не должно превышать 0,5 толщины торцевой стенки пушечного полюсного наконечника.

На фиг. 1 изображен СВЧ-прибор О-типа; на фиг. 2 - система магнитных экранов предлагаемого устройства, а также создаваемое ею распределение магнитного поля; на фиг. 3 и 4 - кривые распределения магнитного поля.

Предлагаемый прибор (см. фиг. 1) включает в себя оболочку 1 прибора, электронную пушку 2, формирующую аксиально-симметричный пучок 3, электродинамическую систему 4 с выводами 5 энергии, магнитофокусирующую систему 6, коллекторный полюсный наконечник 7, коллектор 8 и предлагаемую систему магнитных экранов, состоящую из пушечного полюсного наконечника 9 и магнитного элемента 10, закрепленного в пушке на профилированном керамическом изоляторе 11.

На фиг. 2 схематично изображены пушечный полюсный наконечник 9, дополнительный магнитный элемент 10 с цилиндрическим выступом 12, электронная пушка с катодом 13, формирующим электродом 14, анодом 15, а также создаваемое предлагаемой системой магнитных экранов монотонное распределение продольного магнитного поля в области пушки (кривая 16).

Работа предлагаемого прибора О-типа, пакетированного с постоянным магнитом, содержащим предлагаемую систему магнитных экранов, заключается в следующем.

Электроны, эмиттированные катодом, под действием электрического и магнитного полей в области пушки формируются в электронный пучок, который проходит через пролетный канал анода, в промежутке между анодом и электродинамической системой ускоряется до потенциала последней и вводится в пролетный канал электродинамической системы, по выходе из которого попадает в коллектор.

Требуемые контур и структура электронного пучка обеспечиваются характеристиками электрических и магнитных полей в пушке. В свою очередь, характеристики электрического поля обеспечиваются выбором геометрии и размеров катода, фокусирующего электрода и анода пушки. Характеристики магнитного поля определяются размерами пушечного полюсного наконечника и дополнительного магнитного элемента, расположением их относительно друг друга и относительно магнита прибора.

Ограничение, накладываемое на высоту цилиндрического выступа магнитного элемента, было выявлено в ходе отработки предлагаемого устройства. Измерения продольных магнитных полей в области электронной пушки, полученные для различных вариантов предлагаемого устройства, показали, что при использовании магнитного элемента с цилиндрическим выступом, высота которого менее 0,5 диаметра отверстия в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, не удается полностью подавить или сгладить "всплеск" магнитого поля в области пушки. Физически это свяано с тем, что продолное магнитное поле достаточно эффективно проникает в отверстие пушечного полюсного наконечника на длину примерно 0,5 диаметра последнего. Сказанное подтверждается фиг. 3, где приведены кривые магнитного поля, получаемые при различной высоте цилиндрического выступа магнитного элемента. Кривая 17 соответствует случаю, когда высота цилиндрического выступа равна 0,3 диаметра отверстия в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, кривая 18 - случаю, когда указанная высота равна 0,5 диаметра отверстия, кривая 19 - случаю, когда указанная высота равна 0,8 диаметра отверстия.

Из приведенных кривых видно, что минимальная высота цилиндрического выступа магнитного элемента, при которой не нарушается монотонный характер нарастания магнитного поля в области пушки, равна 0,5 диаметра отверстия в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника. Увеличение высоты цилиндрического выступа не имеет принципиальных ограничений.

Величина смещения торца магнитного элемента относительно торца пушечного полюсного наконечника определяется в ходе разработки прибора и зависит от требуемого распределения продольного магнитного поля, которое необходимо получить для конкретной пушки. Как показали проведенные измерения, смещение торца магнитного элемента относительно торца пушечного полюсного наконечника больше, чем на 0,5 толщины торцевой стенки последнего, не позволяет получить резкого нарастания магнитного поля от катода к аноду пушки, что необходимо для высококомпрессионных пушек с сопровождением пучка магнитным полем. Более того, при указанном большом смещении изменяется сам характер нарастания магнитного поля в области пушки: появляется характерная "волнистость" кривой нарастания магнитного поля (см. фиг. 4). Кривая 20 на фиг. 4 соответствует случаю, когда смещение торцевой стенки магнитного элемента относительно торцевой стенки пушечного полюсного наконечника равно 0,35, кривая 21 - случаю, когда смещение равно 0,5, кривая 22 - случаю, когда смещение равно 0,7. На кривой 22 отчетливо видна "волнистость" кривой магнитного поля в области его резкого нарастания.

Фактически появление "волнистости" объясняется следующим образом. Как известно, основной спад магнитного поля приходится на торцевую стенку пушечного полюсного наконечника, а также на магнитный элемент. При большом смещении их относительно друг друга появляются как бы два участка резкого нарастания магнитного поля, один из которых соответствует торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, а другой - магнитному элементу. Эти два участка резкого нарастания и образуют наблюдаемую на фиг. 4 (кривая 22) "волнистость". Распределение магнитного поля такого вида непригодно для электронных пушек с сопровождением электронного пучка магнитным полем.

Предложенная система экранов позволяет без нарушения условий формирования пучка в широких пределах изменять скорость электронов в пролетном канале электродинамической системы прибора путем изменения потенциала последней при неизменном токе пучка или же изменять ток пучка при неизменной скорости электронов.

Необходимый интервал изменения напряжений между анодом пушки и замедляющей системой обеспечивается соответствующим выбором величины кольцевого зазора между пушечным полюсным наконечником и внутренним цилиндром. При этом, в отличие от прототипа, изменение ширины кольцевого зазора в больших пределах не приводит к нарушению монотонного характера нарастания магнитного поля в области пушки. Кроме того, электрические поля в пушке также определяются только геометрией пушки и потенциалом на аноде и не зависят от потенциала электродинамической системы, так как область пушки экранирована от электродинамической системы дополнительным цилиндрическим элементом.

Таким образом, предложенная система магнитных экранов позволяет в широких пределах регулировать выходные характеристики в готовом приборе. Последнее расширяет возможный диапазон их применения, а также дает возможность снизить брак при производстве приборов и повысить их качество.

При проверке серии однотипных приборов было обнаружено следующее. Неизбежный технологический разброс размеров при изготовлении электродинамических систем обусловливает разброс требуемых с точки зрения оптимального рассинхронизма ускоряющих напряжений. Для диодного варианта электронной пушки в базовом объекте ускоряющего напряжения неизбежно приводит к изменению рабочего тока прибора, что приводит к отклонению выходных параметров (выходная мощность, диапазон частот, усиление) от требуемых. По этой причине (несогласование скорости электронного пучка и фазовой скорости , распространяющейся в электродинамической системе волны) для указанных выше приборов брак составлял 40% .

При использовании триодного варианта пушки в предлагаемом устройстве за счет независимой регулировки ускоряющего напряжения и тока прибора удалось снизить брак по указанной причине до 10-15% . (56) Патент США N 3522469, кл. 315-35, 1970.

Ю. А. Мельников. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ приборов. М. : Сов. радио, 1967, с. 129-131.

Патент США N 3832596, кл. 315-3.5, 1974.

1. СВЧ-ПРИБОР 0-ТИПА, пакетированный с постоянным магнитом, содержащий электронную пушку с катодом, электродинамическую систему, коллектор, пушечный полюсный наконечник с центральным отверстием в его торцевой стенке и соосно расположенный внутри центрального отверстия полюсного наконечника и отделенный от него кольцевым зазором магнитный элемент из магнитомягкого материала с отверстием в торцевой стенке, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей варьирования эксплуатационных и выходных параметров прибора, магнитный элемент снабжен цилиндрическим выступом, направленным в сторону катода электронной пушки, при этом высота цилиндрического выступа составляет не менее 0,5 диаметра отверстия в торцевой стенке пушечного полюсного наконечника, а торец магнитного элемента смещен относительно торца полюсного наконечника в сторону катода. 2. СВЧ-прибор по п. 1, отличающийся тем, что смещение торца магнитного элемента не превышает 0,5 толщины торцевой стенки полюсного наконечника.