КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА СВЧ Советский патент 1996 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к электротехнике СВЧ, а именно к коллекторам электронов, и может найти широкое применение в многолучевых электронных приборах СВЧ типа О в качестве коллектора-рекуператора.

Цель изобретения повышение КПД прибора за счет улучшения рекуперации энергии электронов и токопрохождения в коллекторе.

На фиг.1 дано схематическое изображение взаимного расположения электродов и магнитной системы коллектора; на фиг.2 распределение осевой составляющей магнитного поля в рабочем зазоре магнита и в области коллектора; на фиг. 3 взаимное расположение пучков в многолучевом электровакуумном приборе (ЭВП) СВЧ типа О, разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 зависимость КПД коллектора и токопрохождения на коллектор от отношения расстояния L между плоскостями торца магнита к диаметру D входного отверстия второго электрода; на фиг.5 рассчитанные на ЭВМ траектории электронов в двухэлектродном коллекторе при оптимальном (в соответствии с предлагаемым техническим решением) отношении L/D.

Как схематически показано на фиг.1, предлагаемый коллектор электронного прибора СВЧ содержит последовательно расположенные электрод 1 в виде полого цилиндра с внутренним диаметром D и электрод 2 в виде соосного цилиндра с внутренним диаметром D и коническим сужением на конце. Электроды 1, 2 выполнены из немагнитного материала, например меди. Магнитная система имеет кольцевые постоянные магниты 3, 4, магнитопроводящие экраны 5, 6, 7 дополнительный магнитопроводящий экран 8. Кольцевой магнит 3 намагничен радиально и установлен коаксиально снаружи коллектора.

Кольцевой магнит 4 намагничен в обратном радиальном направлении и установлен коаксиально снаружи пушки 9. Магнитопроводящий экран 5 обхватывает кольцевые магниты 3, 4. Магнитная система обеспечивает формирование и сопровождение многолучевого электронного потока в каналах 10 электродинамической системы 11. Магнитопроводящие экраны 6, 7 (полюсные наконечники) соответственно со стороны коллектора и пушки 9 снабжены соосными каналами 10 для многолучевого электронного потока, создаваемого пушкой 9.

Магнитное поле в области коллектора (см. фиг.2) создается потоком рассеяния от кольцевого магнита 3. Магнитный поток рассеяния имеет направление обратное потоку в рабочем зазоре магнита между полюсными наконечниками 6, 7. Зависимость осевой составляющей магнитного поля рассеяния по координате Z имеет колоколообразный характер, что обусловлено присущим радиально-намагниченным постоянным магнитам разделением магнитного потока полезный поток, направленный в пространство взаимодействия прибора с помощью экранов 5, 6, 7 и поток рассеяния, проникающий в область коллектора вследствие неполной его экранировки с помощью экранов 6, 8. В приосевой области граница разделения указанных потоков соответствует плоскости Z, в которой осевая составляющая поля обращается в нуль. Эта плоскость совпадает с выходной (по направлению движения потока) плоскостью экрана 6. Распределение магнитного поля рассеяния характеризуется симметрией относительно оси коллектора. Максимум (по абсолютной величине) поля рассеяния падает как правило с плоскостью Z_м выходного торца магнита 3.

Коллектор рекуперирует остальную энергию многолучевого электронного потока, провзаимодействовавшего с высокочастотным полем электродинамической системы 11. Многолучевой электронный поток формируется многолучевой электронной пушкой 9 и пропускается через систему соосных пролетных каналов 10 с внутренним диаметром D2а, выполненных в полюсных наконечниках 6, 7 и электродинамической системе 11; каналы размещены по периметру концентрических окружностей на расстоянии Δ один от другого (см. фиг.3).

Коллектор электронного прибора СВЧ типа О работает следующим образом.

Модулированный по скорости многолучевой электронный поток после прохождения через каналы 10 полюсного наконечника 6 попадает в область коллектора (Z>Zэ) с осесимметричным магнитным полем рассеяния. В нарастающем (по абсолютной величине) магнитном поле рассеяния парциальные пучки многолучевого потока в соответствии с теоремой Буша начинают вращаться относительно оси симметрии Z коллектора с возрастающей (пропорционально индукции поля В_z) угловой скоростью θ , где отношение заряда электрода к его массе. При этом пропорционально величине радиусов центров пучков увеличивается их линейная скорость вращения V_θ r, одинаковая для всех электронных пучков, центры которых расположены на одной окружности. Электронные пучки фокусируются магнитным полем, при этом уменьшается их продольная скорость движения. Максимальное торможение пучки испытывают в плоскости Z_м при приближении к максимуму поля рассеяния (В_макс). При определенной величине (В_макс.) наиболее замедленные высокочастотным полем электроны (обладающие наименьшей кинетической энергией) могут прекратить поступательное движение в направлении второго электрода и отразиться на экран 6, что снижает эффективность рекуперации. Предельная величина поля рассеяния (В_макс.) зависит от многих факторов: степени радиального расширения многолучевого потока в области поля рассеяния, потенциала электродинамической системы (анода) V_о, потенциала первого электрода коллектора V₁ суммарного первеанса многолучевого потока P_Σ=I_Σ/ /V3/2o

(I суммарный ток всех пучков) и, наконец, от влияния объемного заряда. С учетом всех перечисленных факторов величина (В_макс.) определяется путем расчета на ЭВМ. При этом может быть изменена конфигурация полюсного наконечника 6 и коллекторного экрана 8 таким образом, чтобы выполнялось условие (/B_макс.</В_макс.) прохождения многолучевого потока без отражения на электрод 2 коллектора с более низким потенциалом. При выполнении указанного условия увеличение относительного расстояния L/D от плоскости выходного торца магнита до зазора между электродами 1, 2 приводит к росту КПД коллектора η_к, равного отношению мощности Р_возв.возвращенной в источник питания, к мощности Р_о пучка на входе в коллектор η_к=Р_возв/P_o=(P_o-Р_р)/P_o, где Р_о мощность рассеяния, выделяющаяся на внутренней поверхности коллектора (см. фиг.4). Это свидетельствует об уменьшении влияния электрического поля электрода 2 на электрическое поле электрода 1 в области максимума магнитного поля (плоскость Z_м), т. е. о связи между пространственным разделением магнитной линзы (с колоколообразным распределением магнитного поля) и электрической линзы (образованной разнопотенциальными электродами 1, 2) и величиной отраженного потока.

Расчеты на ЭВМ показывают, что при выполнении предлагаемого технического решения (т. е. выполнении условия 1 ≅ ≅ 3 коллекторный КПД электронного прибора СВЧ типа О достигает максимального значения (≈ 70%) при высоком токопрохождении (98-100%). Повышение коллекторного КПД приводит к общей сложности к увеличению КПД прибора η в соответствии с известным соотношением
η , где η_е электронный КПД;
η_пот КПД потерь, определяемый высокочастотными потерями и токооседанием на электродинамическую систему 11 и электрически связанные с ней полюсные наконечники 6, 7.

КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА СВЧ, содержащий соосно расположенные два разнопотенциальных полых электрода и магнит, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД прибора за счет улучшения рекуперации энергии электронов в коллекторе, второй по направлению движения электронного потока электрод размещен за торцом магнита, при этом величина расстояния L между плоскостями выходного торца магнита и входного отверстия второго электрода определяется выражением
1 < L / D < 3,
где D - диаметр входного отверстия второго электрода.

КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА СВЧ, содержащий соосно расположенные два разнопотенциальных полых электрода и магнит, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД прибора за счет улучшения рекуперации энергии электронов в коллекторе, второй по направлению движения электронного потока электрод размещен за торцом магнита, при этом величина расстояния L между плоскостями выходного торца магнита и входного отверстия второго электрода определяется выражением
1 < L / D < 3,
где D - диаметр входного отверстия второго электрода.