ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЙ РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВ СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА С МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ Советский патент 1996 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к электронике СВЧ, а именно к одноступенчатым коллекторам электронов, и может найти широкое применение в изделиях электронной техники в качестве коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов в однолучевых и многолучевых СВЧ-приборах О-типа.

Целью изобретения является повышение токопрохождения на коллектор и уменьшение потребления мощности и массы и габаритов рекуператора.

На фиг. 1 показано взаимное расположение электродов и магнитной системы коллектора; распределение продольной составляющей магнитного поля вдоль коллектора; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1 (взаимное расположение отверстий в дополнительном магнитном экране для пропускания многолучевого потока).

Как схематически показано на фиг. 1, предложенный коллектор содержит полый цилиндрический коллектор 1 с коническим сужением на конце из немагнитного материала, например, меди. Магнитная система со стороны коллектора содержит кольцевой радиально намагниченный магнит 2 и цилиндрические магнитные экраны 3, 4, установленные коаксиально снаружи коллектора, а также дополнительный магнитный экран 5 в виде стакана из магнитомягкого материала под потенциалом электродинамической системы 6, в донышке которого для пропускания пучков многолучевого потока выполнен ряд отверстий 7, центры которых расположены на концентрических окружностях относительно оси симметрии коллектора (фиг. 2). На внутренней поверхности коллектора выполнен кольцевой выступ 8, расположенный зеркально симметрично относительно плоскости выходного торца магнита 2. Коллектор электрически изолирован от дополнительного магнитного экрана 5 (электродинамической системы 6) с помощью диэлектрической прокладки 9. Участок торможения электронов расположен между выходной (по ходу движения электронов) плоскостью центральной части дополнительного магнитного экрана 5 и входной торцовой плоскостью коллектора 1. Магнитное поле в области коллектора создается потоком рассеяния от кольцевого магнита 2. Распределение осевой составляющей магнитного поля В_z(Z) вдоль коллектора имеет колоколообразный характер с максимумом индукции магнитного поля β_макс, расположенным вблизи плоскости выходного торца магнита.

Одноступенчатый осесимметричный рекуператор энергии электронов работает следующим образом.

Модулированный по скорости многолучевой электронный поток проходит через отверстия 7 в дополнительном экране 5, участок тормозящего поля и попадает в полость коллектора 1.

В нарастающем (по абсолютной величине) магнитном поле рассеяния парциальные пучки многолучевого потока начинают закручиваться относительно оси Z симметрии коллектора в соответствии с теоремой Буша. При этом линейная скорость V_θ вращения парциальных пучков относительно оси Z (θ) индекс угловой координаты) пропорциональна индукции магнитного поля В_z(Z) и расстоянию r от центра парциального пучка до оси Z а именно v_θ η , где η отношение заряда электрона е к его массе m. Так как в многолучевых потоках расстояние центров парциальных пучков до оси Z намного больше радиуса парциального канала (что не имеет места в однолучевых приборах), а величина магнитного поля рассеяния для радиально намагниченных постоянных магнитов велика (величина максимума индукции поля рассеяния В_макс. составляет 0,2-0,4 от индукции поля в рабочем зазоре), то линейная скорость V_θ оказывается не малой по сравнению с продольной скоростью V_z. Из-за появления вращательной скорости V_θ в силу закона сохранения энергии уменьшается продольная скорость V_z и пpоявлется сила Лоренца = e [(Z)] направленная по радиусу к оси Z и фокусирующая парциальные пучки по направлению к оси Z в область с относительно малыми поперечными размерами (по сравнению с диаметром Д цилиндрического коллектора 1). В этой области увеличивается плотность пространственного заряда (вследствие продольного торможения электронов и радиальной фокусировки парциальных пучков) и понижается потенциал. С помощью кольцевого выступа, выполненного в определенном месте на внутренней поверхности коллектора, а именно, расположенного симметрично относительно плоскости выходного торца магнита в области интенсивного магнитного поля рассеяния, провисание потенциала внутри коллектора уменьшается и создаются таким образом условия, при которых наиболее замедленные высокочастотным полем электроны преодолевают потенциальный барьер и проходят вглубь коллекторной полости, не отражаясь на дополнительный экран 5 (электродинамическую систему 6). Это приводит к увеличению токопрохождения на коллектор и повышению КПД прибора, которые связаны между собой соотношением
η , (1) где κ коэффициент токопрохождения на коллектор, равный отношению тока коллектора к току пучка на входе в коллектор, η_e электронный КПД, V₁,V₂ потенциалы коллектора и электродинамической системы соответственно.

Местоположение и геометрические размеры кольцевого выступа задаются таким образом, чтобы обеспечить наиболее полную компенсацию влияния пространственного заряда многолучевого потока и тем самым повысить потенциал в коллекторной полости, занятой электронным потоком без ухудшения теплового режима коллектора.

Проведенные оценки показывают, что величина внутреннего диаметра D_вкольцевого выступа зависит от микропервеанса пучка P_μ, глубины рекуперации, потенциала электродинамической системы V₀ и эффективного значения магнитного поля В_эфф в области коллектора. Для многолучевых приборов относительная величина внутреннего диаметра кольцевого выступа находится в пределах
0,5-0,8, (2) где D величина внутреннего диаметра цилиндрического коллектора (нормирующий множитель).

Местоположение в продольный размер L_в кольцевого выступа выбираются в соответствии с местоположением и протяженностью области пониженного потенциала за счет пространственного заряда пучка.

Максимальное повышение плотности пространственного заряда и обусловленное им понижение потенциала имеют место вблизи плоскости Z=Z_м, соответствующей максимуму поля рассеяния В_z(Z)=В_макс и совпадающей с плоскостью выходного торца магнита 2. Продольный размер области с пониженным потенциалом, как показали расчеты на ЭВМ, примерно соответствуют отрезку на оси Z, в пределах которого В_z(Z)≥0,75 (В_макс), что соответствует 1,0-3,0 диаметрам внутренней полости D цилиндрического коллектора. Поэтому кольцевой выступ следует расположить зеркально симметрично относительно плоскости выходного торца магнита 2, а осевую длину выступа выбрать в пределах
1-3 (3)
Увеличение L_в сверх указанного верхнего предела приводит к неоправданно большому уменьшению внутренней поверхности коллектора, облучаемой электронным потоком, и увеличению его тепловой нагрузки. Напротив, при малой длине кольцевого выступа, меньшей нижнего предела, возникает опасность теплового перегрева и расплавления самого кольцевого выступа, особенно в приборах коротковолнового диапазона длин волн.

Для лучшей компенсации поля пространственного заряда на входном участке коллектора (путем приближения проводящей стенки коллектора к границе электронного потока), а также более глубокого подавления отраженных и вторично-эмиссионных электронов, входной участок коллектора целесообразно выполнить в форме усеченного конуса, расположенного меньшим основанием в сторону электродинамической системы.

Предлагаемая конструкция одноступенчатого осесимметричного рекуператора энергии электронов СВЧ-прибора О-типа позволяет:
уменьшить тепловую нагрузку на электродинамическую систему, электрически связанную с дополнительным магнитным экраном;
снизить мощность источников питания прибора;
уменьшить потребляемую прибором мощность.

Наряду с этим предлагаемое техническое решение позволяет улучшить массогабаритные параметры многолучевых электронных СВЧ-приборов О-типа за счет применения магнитной системы с радиальным намагничиванием, отличающийся относительно малыми массой и габаритами.

Предлагаемое техническое решение позволяет также повысить токопрохождение на коллектор и КПД многолучевых СВЧ-приборов О-типа с повышенным уровнем выходной мощности, в которых используются высокопервеансные электронные потоки P_μ= 2-3 и необходимыедля их фокусировки интенсивные магнитные поля в рабочем зазоре.

Изобретение относится к области электронной техники. Целью изобретения является повышение токопрохождения на коллектор, уменьшение потребляемой мощности и массы и габаритов рекуператора. Рекуператор энергии - электронов содержит цилиндрический коллектор 1 из немагнитного материала, магнит 2, цилиндрические магнитные экраны 3 и 4 и дополнительный экран 5 в виде стакана из магнитомягкого материала. Внутренняя цилиндрическая поверхность коллектора 1 снабжена кольцевым выступом 8, выполненным в соответствии с соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Изобретение позволяет уменьшить тепловую нагрузку на электродинамическую систему, электрически связанную с дополнительным магнитным экраном, снизить мощность источников питания, уменьшить потребляемую прибором мощность. Кроме того, изобретение позволит повысить токопрохождение на коллектор и КПД многолучевых СВЧ-приборов О-типа. 2 ил.

ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЙ РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВ СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА С МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ, содержащий полый цилиндрический коллектор из немагнитного материала, магнит и цилиндрический магнитный экран, установленные коаксиально снаружи коллектора, и дополнительный магнитный экран в виде стакана из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения токопрохождения на коллектор, уменьшения потребляемой мощности, массы и габаритов рекуператора, внутренняя цилиндрическая поверхность коллектора снабжена кольцевым выступом, расположенным зеркально-симметрично относительно плоскости выходного торца магнита, выполненным в соответствии со следующими выражениями:
0,5 ≅ D_b / D ≅ 0,8;
1 ≅ L_b / D ≅ 3,
где D_b, L_b - внутренний диаметр и осевая длина выступа, м;
D - внутренний диаметр коллектора, м.