Трехэлектродная электронная пушка с продольной компрессией Советский патент 1980 года по МПК H01J29/48 

мость в увеличении радиальных и осевых размеров изоляторов для достижения необходимой электрической прочности. Расиоложение элементов, являющихся источниками исиарения загрязиеиий (катод, поверхности аиертур диафрагм), внутри изоляторов снижает электрическую прочность и сокращает срок службы. Поэтому в известных иушках катод и диафрагмы, как иравило, выиеееиы за пределы изоляторов в осевом иаиравлеиии на цилиндрических ироводящих элементах за счет увеличения габаритов пушки. В некоторых конструкциях дополнительно применяются конструктивные меры, обеспечивающие защиту изоляторов от наныления также за счет увеличения габаритов пушки. Известна трехэлектродная электронная пушка с иродольиой комиресеией, содержащая катодный узел, ускоряющую и замедляющую диафрагмы и изоляторы 2. Недостатком известной пушки является то, что для обеспечения необходимой электрической прочности конструкция имеет большие осевые и поперечные размеры. Вместе с тем в большинстве елучаев, и в особенности в СВЧ-приборах миллиметрового и субмиллнметрового диапазонов, в которых для фокусировки пучков в основиом применяется ограничение пучков магнитным полем, этот фактор имеет большое зпачение. Принципы разработки современных малогабаритных магнитных фокусирующих систем (МФС) для приборов бортовой аииаратуры на магпитожестких материалах с постоянной намагниченностью выдвигают требования миннмальных габарнтов само о прибора. Усиление магнитного поля в раоо чем зазоре и уменьшение веса и габаритов МФС достигается в этом случае за счет размещения магнитов с различными панравлениями намагниченности в непосредственной близости от корпуса прибора как в осевом, так и в поперечном направлениях. В известпой электронной нушке изолятор между первой и второй диафрагмами имеет кольцевую форму и расположен вокруг корпуса первой диафрагмы. При этом уменьшеиие поперечных размеров пушки вызывает необходимость в увеличеиии осевых размеров изолятора между катодным узлом и первой диафрагмой для обеспечения его поверхностной электрической прочности. Увеличение новёрхности изолятора, развитой осевом направлении, в замкнутом объеме корпуса диафрагмы вызвало в известпой конструкции пеобходимость в применепии специальных мер для защиты от напылений и примепения деталей сложной конфигурации, увеличивающих осевую длину пушки. Осевой и поперечный размеры известной пущки увеличены также за счет обязательного применения посадочного стакана, в котором установлен корпус первой диафрагмы. РЬвеетпая конструкция принципиально допускает расположение изолятора между диафрагмами ие вокруг корпуеа первой диафрагмы, а над ее плоскостью, однако при этом осевые размеры пушки увеличиваются, а иоперечныс из-за наличия посадочного стакана пе изменяются. Уменьшение размеров нзвеетной пушки затруднено также тем, что в ней к изолятору между катодным узлом и нервой днафрагмой ирикладываетея все нанряжеиие между этими электродами, имеющее наибольшую величину в схеме электрического питания пушек с нродольной компрессией и являюшееся суммой иапряжений двух источников нанряжения. Это вызывает пеобходимость в увеличении осевых и поперечпых размеров изолятора, а следовательно, п пушки. Уменьшепие размеров известпой пушки затрудиено, кроме того, тем, что цилиндрический изолятор между катодным узлом и иервой диафрагмой имеет большие поверхности соприкосновения с электродами по цилипдрическим поверхностям и большую велпчииу объема, в котором (в радиальном направлении) протекают токи проводимости. Это также приводит к увеличению размеров пушки. Увеличение размеров известной пушки обусловлеио также тем, что для ее крепления в электровакуумном приборе необходнмо применять крепежный фланец, являющийся частью второй диафрагмы и выступающий за иределы полезного объема пушки. Целью изобретеиия является уменьшение размеров электронной пушки при сохраиении электрической прочиосттт. Поставленная цель дос.;.гастся тем, что катодиый узел и ускоряющая диафрагма закреплены консольно на изоляторах, выполиенных в виде стержней, укреиленных на замедляющей диафрагме в плоскости, перпепдикуляриой оси иушки, и расиоложенных по разиые стороны от плоскости, ироходящей через эту ось. Наиболее целесообразна такая конструкция предлагаемой пушки, в которой изоляторы имеют форму прямоугольных параллелепипедов и закреплены концами на опорных выступах замедляющей (второй) диафрагмы. На фиг. 1 - изображена пущка, поперечный разрез; па фиг. 2 -- то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, вид сбоку; на фиг. 4 - разрез Б-Б иа фиг. 2; на фиг. 5 - схематичеекое сравненне предлагаемой конструкции пушки с известной конструкцией по электрической прочности; на фиг. 6 - изоятор известной пушки (узел I па фиг. 5); иа фиг. 7 - распределение потенциала V о оси OZ электронно-оптической системы с трехэлектродиой пушкой и схема ее элекрического питания; на фиг. 8 - напряения, прикладываемые к изоляторам известпой пушки; на фиг. 9 - напряжения, прикладываемые к изоляторам предлагаемой пушки; на фиг. 10 - конструкция пушки для формирования аксиальио-симметрпчиых пучков.

Предлагаемая электронная пушка состоит (фиг. 1) из катодного узла 1, включающего в себя катод с подогревателем, первой диафрагмы 2, второй диафрагмы 3, пзолятора 4 катодного узла и изолятора 5 первой диафрагмы. Катодный узел 1 с помошью держателя 6 конеольно закреплен на изоляторе 4, причем держатель 6 выполняет также функцию прикатодного электрода. Первая диафрагма 2 конеольно закреплена на изоляторе 5.

Изоляторы 4 и 5 имеют иротяжеииую форму в направлении, перпендикулярном к продольной оси 7 пушки, совпадающей с осью пучка. Изоляторы 4 и 5 расположены но разные стороны от воображаемой плоскости, проходящей через ось 7 пушки, при этом проекции изоляторов 4 и 5 на вторую диафрагму 3 не пересекаются. Концы каждого из изоляторов 4 и 5 закреплены на второй диафрагме 3 с помощью уголковых ламелей 8 (фиг. 2). Во второй диафрагме 3 выполиены отверстия 9 для крепления пушки в приборе. Иа изоляторе 4 катодиого узла 1 распо.южеи накальный вывод 10.

Наиболее оитимальна для достнжения поставленно цели коиструкция пущки, в которой изоляторы 4 и 5 имеют форму ирямоугольных параллелепипедов, параллельиых между собой, и опираются концамп широких граией на выступы 11 второй диафрагмы 3. Каждый из выступов 11 имеет две опорные плоскости, каждая - для одиого из изоляторов 4 или 5. Опорные плоекоети выступов 11 перпендикулярны к оси 7 пушки.

В предлагаемой электроииой иушке коисольиое крепление электродов к нзоляторам 4, 5, протяженным в направлении, нерпепдикулярном к оси 7 пушки, позволяет уменьшить ее осевые и поперечные размеры. Возможиость такого умеиьшения обусловлена несколькими факторами (фиг. 5).

В известной конструкции объемная электрическая прочность изолятора 4 между катодным узлом е ирикатодным электродом (держателем) 6 и иервой диафрагмой 2 оиределяется расстоянием Л. Объемная прочность нзолятора 4 предлагаемой пушкн - расстояннем /4, причем А всегда значительно больше А. Протяженная форма изолятора 4 н консольное крепление катодного узла 1 иозволяют применить изолятор 4 с понеречиым сечением, в 10-50 раз меньшим, чем в известной пушке. Это уменьшает поверхность соприкосновения нзолятора с электродами в местах крепления, увеличивает сопротивление изолятора 4 и увеличивает его электрическую прочность, благодаря чему возникает принципиальная возможность уменьшения и поперечного размера пушки при той л{е электрической прочиости. При этом поверхностная электрическая прочность, определяемая в известной конструкции расстоянием, прнближенно равным ( + с, остается ирежией или увеличивается (фиг. 6).

В известной пушке прочность изоляции между первой и второй диафрагмами 2 и 6 определяется размером В. Из фиг. 5 видно,

что в предлагаемой конструкции размер С изолятора 5 первой диафрагмы 2 может превышать размер В в несколько раз при условии сохранения прел-сней электрической прочности или ее увеличения. При этом

увеличение электричеекой прочности (объемной за счет уменьшения сечения и поверхностной за счет увеличенного размера ) достигается при уменьшении осевой длины пушки, поскольку изолятор вытянут в направлепии, перпендикулярном к ее оси.

Умеиьшенпе размеров в предлагаемой пушке по сравнению с известной достигается при консольном креплении электродов и

размеп,енип изоляторов 4 и 5 ио разные стороны от воображаемой илоскости, проходящей через ось 7 пушки. В этом случае ироекции изоляторов 4 и 5 на вторую диафрагму 3 не пересекаются н становится

возможным расположить их на минимальном расстоянии от второй диафрагмы 3 на одиом или близких уровиях ио отношению к ней. При таком раеположеиии изоляторы ие выступают в осевом направленни за предель катодиого узла нущкн. Поэтому в отличие от известной в предлагаемой пушке осевые размеры определяются только осевыми размерами электродов, катодного узла и междуэлектродиыми зазорами.

Размеры иредлагаемой пушки уменьшеиы по сравиеиию с известной также потому, что в ней изоляторы 4 и 5 вынесены в сторону от узлов и деталей, являющихся источниками продуктов исиарення (катодный

узел 1, аиертуры диафрагм 2, 3), а все детали пушки ири указанном их расположении находятся в объеме, открытом для откачки газов н и аров. Поэтому в предлагаемой конструкщи при той же электрической

прочиости отсутствует необходимость нримеиеиия противонанылнтельных элементов, увеличивающих габариты в известной пушке.

Консольное крепление электродов 1 и 2

иушки и форма изоляторов 4 и 5 позволяют уменьшить поперечные размеры иушки за счет ее крепления в приборах с помощью отверстий 9, расположенных в пределах второй днафрагмы (в известной

пушке - специальный ф|ланец).

Существенным фактором в уменьщении размеров предлагаемой пушки ио сравнеиию с известной является то, что каждый из изоляторов 4 и Б закреплен концами на

второй диафрагме 3 пушки.

Для пояснения этого фактора необходимо рассмотреть распределение электрического потенциала по оси в предлагаемой пушке и схему ее электрического питаиия (фиг. 7).

Вторая диафрагма 3 иушки соединяется с корпусом прибора или коллектором 12 и заземляется. На первую диафрагму 2 отиосптельио «земли подается положительный потенциал (Ki-Vo) от маломощного высоковольтного источника ИП (так как ток в цепи первой диафрагмы приблизительно равен нулю). На катод 1 пушки относительно «земли подается отрицательный потенциал - 1/2 от мошного источника ИПа. Энергия электронов определяется величиной е-1/2, где е - заряд электрона, а полезная мош,ность пучка равна /е-1/2. Ток пучка /с зависит от суммы напряжений, создаваемых обоими источниками. Такая схема электрического питания пушек с продольной компрессией является наиболее целесообразной с энергетической точки зрения и единственной практически применяемой схемой, поскольку всю полезную мош;ность обеспечивает низковольтный источник.

В известной пушке (фиг. 8) все напряжение 1/1 между катодом i и первой диафрагмой 2 от обоих источников питания ИП и ИП2, являюшееся наибольшим в схеме, приложено к изолятору 4. К изолятору 5 приложено напряжение (). Это обусловлено тем, что изолятор 4 в известной конструкции расположен внутри корпуса первой диафрагмы 2.

В предлагаемой пушке (фиг. 9) напрял ение V прикладывается к двум последовательно соединенным изоляторам 4 и 5, так как катод 1 и первая диафрагма 2 п отдельности изолируются от второй диафрагмы 3. К изолятору 4 прикладывается только часть напряжения Уь равная 1/2, а к изолятору 5 такое же, как и в известной конструкции, напряжение (V,-Т/з)

Следует отметить, что с точки зрения электрической прочности изоляция катода 1 от первой диафрагмы 2 является наиболее важным фактором в конструкции пзшки. Это связано как с наибольшей величиной прикладываемого напряжения, так и с тем, что изолятор 4 соприкасается с высокоте.мпературнымп деталями катодного узла 1 и наиболее близко расположен к катоду.

Таким образом, в предлагаемой пушке за счет уменьшения величины напряжения, прикладываемого к изолятору 4, можно значительно уменьшить размеры пушки. Это приводит главным образом к сокращению ее поперечных размеров.

Таким образом, совокупность перечисленных факторов в предлагаемой пушке по сравнению с известной позволяет уменьшить ее осевые и поперечные размеры при сохранении электрической прочности.

Наиболее оптимальной с точки зрения уменьшения размеров и технологичности является конструкция предлагаемой пушки, в которой изоляторы 4 и 5 имеют форму

прямоугольных параллелепипедов, а на краях второй диафрагмы 3 расположены опорные выступы 11 для крепления изоляторов. Нлоскости опорных выступов перпендикулярны к осп 7 пушки, а изоляторы

4 и 5 закрепляются на них концами широких граней. По сравнению с другими возможными конфигурациями поперечного сечения изоляторов 4 и 5 прямоугольное обеспечивает получение минимальных осевых размеров пушки. Толщина изоляторов 4 и 5 в этом случае оказывается минимальной при обеспечении надежного фиксирования э.лементов пушки по отнощению друг к другу без применения специальных деталей, увеличивающих размеры пушки. Широкие грани изоляторов 4 и 5 являются базовыми нлоскостями и при установке на выступах 1 обеспечивают параллельность осей апертур диафрагм 2 и 3 и катода с

осью пущки. Это упрощает процесс сборки пущки и повышает ее точность. Применение изоляторов 4, 5 в виде прямоугольпых параллелепипедов и П.1ОСКИХ выступов второй диафрагмы позволяег при минимальных поперечных размерах пушки обеспечить в значительных пределах перемещение изоляторов в сборе с электродами в направлениях, перпендикулярных к оси, при юстировке. В связи с этим значительно снижаются требования к точности расположения апертур (прямоугольных и круглых) относительно посадочных мест деталей. По этой же причине в пределах поперечных габаритов пущки на второй диафрагме остаются большие площади для размещения крепежных Е интов и других фиксирующих элементов. Толщиной выступов второй диафрагмы задаются зазоры между электродами пушки. При этом, по сравнению с другими возможPFjiMn варианта,ти, исключается сложная конфигурация изоляторов с операциями П1ЛПФОРКИ по высоким классам точности.

Конструкции электронных пушек для формирования аксиальносимметричных и

ленгочмых пучков отличаются только геометрией электродов и расстояниями между . На фиг. 10 приведено поперечное сечение предлагаемой пушки для формирования аксиально-симметричного пучка.

Применение в электровакуумных приборах СВЧ трехэлектродных пушек с продольной компрессией иозволяет, как известно, значительно увеличивать выходную мощность и КПД, уменьшать рабочие напряжения.

Применение в указанных приборах предлагаемой иушки за счет уменьшения ее размеров обеспечивает значительное уменьшение габаритов приборов, а следовательпо, и размеров рабочего зазора МФС. Это

позволяет уменьшить вес и габариты МФС и получить экономический эффект как за счет стоимости полетного веса прибора, так и за счет экономии дорогостоящих магнитожестких материалов.

Формула изобретения

1. Трехэлектродная электронная пушка с продольной компрессией, содержащая катодный узел, ускоряющую и замедляющую диафрагмы и изоляторы, отличающаяс я тем, что, с целью уменьшения размеров пушки при сохранении ее электрической прочности, катодный узел и ускоряющая диафрагма закреплены консольно на изоляторах, выполненных в виде стержней, укрепленных на замедляющей диафрагме в плоскости, перпендикулярной оси пушки, и расположенных по разные стороны от плоскости, проходящей через эту ось.

2.Пушка по п. 1, отличающаяся тем, что стержни выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов.

3.Пушка по п. 1, отл ич а юща яся тем, что на краях замедляющей диафрагмы расположены опорные выступы для крепления изоляторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Зинченко Н. С. и др. Сильноточная импульсная пушка с высоким первеансом. - «Приборы и техника эксперимента, 1969, № 3, с. 22.

2. Зинченко Н. С., Лопатин И. В. Высокопервеанская трехэлектродная электронная пушка с повышенным сроком службы.- Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, т. ХИ1, 11, 1970, с. 1379- 1381 (прототип).

(Риг.7

(риг. 4

cpus.f