Электронная пушка для электровакуумных приборов Советский патент 1991 года по МПК H01J23/06 

38 .(до 80% от полной энергии потока) энергией вращательного движения. Извес-Рна электронная пушка, используемая в приборе типа пениотрона формирующая спиральный электронный поток, соосный с волноводной структу рой, путем ветрела под углом 60 к силовым линиям однородного магнитного поля тонкого цилиндрического потока. Недостатками такой пушки являются ее низкий первеанс (составляющий величину 0,056-10 А/В 3/2) и сложност юстировки оси спирального потока с осью волноводной структуры. Малая подводимая мощность (пропорциональная первеансу) потока затрудняет получение высокого уровня выходной высокочастотной мощности прибора, а трудности юстировки спирального потока с осью волноводной структуры не позволяют реализовать теоретичес- ки предсказываемый высокий КПД прибо ра (экспериментально полученный КПД .составлял 6%). Известна также электронная пушка с магнитным полем, в которой с целью повьшгения первеанса электронный пото формируется трубчатьм. В такой пушке может быть получена высокая (достигающая 80% от полной энергии потока) энергия вращательного движения поток в связи с чем она может применяться в СВЧ-при.борах типа МЦР. Однако в МЦ коротковолнового диапазона такая пушка .требует очень высоких (3 Т) и трудно реализуемых на практике маг нитных полей, а в прибо1)ах типа пени отрона она принципиально неприменима,так как не обеспечивает вращение электронов относительно оси пушки с циклотронной частотой. Наиболее близким техническим решением К изобретению является электронная пушка для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого потока при частичной экранировке катода, содержащая катодный узел с кольцевой эмит- тирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля (3). Эмиттирующая поверхность катода вьшолнена в виде вогнутого кольцевого сферичесчкого сегмента. Распределение магнитного поля вдоль оси пушки выбрано из условия магнитного сопровождения потока, то есть направление продольной составляющей магнитного поля не изменяетуся вдоль оси. пушки, а величина ее обратно пропорциональна квадрату среднего диаметра потока в данНом сечении. Такие пушки широко используются в ЛБВ и клистронах. Недостаток указанной пушки состоит в том, что формируемый ею трубчатый поток практически не вращается (энергия вращательного движения составляет доли процента от полной энергии потока) и, кроме того, угловая скорость вращения электронов относительно оси пушки существенно отличается от циклотронной частоты. В результате отсутствия вращательного движения потока относительно оси пушки с циклотронной частотой и низкой энергии вращательного движения потока КПД и выходная мощность ЭВП СВЧ типа пениотрона с указанной пушкой практически равнялись бы нулю, так как элек- тронньй поток в данном случае практически не взаимодействует с СБЧ-полем волноводной структуры.-, Целью.изобретения является повышение доли энергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки. Цепь достигается тем, что в электронной пушке, формирующей вращающийся -в магнитном поле трубчатый электронный поток, содержащей катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусир1,пощие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и образующей конуса составляет 20-50 , катода определен а средний диаметр соотношением: ,« V-K -4,55-10 где D - средний диаметр катода, м; К - заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока;У - потенциал анода. В; индукция магнитного поля в канале дрейфа. Т; Bj, - индукция магнитного поля на катоде. Т, . -8 Минимальная величина угла наклона образующей конуса (20°) ограничена величиной компрессии потока по площа ди, которая практически не превышает 50, При угле наклона, меньшем 20 (компрессия потока больше 50) увеличиваются аберрации пушки и затрудняется формирование потока с требуемым параметрами - малыми пульсациями в канапе дрейфа, малым разбросом скоростей электронов по сечению потока, малой шириной потока в канале дрейфа и др. Максимальная величина угла наклон образзпощей конуса (50 ) ограничена предельно допустимой величиной плотности тока на катоде, определяющей надежность и долговечность катодного узла, а также срок службы прибора. На фиг. 1 схематически показано взаимное расположение узлов электронной пушки и магнитной фокусирующей системы; на фиг. 2 - взаимное расположение электродов пушки, полученное с помощью машинного эксперимента; на фиг. 3 - изменение относительных тангенциальной скорости и энергии вращательного движения электронов по сечению потока на выходе из анодного отверстия пушки. Как показано на фиг. 1, предложенная электронная пушка для формирования трубчатого потока содержит кольцевой катод 1 с эмиттирующей поверхностью 2, внутренний фокусирующий электрод 3, внешний фокусирующий элек трод 4 и анод 5. Кольцевой катод 1, электроды 3, 4 и анод 5 изолированы друг от друга посредством керамических шайб 6. Магнитная фокусирующая си тема включает в себя ярмо 7, основные магниты 8 и полюсные наконечники 9. В качестве полюсного наконечника в области пушки используется анод 5, Между анодом 5 и полюсным наконечником 9 расположен канал Ю дрейфа. Электронная пушка формирует трубчатый поток 11. Коллектор 12 служит для рассеивания мощности потока 11. Эмиттирующая поверхность 2 с целью достижения малого (менее 5%) разброса скоростей вращательного движения электронов по сечению потока имеет ширину d|(, составляющую 5-10% отсред него диаметра катода D (фиг. 2). Устройство работает следующим рбразом, V , 6 Катод 1 эмиттирует из поверхности 2 трубчатый электронный поток 11. Электронньй поток в пространстве между катодом и анодом 5 приобретает вращательное движение с циклотронной частотой относительно оси пушки. Вращательное движение с циклотронной частотой обеспечивается при противоположных направлениях индукции магнитного поля на катоде В и в канале дрейфа BQ. При этом средние диаметры катода Dy. и потока в канале дрейфа DQ должны быть связаны соотношением 0,2 (К) - i Действительно, согласно теореме Буша, определяющей угловую скорость Q вращения электронов аксиальносимметричного потока 11 относительно оси пушки, . 0 (1-|4j (3) 2 , Выполнение условия (2) обеспечивает вращение электронов потока 11 относительно оси пушки с циклотронной час- тотойСОо В, где 1,759-10 к/кг отношение заряда электрона к его массе. В соответствии с законом сохранения полной энергии потока 11 (в преебрежении радиальной составляющей корости электронов, что имеет место электронном потоке с требуемыми пааметрами) имеем 2v.vX-; j| i-(B.M Zo R. (« де D - средний диаметр электронного потока в канале дрейфа; (})f - - тангенциальная составляющая скорости вращения электронов относительно оси пушки;V - составляющая скорости поступательного движения электронов в направлении оси 2 пушки; V(f - отношение энергии враща2. Ч тельного движения к полной энергии электронов; V - потенциал анода (канала дрейфа) . 8 Из соотношения (4) получаем величину среднего диаметра потока: Ч 2 °о I Исключая из соотношений (2) и (5) средний диаметр потока D, получаем следующую зависимость для выбора конструктивного признака пушки - диаметра катода: D,(M, -4,55.,(6) Максимально достижимая величина параметра К ограничена механизмом образования так называемых магнитных Пробок, в электронно-оптических системах, формирующих потоки 11 с большой энергией вращательного движения в магнитньк полях. Режим магнитной пробки возникает тогда, когда вся энергия потока 11 (или энергия хотя бы некоторой доли электронов потока) превращается полностью в энергию поперечного (преимущественно вращат тельного) движения, а продольная составляющая скорости обращается в ноль после чего поток или отдельные электроны потока продолжают свое движение в обратном направлении, то есть отражаются от определенной области пространства. Как и в пушках, используемых в МЦР, где имеет место тот же механизм ограничения энергии вращательного движения электронов, в предлагаемой :аушке величина параметра К может достигать величины порядка 0,8 то есть энергия вращательного движения потока t1 может составлять около 80% от полной энергии потока. Результаты машинного эксперимента, вьшолненного на ЭВМ с использованием программ для расчета электрических полей и электронных траекторий и для расчёта магнитных полей, приведены на фиг. 2. Пушка формирует тиубчатый электронный поток 11 со 4.в. Велисходимостью по площади чины индукции магнитного поля на катоде и в канале дрейфа В -0,05 Т, В 0,8 Т, Первеанс электронного пото ка (где I - ток потока, V потенциал анода 5, потенциалу Ю дрейфа) равнялся 0,5 х , Потен1щал анода 5 (канал 2 дрейф.а ) V-10 кВ. Ширина кольцевого катода (1| равнялась 4% от среднего диаметра катода l. По данным машинного эксперимента на выходе из пушки в сечении ,5 .получена относительная величина энергии вращательного движения ,8 для всех электронов потока, отличающихся радиальной координатой вылета на эмиттирующей поверхности 2 катода (фиг. 3). Разброс относительной скорости вращательного движения электронов KW- (Vtf/V2)MQt«-(Vlf/VE)MM4 J (v.7v2 T;a K7 4f7v;);;HH ° в том же сечении не превьшхает 4% (фиг. 4). Таким образом, предложенная электронная пушка для электровакуумных приборов повышает КПД и выходную мощность приборов путем обеспечения вращения потока с циклотронной часто|Той относительно оси пушки при заданной энергии вращательного движения. Использование предложенной пушпи в пениотроне позволит более чем на порядок повысить первеанс (подводиkyro мощность) потока по сравнению с ранее используемыми в пениотроне спиральными потоками и, следовательно, более чем на порядок повысить выходную мощность указанного класса приборов. Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других техничесI ких преимуществ Во-первых, -она соосна с волноводной структурой и поэтому позволяет без применения дополнительньк подстроечных устройств (электрических отклоняющих пластин, механических устройств для корректировки угла ветрела потока в магнитное поле) обычными конструктивно-технологическими приемами, известнь1ми из практики разработок ЛБВ и клистронов обеспечить требуемую точность юстировки потока с волноводной структурой и тем самым повысить КПД и выходН5Ш) мощность прибора. Во-вторых, конструирование предложенной пушки облегчается тем, что подобные базовые конструкции пушек с отработанной технологией уже известны из разработк СВЧ-приборов-ЛВВ и клистронов. Приf «« пушки позволит существенно уменьшить вес и габариты и улучить параметры мопщых СВЧ-устройств оротковолнового СВЧ-диапазона.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, формирующая вращающийся в магнитном поле трубчатьй электронньй поток, содержащая катодный узел с кольцевой эмиттирукяцей поверхностью,фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, отличающаяся тем, что, с целью повышеИзобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП) сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки, формирующие трубчатые потоки. В последние годы интенсивно расширяются исследования мощных усилительных и генераторных СВЧ-приборов коротковолновой части СВЧ-диапазона типа пениотрона. Пениотрон обладает высоким КПД (теоретически на основ-: ной моде КПД достигает 95%) и трения доли энергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и образующей конуса составляет 20-50°, а средний диаметр катода определен соотнопЕением: VK D -4,55.10 о где D| - средний диаметр катода, м; К - заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока, равная