Электронно-лучевая лампа Советский патент 1983 года по МПК H01J21/10 

(54) ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛАМПА

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электронно-лучевым приборам, предназначенным для использования в качестве коммутаторов в цепях постоянного тока и для модуляции высокочастотных сигналов.

Известны электронно-лучевые приборы, содержащие катод, управляющий и ускоряющий электроды и коллектор в виде полого объема с отверстием, служащий для глубокого торможения электронного потока, сформированного в виде луча.

В процессе работы прибора на ускоряющий электрод подается высокий положительный потенциал, определяемый необходимым первеансом 1.

Недостатком прибора является эффект возникновения провисания потенциала в области входного отверстия ускоряюцхего электрода, обусловленный влиянием пространственного заряда пучка. Это приводит к ограничению первеанса и мощности прибора. Кроме того, аналогичный эффект возникает в области торгйожения пучка между ускоряющим электродом и коллектором, что снижает КПД устройства.

Известна также электронно-лучевая лампа, содержащая вогнутый сферический катод, окруженный фокусирующим электродом, чдоль оси симметрии которых расположены ускоряющий электрод с цилинд5 рическим пролетным отверстием и полый коллектор с корректирующим электродом.

Для-увеличения первеанса в зоне ускорения и торможения пучка лампа снабжена дополнительным прикатодным и прикол,Q лекторным электродами, а массивный ускоряющий электрод выполнен с отнощением диаметра отверстия к длине прохода для луча меньщим единицы 2.

Недостатком прибора является эффект провисания поля в отверстии ускоряющего 15 электрода, что ограничивает ток прибора и развиваемую им мощность в единичном луче. Структура тормозящего поля на участке между ускоряющим электродом и коллектором также ограничивает первеанс и КПД лампы.

20

Цель изобретения - повышение мощности электронно-лучевой лампы.

Поставленная цель достигается тем, что электронно-лучевая лампа, содержащая вогнутый сферический катод, окруженный

фокусирующим электродом, вдоль оси симметрии которых расположены ускоряющий электрод с цилиндрическим пролетным отверстием и полый коллектор, снабжена кольцевым катодом, соосно встроенным в ускоряющий электрод, который выполнен полым с натекателем газа, и охватывающий катод экранным электродом с кольцевой щелью, расположенной в плоскости кольцевого катода посредине длины цилиндрического пролетного отверстия ускоряющего электрода, где выполнен кольцевой вырез, а также устройством для улавливания ионов.

В лампу может быть введена магнитная линза в виде катущки, встроенной соосно в полый ускоряющий электрод и расположенной симметрично по обе стороны от кольцевого выреза.

Кроме того, лампа может быть снабжена ионной ловущкой, встроенной в сферический катод, а на внутреннюю поверхность полого коллектора нанесено геттерное покрытие..

На чертеже приведена конструктивная схема прибора.

Устройство содержит катодный узел с катодом 1, ускоряющий полый электрод 2 и коллектор 3 в форме ци.линдра Фарадея, снабженный корректирующим цилиндрическим электродом 4. Катод выполнен с вогнутой эмиссионной поверхностью 5, снабжен ионной ловущкой 6 и прикатодным фокусирующим электродом 7. Электронный пучок 8 проходит последовательно область 9 ускорения, эквипотенциальную зону 10 и область 11 торможения. В ускоряющий полый электрод посредине его длины встроены дополнительный кольцевой накаливаемый катод 12, экранирующий электрод 13 и катушка 14 магнитной линзы. На внутренней цилиндрической поверхности ускоряю цего электрода расположена кольцевая щель 15, а на внещней поверхности имеется патрубок 16 для подачи газа. На торцовых поверхностях ускоряющего электрода формируется плазменная граница 17 и 18, образующая систему из двух плазменных линз, ограничивающих области ускорения и торможения электронного пучка. Плазма дугового разряда заполняет объем 19.

Устройство работает следующим образом.

При подаче ускоряющего напряжения на катод 1 и электрод 2 лампы в области 9 ускорения формируется электронный поток с высокой компрессией (например оптикой Пирса). В полый ускоряющий электрод 2 через патрубок 16 подается рабочий газ (например аргон), расходуемый на формирование выпуклой плазменной границы 17 и 18 на торцах полого ускоряющего электрода 2. Между дополнительным кольцевым катодом 12, экранирующим электродом 13

и внутренней поверхностью электрода 2 горит дуговой разряд, контрагируемый механическим сужением, при этом плазма разряда через кольцевую щель в электроде 2 поступает в эквипотенциальную зону 10.

При наложении продольного магнитного поля катущкой 14 электроны плазмы осциллируют вдоль линий поля между плазменными границами 17 и 18, а ионы могут ускоряться как в сторону катода, снабженного ионной ловущкой 6, так и коллектора 3, внутренняя поверхность которого покрыта геттерирующим материалом.

Наличие плазменной сферической границы 17 и 18 на торцах ускоряющего электрода 2 обеспечивает оптимальную конфигурацию эквипотенциальных поверхностей как в области 9 ускорения, так и в области 11 торможения. При этом структура эквипотенциальных поверхностей в области торможения является зеркальным отображением эквипотенциальных поверхностей в области ускорения, что обеспечивает максимальный первеанс и КПД прибора. За счет значительной компрессии пучка в области 9 ускорения площадь входного отверстия в ускоряющем

электроде может бь1ть выбрана значительно меньще площади эмиттирующей поверхности 5 катода, что позволяет оптимизировать расход газа в полости ускоряющего электрода 2 и ограничивать интенсивность ионного тока на участке катод 1 - плазменная линза 17 и плазменная линза 18 - коллектор 3. При работе прибора в цепи постоянного тока потенциал коллектора 3 близок к потенциалу катода 1. При этом энергия источника ускоряющего напряжения, подключенного между электродами I и 2 расходуется на ускорейие электронного потока в области 9. Энергия другого источника, подключенного к электродам 12, 13 и 2 расходуется на нагрев кольцевого накаливаемого катода 12 и на возбуждение и поддержание дугового разряда в объеме 19, ограниченной экранирующим электродом 13 и расположенной ортогонально оси пучка 8. Рабочий газ, подаваемый в полость электрода 2, расходуется на формирование необходимой концентрации ионов на границах плазменных лИнз 17 и 18. Поскольку потенциалы катода 1 и коллектора 3 при работе прибора примерно равны (за вычетом падения напряжения в приборе), то от плазменных границ 17 и 18

в сторону катода 1 и коллектора 3 происходит непрерывное ускорение ионов, причем величина ионного тока существенно ниже (на два порядка) величины рабочего тока, носителем которого является сформированный в приборе электронный пучок. В итоге

баланс газового потока в лампе определяется эффективностью торможения и нейтрализации ионов в ловущке 6 и коллекторе 3.

Формирование плазменных линз 17 и 18 в лампе происходит в результате механического контрагирования плазмы дугового разряда и последующего равномерного расширения плазменного сгустка. Механическое контрагирование (сжатие) разряда достигается благодаря сужению на выходе экранного электрода 13 с транссаксиальным типом симметрии и поступлению плазмы в узкую кольцевую щель 15 в электроде 2, где происходит дополнительное увеличение концентрации заряженных частиц. Ортогональное расположение плоскости кольцевого катода 12 и оси пучка, совпадающей с осью цилиндрической полости электрода 2, обеспечивает гашение продольных скрростей ионов, стабильность и симметрию плазменных границ 17 и 18. Энергозатраты на создание плазменных линз в приборе составляют доли процента от полной мощности. Лампа сохраняет необходимые вакуумные свойства в области ускорения и торможения электронного пучка благодаря механизму самооткачки, когда поступающий в прибор газ сначала ионизируется в разряде, а затем осущестявляется формирование, ускорение и нейтрализация потоков ионов, движущихся в сторону катода 5 и коллектора 3.

Модификация лампы с встроенной магнитной линзой 14 обеспечивает повышение стабильности плазменных границ 17 и 18 и, следовательно, КПД прибора, за счет лучшего удержания плазменных электронов в области 10 и обеспечения нейтральности плазмы. Для создания необходимой конфигурации и локализации магнитного поля экранирующий электрод 13 и торцовые части электрода 2 выполнены из магнитного материала, либо применяются встроенные магнитные экраны.

Положительный эффект от применения предлагаемого устройства обусловлен повышением первеанса электронно-лучевого прибора за счет создания искусственных плазменных поверхностей, устраняющих дефект отверстия в ускоряющем электроде и обеспечивающих ламинарность электронного потока в области ускорения и торможения. Это позволяет повысить КПД прибора за счет уменьшения прямого падения напряжения при работе в вентильном режиме и увеличить единичную мощность.

Использование предлагаемой электронно-лучевой лампы в качестве высоковольтного быстродействующего коммутатора, либо в качестве модулирующего прибора позволяет улучшить технико-экономические показатели систем питания электроннолучевых технологических установок и электрофизических стендов.

Формула изобретения

мощности, лампа снабжена кольцевым катодо.м, соосно встроенным в ускоряющий электрод, который выполнен полым с натекателем газа, и охватывающим катод экранным электродом- с кольцевой щелью, расположенной в плоскости кольцевого катода посредине длины цилиндрического пролетного отверстия ускоряющего электрода, где выполнен кольцевой вырез, а также устройством для улавливания ионов.

что в нее введена магнитная линза в виде

катущки, встроенной соосно в поль.1Й ускоряющий электрод и расположенной симметрично по обе стороны от кольцевого выреза. ., . 3. Лампа по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что устройство для улавливания ионов выполнено в виде ионной ловушки, встроенной в сферический катод, и геттерного покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность полого коллектора, 0 Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

2.Патент США № 3453482, кл. 315-5, 1969 (прототип).