Электронная пушка для свч-приборов

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ СВЧ ПРИБОРОВ, содержащая катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, отличающаяся тем, что, с цепью упрощения технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкции магнитной системы за счет увеяиче- НИН фокусного расстояния, а также обеспечения электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем, между катодом и анодом последовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полого цилиндра со ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром D- и обращенного торцом с поверхностью наименьшего диаметра D в сторону катода , при этом диаметры D определены соотношениями 1,0 D с 1,4, § (Л 1,4 с 5-.2.2 где Dq - внешний диаметр анода.

СОЮЗ СОВЕТСНИК

СОЦИАЛИСтиЧЕСКи х

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1029783

А1 (51)5 H Ol -1 23/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1,0 П- с 1,4, 0

1,4 c. -— - g 2,2

tI анод и устройство для создания магнитного поля.

Основной недостаток указанной пушки состоит в том, что вращательная энергия формируемого ею трубчатого потока пренебрежимо мала по сравнению с полной энергией потока, что не позволяет практически использовать ее в мощных ЭВП с циклотронным резонансом типа пенионтрон.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является пушка диодного типа, формирующая в магнитном поле тонкостенньй трубчатый зле тронный поток, вращаюшийс я м н ите

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHSIM

ПРИ ГННТ СССР (21) 336964 7/21 (22) 25. 12.81 (46) 30.07.91. Бюл. Н 28 (72) И.И. Голеницкий, Э.П. Тевелева, B.Ï. Сазонов, В.С . Анурьев и О.В. Евтушенко (53) 621.385.6 (088.8) (56) Патент США Ь" 2801361, кл. 3153.6, опублик. 1957.

Авторское свидетельство СССР

У 871672, кл. Н 0.1 J 23/06, 1980. (54) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ СВЧ

ПРИБОРОВ, содержащая катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, отличающаяся тем, что, с целью упрощения технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкции магнитной системы за счет увеличеИзобретение относится к электрон ной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП)., работающим в наиболее коротковолновом диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки,. формирующие трубчатые электронные потоки.

Известна электронная пушка диод-. ного типа для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого электронного потока с частичной экранировкой катода от магнитного поля, содержащая катодиый узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, 2 ния фокусного расстояния, а также обеспечения электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем, между катодом и анодом последовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полого цилиндра ео ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром D u обращенного торцом с поверхностью наименьшего диаметра D< в сторону катода, при этом диаметры D,и D определены соотношениями где D< — внешний диаметр анода.

1029 78 3

Я -«Ч. К

D = -4,55 ° 10 к В В„

20 где D< — средний диаметр катода, м;

K — заданная величина отношения энергии вращательного дви- 25 жения к полной энергии потока, равная (О, 5-0,85) )

Ч вЂ” потенциал анода, в;

Во — индикация магнитного поля в канале дрейфа, т, 30

 — индукция магнитного поля

К на катоде, т.

Недостаток указанной пушки заключается в том, что при реализации ее в наиболее коротковолновой части

СВЧ диапазона в связи с уменьшением ее геометрических размеров и увеличением индукции магнитного поля в канале дрейфа возникают следующие . проблемы.

1) Диодная пушка имеет относительно короткую (2-4 мм) длину переходной области, в связи с чем возникают трудности реализации магнитной системы, обеспечивающей при высоком уровне индукции магнитного поля в канале (0,8 т) высокую (0,2—

0,4 т/мм) крутизну нарастания поля в переходной области, что в конечном итоге значительно усложняет, а иногда и вовсе исключает возможность создания диодных пушек с указанными

Свойствами s наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ.

2) В диодной пушке невозможна электричеекая подстройка согласования потока с магнитным полем без изменения первеанса потока в связи с чем возникает необходимость задания

45 но оси пушки с цикпотрокной частотой и заданной энергией вращательного движения.

Однако пушка содержит катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля. Для повышения доли энергии вращательного движения трубчатого

10 потока с циклотронной частотой относительно оси пушки эмиттирующая поверхность катода выпопнена в виде боковой поверхности усеченного кону|са, повернутого большим основанием к

15 аноду, причем угол между осью пушки и "образующей конуса составляет от

20 до 50, а средний даметр катода о определен соотношением жестких допусков на изготовление элементов конструкции пушки и на ее сборку, обеспечение которых в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ сталкивается со значительными трудностями.

Целью изобретения является упрощение технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкции магнитной системы за счет увеличения фокусного расстояния, а также обеспечение электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем.

Цель достигается тем, что в электронной пушке, формирующей в магнитном поле трубчатый. электронный поток, вращающийся относительно оси пушки с циклотронной частотой, содержащей катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующне электроды, анод и устройство для создания магнитного ноля, между катодом и анодом последовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с. кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полного цилиндра со ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром D и обращенного торцом с поверхностью наименьшего диаметра 01 в сторону катода, при этом диаметры D < и D < определены соотношениями

1,0 -1 g 1,4

0q (2)

1,4 «< — 1 2,2

Dz. а где Рп - внешний диаметр анода.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено взаимное расположение электродов пушки и конфигурация электронного потока.

Предложенное устройство имеет катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью 1, фокусирующие электроды 2,3, ускоряющий электрод

4, согласующий электрод 5 и анод 6.

Согласующий электрод 5 обеспечивает электростатическую подфокусировку трубчатого потока 7 и согласование потока с магнитным полем при слабой крутизне нарастания поля (0,050,1 т/мм) в переходной области.

Ускоряющий электрод 4 обеспечивает заданную вепичину первеанса практически независимо от потенциалов

S >029 783 действия потока с высокочастотным полем в приборе типа пениотрон, соответствуют максимальные значения пара- метров (— ) =1,4 и((мокс (3) и (--) =2 2

D9 макс

D(Иинимальная величина параметра— р ограничена заданной сходимостью потока. Для проходимости потока по площади S 20, обычно используемой в пушках приборов типа пениотрон она ранна! (— ) =1, D1

Р((ми(( (4) ограничена электрической прочностью межэлектродного промежутка "согласующий электрод — анод". В 3-миллиметровом диапазоне длин волн при прокв бивном напряжении F. = 10 —, анодмм ном напряжении V = 10 кВ, внешнем диаметре анода D = 5 мм из соотношеа ния

Е

D — D

2 р (5) следует, что

27 (кв) (6)

Е (— ) ° D (мм) п мм а

Таким образом, для обеспечения оптимальных условий работы прианод45 ной линзы (с точки зрения согласования потока с магнитным полем) геометрические параметры ее должны удовлетворять следующим соотношениям:

D(С р

- с

Эр

1,4

1,0( (7) 1,4 «

2,2 где D — внешний диаметр анода.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Кольцевая поверхность 1 катодного узла эмиттирует электроны, котои положения согласующего электрода и анода.

Наличие в конструкции пушки согласующего и ускоряющего электродов позволяет разделить две функции

5 управления и формирования потока с заданным первеансом - между различными электродами пушки, что облегчает процесс настройки пушки при заданном распределении магнитного поля в переходной области и конструктивно технологических ходах межэлектродных расстояний.

Согласующий электрод 5 делит пушку на две изолированные друг от друга области поля (электрические линзы): прикатодную из электродов 1,2,3,4 и прианодную (иммерсионную) линзу, состоящую из .электродов 5,6. 20

Оптическая сила прианодной иммерсионной линзы определяется потенциалами и конфигурацией образующих ее электродов — внешним диаметром D

Я анода 6, диаметрами D(и D внутрен- 25

Z них цилиндрических поверхностей согласующего электрода 5, расстоянием

g Z < A между торцами анода 6 и согласующего электрода 5.

При оптимальном выборе указанных 30 параметров линза обеспечивает магнитное сопровождение потока на участке

0 (В (В при начальных углах встрела потока в плоскости согласующего электрода 5-10 ..Расчет оптимальных

35 параметров иммерсионной линзы проводился. численным методом на ЭВИ. Критерием оптимальности служит величина пульсаций границы потока в канале дрейфа при сохранении преобладающей 40 доли энергии вращательного движения (К = 0,5-0,85) .. Относительное расстояние между торцом анода и внутренней частью торцовой поверхности согласующего электрода выбирается миниdZcA мальным (- — — = 0,4) из условий доср Э тижения требуемой оптической силы иммерсионной линзы и обеспечения электрической прочности межэлектродного про- 50 межутка "анод — согласующий электрод".

Из результатов машинного эксперимента следует, что максимальная величиD(02. на параметров — и -.— ограничена

Dq 55 предельно допустимой величиной пульсации границы потока в канале дрейфа.

Пульсациям r < 7, 5X — предельным с точки зрения эффективности взаимоП2, Иинимальная величина параметра-О, 1029 783

4P РУю гся в трубчатый поток > одаря выбору c p

5 признаком (1) и выполнению ее в виде боко ой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к катоду с углом между осью пушки и образующей конуса 0(.= 20"50, обеспечивается вращение потока относительно оси пушки с циклотронной частотой и заданной величиной отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока. Потенциалом ускоряющего электрода 4 и геометрией электродов прикатодной области подбирается требуемая величина первеанса потока, а также достигаются условия оптимального ввода потока (под углом о

5-10 ) в область слабого градиента электрического поля между ускоряющим

4 и согласующим 5 электродами. Электрическое поле иммерсионной линзы, образованной согласующим электродом 25

5 и анодом 6, создает фокусирующую силу, направленную к центру потока противоположно направлению расфокусирующнх сил, обусловленных влиянием объемного заряда и вращения потока относительно оси пушки (центробеж- ная сила), благодаря чему осуществляется дальнейшая компрессия потока до заданного диаметра и увеличивается фокусное расстояние пушки. Выбор

35 геометрических размеров согласующего электрода 5 в соответствии с конструктивным признаком (2) обеспечивает минимальные пульсации потока (Д,г(107) при высоком уровне энергии вращатель- 40 ного движения электронов (k =0,8), необходимом для эффективного взаимодействия потока с высокочастотным полем в приборах с циклотронным резонансом типа пениотрон.

Применение предложенной пушки позволяет формировать трубчатые электронные потоки с малыми поперечными размерами, низким уровнем пульсаций и большой энергией вращательного движения для мощных ЭВП с циклотронным резонансом (типа пениотрон), работающих в наиболее коротковолновбм диапазоне СВЧ с высоким КПД л 507., Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других технических преимуществ.

Во-первых, электрическая подстройка согласования потока с магнитным позволяет избежать крайне нежелательного в наиболее коротковолновой области СВЧ сужения поля допусков на размеры электродов пушки и межэлектродные расстояния, что должно значительно упростить и удешевить процесс изготовления таких пушек.

Во-вторых, увеличение фокусного расстояния пушки и связанное с ним удлинение переходной области.значительно облегчает проектирование самой магнитной системы, так как требование к величине крутизны магнитного поля в переходной области является одним из наиболее важных (определяющих конструкцию) требований для магнитных систем с высоким уровнем индукции магнитного поля в рабочем зазоре. В целом предложенное устройство позволяет повысить выходную мощность и КПД усилительных и генераторных СВЧ приборов наибапее коротковолновой части СВЧ диапазона.

1029783

Корректор Л. Патай редактор О. Иркова Техред А Кравчук

Заказ 3129 Тирал 314 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101