Электронная пушка

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содержащая осесимметрично расположенные автоэмиссионный катод и 1 выполненные с ОСасимметричными отверстийми управляющий электрод и анод, отличающаяся тем что, с цепью увеличения эффективности фокусировки пучка электронов, мелду управляющим электродом и анодом введен соединенный с катодом фокусирующий электрод с осесимметричным отверстием, а электроды выполнены и размещены в соответствии со следующими соотношениями размеров:

QQ03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

0% Of) 1079096 А1 (Sf)S Н 01 Л 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

C =е = (О 15-0,45) D; (0,3-0,5}0;

8< =S 3 (О 15-0,25)D, где Е,, Е, t

3 толщины управляющего и фокусирующего электродов и анода соответственно; зазоры между управляющим и фокусирующим электродами и между фокусирующим электродом и анодом; диаметр отверстий в электродах.

4:> а )

CO

4Р

CO

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3500158/18-21 (22) 30.07.82 (46) 15.07.91. Бюл. N- 26 (72) И.И. Голеницкий, В.Д. Еремка, P.Â. Захарова, И.М. Олихов, В.П. Сазонов и Н.Н. Чубун (53) 621.385.6 (088.8)

° (56) Авторское свидетельство СССР

У 293514, кл. Н 01 J 1/30, 1975.

Патент Японии Ж 53-3224, кл. 99 17, 1978.

- )4) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содержащая осесимметрично расположенные автоэмиссионный катод и выполненные с осесииметричными отверстиями управляющий электрод и анод, о т л и ч аю щ а я с я тем что, с целью увеличения эффективности фокусировки пучка электронов, между управляющим . электродом и анодом введен соединенный с катодом фокусирующий электрод

Изобретение относится к электронной технике, а именно к устройствам с автоэмиссионными катодами, и может . найти шиоокое применение, например, при созДании электронных приборов

СВЧ и устройств, имеющих малое время готовности и ненакаливаемый эффективный источник электронов.

Известна электронная пушка, содер

-жащая автоэмиссионный катод, выполненный в виде острия, и анод, выполненный в виде, металлической пластины с осесимметричным отверстием. При этом анод находится под высоким по тенциалом относительно катода. Эпект2 с осесимметричным отверстием, а электроды выполнены и размещены в соответствии со следующими соотношениями размеров: ровная .эмиссия в таком устройстве локализована в узком телесном угле (не более 0,22 cp) опредепяемом размера, ми пятна эмиссионной активной пленки на поверхности монокристаллического

;острия из тугоплавкого.металла. Благодаря этому уменьшаются поперечные составляющие скорости электронов потока (углы наклона траекторий граничных электронов потока составляют менее

15 ). .Недостатком таких устройств явб ляется нестабильность автоэмиссионного тока.

Известна также электронная пушка, срдержащая осесимметричне расположен96 с, = (0,15-0,45)Р; (0,3 -0,5)D; где t<„t<„

S),S

3 10790 ные автоэмиссионный катод и выполненные с осесимметричными отверстиями управляющий электрод и анод.

В этой пушке управляющий электрод и анод образуют электростатическую линзу, причем электроды имеют возрастающий по отношению к эмиттеру потенциал .

Недостатком этого устройства явля- 10 ется малая эффективность фокусировки, связанная с большими поперечными составляющими скорости электронов. При телесном угле раствора электронного потока с поверхности автоэмиттера

1-2 ср углы наклона траекторий граничных электронов потока достигают 30о

45, а соответствующая величина поперечной составляющей скорости Ч становится соизмеримой с продольной скоростью V движения электронов (Ч (Ч = 0,5-1,0). Указанная величина отношения поперечной составляющей скорости к продольной более чем .на порядок выше по сравнению с пото- 25 ками, формируемыми пушками с термоэлектронным катодом.

Для эффективной фокусировки потока путем подавления поперечных скоростей электронов требуется сильное магнитное пале, что связано с увеличением массы и габаритов магнитной системы, а следовательно, массы и габаритов прибора в целом. Кроме того, большие поперечные скорости электронов значительно ухудшают условия согласования

35. потока с магнитным полем, в результате чего ухудшается внутренняя структура потока: поток становится неламинарным (с пересекающимися траекториями электронов), возрастают пульсации его границы и, как следствие, ухудшается токопрохождение. Неламинарность структуры и пульсации границы потока ухудшают также шумовые характеристики 45 приборов.

Целью изобретения является увеличение эффективности фокусировки пучка электронов путем уменьшения попереч ных составляющих. скоростей электро50

Цель достигается тем, что в электронной пушке, содержащей осесимметрич- ио расположенные автоэмиссионный ка „тод и выполненные с осесимметричными отверстиями управляющий электрод и анод, между управляющим электродом .и анодом введен соединенный с катодом фокусирующий электрод с осесимметрич-, йым отверстием, а электроды выполнены в соответствии со следующими соотношениями размеров:

8„= S = (0,15-0,25)D, толщины управляющего и .фокусирующего электрон дов и анода соответственно; зазорымежду управляющим. и фокусирующим электродами и между фокусирующим электродом и анодом, диаметр отверстий в электродах.

На фиг.1 показаны взаимное расположение электродов пушки, схема их подключения к источнику и траектории дви-. жения электронов в потоке, на фиг.2электронная пушка с катодом в виде матрицы острий.

Электронная пушка содержит автоэмиссионный катод 1 в виде острия, управляющий электрод 2, фокусирующий электрод 3 и анод 4 . Управляющий электрод 2, фокусирующий электрод 3 и анод 4 выполнены в виде проводящих пластин, расположены последовательно вдоль оси острия катода 1 перпендикулярно ей и имеют отверстия 5, аксиальные острию. Катод 1, управля- . ющий электрод 2, фокусирующий элект- род 3 и анод 4 между собой разделены диэлектрической прослойкой б. Фокусирующий электрод 3 электрически соеди- „ нен с катодом 1. Управляющий электрод,.

2 и анод 4 электрически соединены и находятся под положительным потенциалом относитепьно,катода 1. Катод 1 может быть выполнен в вице матрицы острий (см.фиг.2). В этом случае электроды выполняются в виде металлических пленок, а зазоры - в виде диэлектрических пленок.

Предложенная электронная пушка работает следующим образом.

При подаче на управляющий электрод

2 напряжения, достаточного для .того, чтобы создаваемое у вершный острия катода 1 электрическое поле вызвало автоэмиссию из отверстия 5 анода

4 вытекает электроиный.поток 7. Ksl

t . = (О, 15-0,45) D; (О 3-0 5) Р3

$ = (О, 15-0, 25) D z

t =

S !

5 10790 тод 1, фокусирующнй электрод 3 с нулевым потенциалом относительно катода 1, управляющий электрод 2 электрически соединенный с анодом 4 с поло5 жительным потенциалом Ч относительа но катода 1, образуют электростатическую линзу, обеспечивающую подавле ние поперечных составляющих скоростей электронов. Данная система электростатических линз формирует за анодом 4 электронной пушки поток 7 с малыми поперечными скоростями электро- . нов, исходящих из острия эмиттера 1 в пределах сравнительно большого телесного угла (0,3-1,0 ср).

Такая конструкция электронной пушки обеспечивает существенное умень шение (более чем на порядок) поперечных скоростей частиц в выходной плос- 20 кости анода 4 и улучшает эффективность ,фокусировки потока. !

При формировании электронного потока повышенной мощности в предло женной электронной пушке с катодом 25

1 в виде матрицы острий фокусировка испускаемых остриями микроструй 7 осуществляется электростатическими линзами, образованными общим управляюпщм электродом 2, фокусирующим электродом 3 и анодом 4 (см. Фиг.2), имеющими аксиальные остриям отверстня.

Проведенный расчет на ЭВМ предложенной конструкции. электронной пушки показывает, что геометрические размеры пушки (фиг. 1) должны удовлетворять следующими соотношениями:

I гДе й1,С вЂ” толщина управляющего электрода, фокусирующего электрода и анода соответственно; я,я - зазоры между управляющим и фокусируюпщм электродами и фокусирующим электродом и анодом соответственно;

D — диаметр отверстий электродов.

Эффективность фокусировки потока ,в магнитном поле можно оценить по относительной величине среднеквадратичной поперечной составляющей ско

9б 6 рости Ч /Ч, где V — среднеквадратичное значение продольной скорости.

В обычных пушках с термоэлектронным ,катодом величина V /V О, 1, что соответствует относительно малым углам наклона траектории 5, при которых пучок удовлетворительно согласуется с магнитным полем, достигается качественная фокусировка и высокое (100X) токопрохождение. Величина

Ч1/V всегда положительна (V /V ) О) и прй идеальной фокусировке потока (параллельных траекториях в выходной плоскости анода) V /V = О. Любые отклонения траекторий от параллельных в случаях недостаточной фокуси ровки исходящего из острия потока (слабая электрическая линза, положительные углы наклона траекторий) или перефокусировка потока (сильная электрическая линза, отрицательные углы наклона траекторий) приводят к б

V g. увеличению ——

Vp

Фокусирующая сила линзы, образованной управляющим электродом, фокусирующим электродом и анодом, воэрас" тает при увеличении относительной толщины управляющего эл ектрода (— ) и анода (- ), что приводит к п tý

D D расширению потока в области фокусирующего электрода. Фокусирующая сила линзы возрастает также, при увеличении относительной толщины фокусирующего электрода (t

При увеличении фокусирующей силы линзы за счет указанных факторов про. исходит перефокусировка потока. Напротив., при уменьшении этих параметров фокусирующая сила линзы уменьшается. вследствие недостаточно глубокого проникновения пучка в область

О сильного фокусирующего поля вблизи поверхности фокусирующего электрода и уменьшения продольных размеров области фокусирующего поля.

Рассмотренными вьппе факторами ограничены пределы изменения геометрических размеров С„/D = t>/D, t /D u

S<,/Ð = S /D в соотношении (1) . За пределами нижних границ области изме, нения параметров .Фокусирующая сйлв

1 079096

Таблица1 е /D 0,2

t (/D = ty/D

0,6

0,5

0,4

0,3

0,040

О ° 230 Оэ 162 Оэ 070 Оэ029

0,0975

О, 150

0,036

О, 078

0,300

0,О4З

0,6

0,150

О, 246

0,12

О, 098 0 090 О, 092

Таблица 2

25 50

Величина отношения V /Ч зависит от безразмерных геометрических параметров пушки t /D, t/D. Ра- (р бочая область параметров заключена внутри выделенного прямоугольника, 40 ,где 7 /V<4. 0,1.

Без применения предложенного устройства электронный поток, образо ванный совокупностью микроструй, испускаемых многострийным автокатодом в пределах телесного угла эмиссии с . каждого острия 0,4-1 ср, обладает большими поперечнычи составляющими скоростями электронов (7„/ Ч 0,51,0) и яРко выРаженной неламинарной 50 структурой. Выполненные расчеты; результаты которых приведены в табл .2, показывают, что для магнитной фокусировки такого потока с заданными в пределах 10-50Х пульсациями требует- . ся увеличение индукции магнитного лоля в 1,72-3,3 раза (коэффициент Ке) и массы магнитной системы (коэффициент К ) в 2,96-10,9 раза.

3,3 2,56 1,72

10,9 6,55 2,96

К

К „ линзы недостаточна для компенсации радиальной расходимости потока, а за пределами верхних границ она слишком велика и приводит к недопустимой перефокусировке потока. Внутри указанных областей изменения параметров обеспечиваются относительно малые (в пределах, допустимых для пушек с термоэлектронными катодами) поперечные скорости электронов в выходной плоскости анода V /V (0,1 и, следовательно, достигается эффективная фокусировка потока магнитным полем..

Результаты расчета величины Г /V< п ч изменении параметров t. /D,, t /D, !.

t /9 для средней точки допустймого дйапазона изменения параметра S< /D =-= Б /D приведены в табл .1. Эмиссия задана в пределах телесного угла

0,4 ср. В табл,1. выделена область параметров С /D = t>/D u t /D, внутг. ри которой величина Ч /Г с О, 1 . В ерхняя и нижняя стороны йрямоугольника в

10 табл.1 соответственно определяют нижнюю и верхнюю границы области изменения параметров t, /D = t3/D, а левая и правая стороны — нижнюю и верхнюю границы области изменения параметра

Увеличение индукции поля К и массы К магнита неббходимо для обеспечения фокусировки потока с пульсациями (З = 10-50Х без применения предложенного устройства. Тепесный угол автоэмиссии 0,4-1 ср.

Таким образом устройство позволяет осуществить эффективную фокусировку и существенно улучшить ламинар,ностй потока, испускаемого автокато- дом, без дополнительного увеличения магнитного поля, т.е. при помощи известиык магнитных систем, используе-, мых для фокусировки потоков в электронно-оптических системах с термоэлектронными катодами. Это значитель-, 10

1079:096 но облегчает использование пушек с автоэлектронными змиттерамн в приборах СВЧ, особенно коротковолновогб (миллиметрового и субмнллиметровог0) диапазона, где требуются болыдне плотности тоха.

Редактор 0. юркова Техред А.Кравчук . Корректор Л. Патай

Заказ 3052 Тираж 320 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Дополнительными преимуществами

1предложенной электронной пушки явля,ются высокая экономичность, связанf ная с отсутствием подогревателя, высокая крутизна воаьт-амперной характеристики, обусловленная экспоненцнальной зависимостью тока от напряжения, возможность осуществления низковольтной модуляции тока (по управляющему электроду и аноду) и снижения массы радиоэлектронного комплекса (за счет снижения массы модулятора), безынерционный откпик тока на изменение напряжения, высокая плотность

2 6

10, тока в пучке 10 -10 А/см2 возможФ ность увеличения общего тока за счет использования матричного автоэмиттера и высокой плотности упаковки ост. рий в матрице.