Электронная пушка сферического типа

 

Использование: электронные пушки с низковольтным управлением мощными электронными лучами. Сущность изобретения: электронная пушка сферического типа содержит анод, соосно расположенные ему катод с эмиссионной частью в его торце, фокусирующий электрод в виде стакана с коническим отверстием в дне, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопряженных цилиндрической части, охватывающей боковую поверхность катода и разделенной с ним вакуумным зазором, и конической части, расширяющейся в сторону анода, причем плоскость сопряжения расположена между торцом катода и анодом. При этом коническая часть фокусирующего электрода в плоскости сопряжения выполнена с радиусом, меньшим радиуса эмиссионной части торца катода. В предпочтительном случае радиус конической части фокусирующего электрода связан с расстоянием от плоскости сопряжения до торца катода определенным соотношением. 4 ил.

Изобретение относится к электроваккумным лучевым приборам, а именно, к электронным пушкам с низковольтным управлением мощными электронными пучками.

Известны конструкции электронных пушек, создающих аксиально-симметричные электронные пучки в электровакуумных приборах и, в частности, в лампах бегущей волны, лампах обратной волны и клистронах, которых содержат катод, фокусирующий электрод, сеточные управляющие электроды и аноды (Обзор по электронной технике. Сер.1, "Электроника СВЧ", вып.6 (375), "Мощные ЛБВ с низковольтным управлением электронным потоком", ч.1. "Импульсные ЛБВ", вып. 16 (426). "ЛБВ импульсного действия с низковольтным управлением электронными пучками"). В указанных технических решениях управление электронным пучком обеспечивается подачей напряжения между катодом и сетками. Такие пушки находят широкое применение благодаря наиболее эффективному снижению управляющего напряжения по сравнению с анодным напряжением. Как правило, моделирующее (управляющее) напряжение на сетке составляет 3-4% от анодного напряжения.

Недостатками этих конструкций является сложность изготовления, большая чувствительность к токооседанию на сетках, значительная зависимость величины тока пучка от изменения расстояния между катодом и сетками, трудности в обеспечении формоустойчивости сетки и т.д.

Особенно заметно эти недостатки проявляются в приборах миллиметрового диапазона, в которых толщина сеток становится настолько малой (десятки микрон), что они могут сохранять форму и положение лишь с помощью диэлектрического слоя, расположенного непосредственно на поверхности катода (Патент США N 4096406, опубл. 20.06.78 г. Патент США N 4250428, кл. Н 01 J 1/88, опубл. 10.02.81 г.).

Недостатком этих конструкций является возникновение и рост тока утечки между катодом и сеткой по мере эксплуатации прибора. /Bonded grid electron gun for 95 GHZ extended interaction amplifier (EIA). "Int. Electron Devices ellect, Washington, D.C. 5-7 дес. 1983. Techn. Dig. "New York", N 4,1983, c. 141-143/.

Известны конструкции электронных пушек, содержащие катод, фокусирующий электрод, управляющий электрод и анод (Патент США N 3377502, опубл. 09.04.68 г. Патент ФРГ N 3136184, кл. Н 01 J 1/20, опубл. 12.09.81 г. А.С. СССР N 537564, кл. Н 01 J 23/06. оп. 30.05.91 г.).

В данных электронных пушках фокусирующий электрод, соосный катоду, может быть расположен либо на катоде, либо разделен с катодом, но находится под одним с катодом потенциалом. Управляющий электрод расположен дальше от катода. Между управляющим и фокусирующим электродами имеется вакуумный зазор, величина которого определяется пробойным напряжением. Управление электронным пучком осуществляется подачей напряжения между катодом и управляющим электродом.

Электронные пушки с низковольтным управлением пучка по управляющему электроды более просты в изготовлении и надежны в эксплуатации по сравнению с пушками с сеточным управлением, но значительно уступают им по эффективности. В этих пушках управляющее напряжение составляет 10-15% от анодного (по сравнению с 3-4% в пушках с сеточным управлением).

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является конструкция электронной пушки (Заявка Франции N 2251096, кл. Н 01 J 23/06, заявл. 13.11.73 г. опубл. 6.06.75 г.), в которой один фокусирующий электрод одновременно может выполнять функции фокусирующего и управляющего электродов.

Недостатком этой конструкции является малая эффективность, т.к. управляющее напряжение составляет не менее 10% от анодного рабочего напряжения.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение веса и габаритов источников питания, повышение эффективности электронной пушки по управлению электронным пучком за счет снижения величины управляющего напряжения на фокусирующем электроде.

Поставленная цель достигается тем, что в электронной пушке сферического типа, содержащий анод, соосно расположенные ему катод с эмиссионной частью в его торце, фокусирующий электрод в виде стакана с коническим отверстием в дне, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопряженных цилиндрической части, охватывающей боковую поверхность катода и разделенной с ним вакуумным зазором, и конической части, расширяющейся в сторону анода, причем плоскость сопряжения расположена между торцем катода и анодом, коническая часть фокусирующего электрода в плоскости сопряжения выполнена с радиусом, меньшим радиуса эмиссионной части торца катода. Расстояние от плоскости сопряжения до торца катода связано с радиусом конической части фокусирующего электрода следующим соотношением: где r_ф радиус конической части фокусирующего электрода в плоскости сопряжения, r_к радиус эмиссионной части торца катода, l_фк расстояние от плоскости сопряжение до торца катода, R_к радиус кривизны катода.

Кроме того, вакуумный зазор между цилиндрической частью фокусирующего электрода и боковой поверхностью равен расстоянию от плоскости сопряжения до торца катода.

Признаки, сходные с заявляемыми, в известной авторам патентной и научно-технической литературе не обнаружены.

Выполнение фокусирующего электрода, его конической части в плоскости сопряжения с цилиндрической частью с радиусом, меньшим радиуса эмиссионной части торца катода, а также выполнение вакуумного зазора между плоскостью сопряжения цилиндрической и конической частями фокусирующего электрода и торцом катода по величине, связанного с радиусом конической части фокусирующего электрода вышеописанным соотношением, позволяет уменьшить вес и габариты, а также мощность источников питания СВЧ прибора за счет снижения управляющего напряжения на фокусирующем электроде электронной пушки.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1. где изображено продольное сечение электронной пушки СВЧ прибора "0"-типа и схема электропитания электродов пушки. На фиг.2 продольное сечение катодно-фокусирующего узла электронной пушки. На фиг. 3 продольное сечение катодно-фокусирующего узла без теплового экрана на катоде. На фиг.4 продольное сечение катодно-фокусирующего узла базового объекта (аналог прототипа).

Электронная пушка (фиг.1) содержит анод 1, соосно расположенные ему катод 2 с тепловым экраном и фокусирующий электрод 3. Электрическая схема питания (фиг. 1) электронной пушки включает в себя высоковольтный источник 4 питания анода 1 и низковольтный источник питания 5 фокусирующего электрода 3. Катод (фиг.2) выполнен в виде цилиндрического керна 7 из тугоплавкого материала, например, из молибдена, в торцевую часть которого впрессована таблетка 8 эмиссионного материала, пористого вольфрама, пропитанного алюминатом бария и кальция. Торец таблетки, обращенный к аноду, профилирован в форме сферы с радиусом кривизны R_к. На керне 7 установлен тепловой экран 9 катода 2. Внутренняя поверхность фокусирующего электрода 3 выполнена из 2-х частей цилиндрической части 10, соосной катоду 2 и охватывающей его тепловой экран 9 и конусной части 11, расширяющейся в направлении к аноду 1. Фокусирующий электрод расположен соосно катоду, а плоскость 12 сопряжения его цилиндрической 10 и конической 11 частей отстоит от катода на расстоянии, равном l_фк (фиг.2). При этом величина отверстия в фокусирующем электроде (в плоскости сопряжения его цилиндрической и конической частей) связана с расстоянием l_фк (до торца катода) и геометрическими размерами катода соотношениями, приведенными выше.

Устройство работает следующим образом.

На анод 1 и фокусирующий электрод от источников питания 4 и 5 (фиг.1) подаются положительные относительно катода потенциалы. Электроны, эмитированные катодом под действием электрического поля в области пушки, формируются в электронный пучок 6, который проходит через отверстие (с радиусом r_ф в фокусирующем электроде 3 и через пролетный канал анода 1 в прибор. Управление электронным пучком обеспечивается подачей напряжения в зазоре между фокусирующим электродом и катодом. При подаче достаточно большого отрицательного потенциала на фокусирующий электрод ток пучка становится равным нулю пушка "запирается". В заявляемом устройстве (фиг.1, 2) фокусирующий электрод совмещает функции как фокусирующего электрода, обеспечивающего формирование электронного пучка с заданными электрическими параметрами (напряжение и ток пучка, его структура), так и управляющего электрода.

Предлагаемая конструкция электронной пушки позволяет осуществлять управление (модуляции) электронного пучка при напряжениях на фокусирующем электроде, составляющих 5-7% от величины напряжения на аноде U_a, что существенно меньше, чем в прототипе, в котором управляющее напряжение на фокусирующем электроде составляет 10-15% от напряжение на аноде.

Таким образом, конструкция электронной пушки по предлагаемому изобретению позволяет уменьшить габаритно-массовые характеристики и мощность питания источников питания СВЧ прибора "0"-типа за за счет уменьшения величины управляющего напряжения на фокусирующем электроде.

Ввиду того, что коническая и цилиндрическая части фокусирующего электрода находятся под одним электрическим потенциалом относительно катода, то целесообразно сопряжение меду ними выполнять ступенчато, а вакуумный зазор h между его цилиндрической поверхностью и тепловым экраном катода (фиг.1, фиг. 2) брать равным по величине расстоянию l_фк между торцом и фокусирующим электродом.

В варианте катодно-фокусирующего узла электронной пушки, в котором на катоде нет теплового экрана, вакуумный зазор, равный h l_фк, обеспечивается между цилиндрической поверхностью фокусирующего электрода и керном катода (фиг.3).

Пример конкретного выполнения.

С целью определения целесообразности использования предлагаемой электронной пушки (фиг.2, 3) проведено сравнение с базовым объектом, в качестве которого использована электронная пушка, катодно-фокусирующий узел которой изображен на фиг.4.

В этой и другой пушке, обеспечивающих одинаковый рабочий ток пучка J 0,5 А, размеры r_к и R_к катода, а также расстояние от торца катода до плоскости сопряжения фокусирующего электрода были взяты одинаковыми: r_к 1,4 мм, R_к 3,9 мм, l_фк 0,25 мм.

Из соотношений и следует, что в предложенной конструкции а r_ф 1,304 мм. При задании на аноды этих пушек одинакового потенциала U_a 19 кВ значения управляющих значительно отличаются. В предложенной конструкции пушки управляющее (модулирующее) напряжение U_ф 1350 В (U_раб 350, U_запир -1000 В)= т.е. составляет около 7,1% от анодного напряжения U_a. В базовой пушке управляющее напряжение U_ф 2500 В (U_раб 0, U_зап -2500), т.е. составляет ≈ 13% от U_a.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет снизить почти в 2 раза управляющее напряжение на фокусирующем электроде и тем самым уменьшить вес, габариты и мощность источника питания электронной пушки СВЧ прибора.

При выборе как показал расчет и эксперимент, возможно токооседание (десятки доли процента от тока пучка) на фокусирующий электрод, вызванное его несоосностью с катодом, а также наличие тепловых скоростей электронов. При незначительном увеличении r_ф на 1-1,5% (в рассмотренном примере с 1,304 мм до 1,32 мм) токооседание исчезает, а эффективность управления не ухудшается.

Формула изобретения

1. Электронная пушка сферического типа, содержащая анод и соосно с ним расположенные катод с эмиссионной частью в его торце и фокусирующий электрод, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопряженных цилиндрической части, охватывающей боковую поверхность катода и разделенный с ним вакуумным зазором, и конической части, расширяющейся в сторону анода, причем плоскость сопряжения расположена между торцом катода и анодом, отличающаяся тем, что коническая часть фокусирующего электрода в плоскости сопряжения выполнена с радиусом, меньшим радиуса эмиссионной части торца катода.

2. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что радиус конической части фокусирующего электрода связан с расстоянием от плоскости сопряжения до торца катода следующим соотношением: r_ф=r_к-l_фк·tg α/2; где r_ф радиус конической части фокусирующего электрода в плоскости сопряжения;
r_к радиус эмиссионной части торца катода;
l_фк расстояние от плоскости сопряжения до торца катода;
R_к радиус кривизны катода.

3. Пушка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что расстояние от плоскости сопряжения до торца катода равно вакуумному зазору между цилиндрической частью фокусирующего электрода и боковой поверхностью катода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4