Электронно-лучевая лампа

Изобретение относится к электронным приборам, предназначенным для работы в усилительном и генераторном режимах в диапазоне коротких, метровых и дециметровых волн. Электронно-лучевая лампа содержит электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода (1) с ленточными катодами (2), цилиндрических формирующего (3), ускоряющего (4) и электрически связанного с многолучевым катодом (1) защитного (5) электродов, выполненных с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами (2), анода (9), и аксиальную систему электрически изолированных токовводов (11, 12 и 14) соответственно накала, катода (1) и ускоряющего электрода (4). Внутренняя цилиндрическая поверхность формирующего электрода (3), коаксиально размещенного относительно центральной трубы (21) с втулкой (16) многолучевого катода (1), равноудалена от боковых поверхностей по периметрам торцевых фланцев (17 и 18) втулки (16) многолучевого катода (1). Формирующий электрод (3) одним концом закреплен по периметру на аксиальном токовводе (13), который размещен в системе токовводов между токовводами (12 и 14) катода (1) и ускоряющего электрода (4) и электрически изолирован от них со свободой перемещения другого его конца и электрически изолирован от центральной трубы (21) и втулки (16) с ленточными катодами (2). Технический результат: увеличение колебательной мощности и электронного КПД прибора за счет увеличения крутизны и коэффициента усиления лампы; увеличение рабочей частоты лампы за счет уменьшения проходной емкости; управление лампой сравнительно невысоким потенциалом. 5 ил.

 

Изобретение относится к электронике, в частности к электронным приборам, предназначенным для работы в усилительном и генераторном режимах в диапазоне коротких, метровых и дециметровых волн.

Известен генераторный тетрод ГУ-36Б-1 (Справочник "Электровакуумные приборы", том XVII "Генераторные лампы", Научно-исследовательский институт, 1972 г., [1]), основное назначение которого - широкополосное усиление высокочастотных колебаний на частотах до 250 МГц в схемах с общей сеткой или общим катодом. Оформление лампы металлокерамическое с кольцевыми выводами электродов. Охлаждение прибора воздушное принудительное. Конструктивно ГУ-36Б-1 включает в себя вольфрамовый торированный карбидированный катод прямого накала и анод, между которыми располагаются две сетки. При этом на первую сетку, расположенную вблизи катода и выполняющую функции управляющего электрода, подается управляющий сигнал. На вторую сетку, которая располагается между анодом и первой сеткой и служит для экранировки анода от катода и первой сетки, подается постоянный положительный потенциал.

Недостатком лампы ГУ-36Б-1 является сравнительно небольшая колебательная мощность в единичном приборе - 10 кВт (на частоте 250 МГц) при достаточно высоком напряжении на аноде (не менее 6 кВ), что дает достаточно невысокий электронный КПД прибора. Также данная лампа имеет сравнительно небольшую величину отбираемого с катода тока в импульсном режиме (30 А), невысокий коэффициент усиления (порядка 160) и большую накальную мощность (порядка 1 кВт).

Также известна электронно-лучевая лампа (В.И.Переводчиков и др. Новый класс мощных электронных приборов - электронно-лучевые вентили. Ж. "Прикладная физика", 2000, №2, стр.86-94. - М.: изд-во ГУП "ВИМИ", [2]), электронно-оптическая система которой состоит из многолучевого катода с ленточными катодами, которые за счет более развитой эмитирующей поверхности позволяют отбирать большую величину тока по сравнению с лампой [1], прикатодных формирующих электродов, каждый из которых электрически связан с многолучевым катодом и выполнен в виде охватывающей соответствующий ленточный катод трубки с сегментным вырезом вдоль ее образующих, а также цилиндрических ускоряющего и защитного электродов с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, и бескамерного анода. При этом защитный электрод электрически связан с многолучевым катодом.

Недостатками данной лампы [2] являются неудовлетворительная формоустойчивость трубок прикатодных формирующих электродов и отклонение от номинального положения ускоряющего и защитного электродов при термоциклировании. В связи с этим изменяется величина межэлектродных промежутков, изменяется конфигурация электрического и теплового полей, приводящие к снижению электрической прочности изоляции, снижению ресурса катода и надежности лампы. Кроме того, данная конструкция лампы не позволяет эффективно использовать ее в генераторном режиме.

Наиболее близкой по технической сущности и выбранной в качестве прототипа является электронно-лучевая лампа (патент РФ №2197765, МПК: H01J 21/10, от 08.05.2001 г., опубл. 27.01.2003 г. Бюл. №3, [3]). Электронно-оптическая система лампы включает в себя многолучевой катодный узел с ленточными катодами, который находится соосно внутри цилиндрического анода. Между катодным узлом и анодом размещены цилиндрические формирующий, ускоряющий (выполняющий роль управляющего электрода) и защитный электроды. Формирующий, ускоряющий и защитный электроды имеют профилированные пазы, совмещенные с ленточными катодами. При этом формирующий и защитный электроды электрически связаны с многолучевым катодом.

Электронно-лучевая лампа [3] лишена недостатков рассмотренной выше лампы [2], связанных с неудовлетворительной формоустойчивостью трубок прикатодных формирующих электродов и отклонением от номинального положения ускоряющего и защитного электродов при термоциклировании. Однако она, как и электронно-лучевая лампа [2], обладает следующими недостатками: управление ею достаточно высоким потенциалом (сотни вольт - единицы киловольт), что требует применения соответствующих высоковольтных источников питания; невозможность работать в области отрицательных сеточных напряжений, так как даже малейший отрицательный потенциал на ускоряющем электроде, который выполняет функцию управляющего и соответствует роли первой сетки в лампе [1], почти полностью запирает лампу. Кроме того, большая проходная емкость лампы [3] ограничивает диапазон рабочих частот, особенно при работе в усилительном режиме, так как способствует появлению отрицательной обратной связи. Помимо этого лампа-прототип имеет достаточно малую крутизну анодно-сеточной характеристики (единицы мА/В) за счет удаленности управляющего (ускоряющего) электрода от катода и, следовательно, достаточно слабого влияния последнего на поле перед катодом. Еще одним недостатком лампы [3] являются достаточно большие массогабаритные параметры за счет водяной системы охлаждения.

Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции электронно-лучевой лампы, сохраняющей преимущества лампы [3] (надежная формоустойчивость, развитая эмитирующая поверхность катода и возможность торможения электронного пучка на аноде) и позволяющей: увеличить крутизну анодно-сеточной характеристики и, соответственно, коэффициент усиления лампы; возможность работы в области отрицательных и положительных сеточных напряжений; снизить величину проходной емкости; снизить энергопотребление системы управления.

Реализация поставленной задачи даст следующий технический эффект при использовании предлагаемой лампы: увеличение колебательной мощности и электронного КПД прибора за счет увеличения крутизны и коэффициента усиления лампы при сохранении высокой величины тока, отбираемого с катода (порядка 500 А в импульсном режиме); увеличение рабочей частоты лампы за счет уменьшения проходной емкости; управление лампой сравнительно невысоким потенциалом (десятки вольт) за счет увеличения крутизны и, таким образом, снижение энергопотребления системы управления и, как следствие, увеличение экономической эффективности.

Дополнительно при работе лампы в импульсном режиме обеспечиваются сравнительно небольшие средние мощности рассеяния на электродах, что позволяет перейти от водяной системы охлаждения к воздушной и способствует уменьшению массогабаритных параметров прибора.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что в предлагаемой электронно-лучевой лампе, содержащей электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, цилиндрических формирующего, ускоряющего и электрически связанного с многолучевым катодом защитного электродов, выполненных с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, анода, и аксиальную систему электрически изолированных токовводов накала, катода и ускоряющего электрода, при этом каждый ленточный катод многолучевого катода размещен в пазах с уступами, выполненных на боковых поверхностях по периметру торцевых фланцев втулки, ориентирован вдоль ее образующих, закреплен одним концом в пазах первого торцевого фланца и зафиксирован в пазах второго торцевого фланца втулки с возможностью свободного перемещения в продольном направлении другого его конца, причем втулка многолучевого катода закреплена соосно на центральной трубе, электрически связанной с токовводом катода, кроме того цилиндрический формирующий электрод размещен коаксиально центральной трубе с втулкой многолучевого катода, при этом один конец цилиндрического защитного электрода, размещенного коаксиально формирующему электроду, жестко закреплен на первом фланце втулки многолучевого катода, а другой его конец зафиксирован на центральной трубе с возможность продольного перемещения, кроме того цилиндрический ускоряющий электрод размещен коаксиально относительно формирующего и защитного электродов, один его конец закреплен по периметру на его токовводе, на котором установлен коаксиально, жестко закреплен и электрически изолирован высоковольтным изолятором анод, причем аксиальная система токовводов снабжена изолированной втулкой, на которой жестко закреплен конец токоввода накала, внутренняя поверхность цилиндрического формирующего электрода равноудалена от боковых поверхностей по периметрам торцевых фланцев втулки многолучевого катода, один конец формирующего электрода закреплен на аксиальном токовводе, который размещен в системе токовводов между токовводами катода и ускоряющего электрода и электрически изолирован от них, со свободой перемещения другого его конца, при этом формирующий электрод электрически изолирован от центральной трубы и втулки с ленточными катодами.

Такое конструктивное выполнение формирующего электрода электрически развязывает его от многолучевого катода. При этом формирующий электрод выполняет роль управляющего электрода (первой сетки), а ускоряющий - роль экранирующей (второй) сетки, что позволяет приблизить управляющий электрод к катоду и, таким образом, увеличить эффективность управления полем перед катодом, а именно снизить управляющие напряжения (при этом существует возможность работы как в отрицательных, так и в положительных областях напряжения) и повысить крутизну лампы. Также за счет наличия экранирующей сетки (ускоряющего электрода) снижается проходная емкость лампы.

Сопоставительный анализ предлагаемого устройства генераторной электронно-лучевой лампы с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию «новизна».

Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 и 2 схематично показана электронно-лучевая лампа в продольном и поперечном сечении (А-А) соответственно.

На фиг.3 и 4 представлены анодно-сеточные характеристики лампы-прототипа и предлагаемой электронно-лучевой лампы соответственно.

На фиг.5 представлено распределение потенциала в классическом тетроде (например, ГУ-36Б-1), электронно-лучевом вентиле и предлагаемой лампе.

Показанная на фиг.1, 2 электронно-оптическая система лампы содержит: многолучевой катод 1 с ленточными катодами 2; цилиндрические формирующий 3, ускоряющий 4 и защитный 5 электроды с профилированными окнами 6, 7 и 8 соответственно, совмещенными с ленточными катодами 2; анод 9, представляющий собой цилиндр с внешним оребрением 10 для увеличения эффективности воздушного охлаждения.

Кроме того, лампа снабжена системой аксиальных токовводов, включающей в себя токовводы 11, 12, 13 и 14 соответственно накала, катода 1, формирующего 3 и ускоряющего 4 электродов. Токоввод 15 анода 9 размещен на его внешней поверхности.

При этом ленточные катоды 2 закреплены на втулке 16 с первым 17 и вторым 18 фланцами на ее торцах. По периметру фланцев 17 и 18 на их боковых поверхностях выполнены пазы 19 с уступами 20, ориентирующие ленточные катоды 2 вдоль образующих втулки 16. Один конец каждого ленточного катода 2 жестко закреплен в пазах 19 первого фланца 17, а другой его конец зафиксирован в пазах 19 второго фланца 18 втулки 16 со свободой перемещения в продольном направлении при термоциклировании. Втулка 16 соосно закреплена на центральной трубе 21, которая электричеки соединяет токоввод 12 катода 1 с ленточными катодами 2 и втулкой 16.

Система аксиальных токовводов 11, 12, 13, 14 снабжена втулкой 22, на которой жестко закреплен токоввод накала 11, при этом токовводы 11, 12, 13 и 14 электрически изолированы друг от друга аксиальными изоляторами 23, 24, 25 и 26 соответственно.

Цилиндрический формирующий электрод 3 одним концом установлен на аксиальном токовводе 13 коаксиально центральной трубе 21 и электрически изолирован аксиальным изолятором 25 от катода 1 и центральной трубы 21, а также электрически изолирован изолятором 26 от ускоряющего электрода 4. При этом внутренняя поверхность формирующего электрода 3 равноудалена от боковых поверхностей по периметрам торцевых фланцев 17 и 18 втулки 16 и электрически изолирована от нее и размещенных на ней ленточных катодов 2 многолучевого катода 1. Другой конец формирующего электрода 3 может свободно перемещаться в продольном направлении при термоциклировании.

Цилиндрический защитный электрод 5 установлен коаксиально с формирующим электродом 3. Конец защитного электрода 5 с торцевым фланцем 27 механически и электрически связан посредством втулок 28 с втулкой 16 многолучевого катода 1. Другой его конец посредством стержней 29 на центральной трубе 21 зафиксирован с возможностью продольного перемещения при термоциклировании.

Цилиндрический ускоряющий электрод 4 одним концом установлен на токовводе 14 коаксиально формирующему 3 и защитному 5 электродам, а другой его конец свободен для продольного перемещения при термоциклировании.

Анод 9 закреплен на аксиальном высоковольтном изоляторе 30, который размещен на токовводе 14 ускоряющего электрода 4.

Сравнительный анализ устройства предлагаемой лампы и лампы-прототипа показывает целый ряд преимуществ первой перед второй, а именно более высокую крутизну, порядка 100 мА/В (за счет более близкого расположения к катоду 1 формирующего 3 (он же управляющий) электрода и соответственно более эффективного управления полем вблизи катода 1), что в сочетании с еще более слабой зависимостью анодного тока от анодного напряжения, чем у лампы-прототипа (за счет наличия между анодом 9 и формирующим 3 электродом с функцией управляющего ускоряющего 4 электрода, выполняющего роль экранирующего), обеспечивает ей достаточно высокий коэффициент усиления (на несколько порядков больше, чем у прототипа) и соответственно большие колебательную мощность и электронный КПД прибора за счет увеличения крутизны и коэффициента усиления лампы, а также за счет высокой величины тока, отбираемого с катода (порядка 500 А в импульсном режиме), более низкую проходную емкость, возможность работы как в отрицательных, так и положительных областях сеточных напряжений, упрощение системы управления (управление сравнительно невысоким потенциалом - десятки вольт), что способствует снижению энергопотребления системы управления.

Работа электронно-лучевой лампы, показанной на фиг.1 и 2.

При включении лампы накаленные ленточные катоды 2 (фиг.1) излучают электроны. Под действием электрического поля, созданного внешними источниками (не показаны), электронно-оптическая система формирует ленточные электронные пучки, которые транспортируются через профилированные окна 6, 7 и 8 (пролетный канал) соответственно формирующего 3, ускоряющего 4 и защитного 5 электродов к аноду 9, при этом режим работы лампы зависит от потенциалов формирующего 3 и ускоряющего 4 электродов и анода 9. При подаче на токоввод 13 формирующего электрода 3 управляющего сигнала, а на токоввод 14 ускоряющего электрода 4 необходимого постоянного положительного потенциала электронный пучок с кроссовером в пролетном канале 7 ускоряющего электрода 4 попадает на анод 9, который может иметь потенциал как выше, так и ниже потенциала ускоряющего электрода 4. При этом практически отсутствуют засев током ускоряющего электрода 4 и провисание в диафрагму ускоряющего электрода 4 поля анода 9 (малая проницаемость). Однако при понижении потенциала анода 9 до величины 15-20% от потенциала ускоряющего электрода 4 (режим глубокого торможения) возможно появление токовых потерь на ускоряющем электроде 4 в основном за счет вторично-эмиссионных электронов.

Потенциал анода 9 выбирается предельно близким к катоду 1, но такой величины, чтобы не возникал виртуальный катод, приводящий к отражению от него электронного пучка. Управление током, протекающим через лампу, осуществляется за счет изменения управляющего потенциала на формирующем электроде 3 при выбранном для конкретного режима необходимого постоянного положительного потенциала на ускоряющем электроде 4. Для уменьшения тока, идущего на ускоряющий электрод 4 в режиме, когда потенциал анода 9 меньше потенциала ускоряющего электрода 4, используется защитный электрод 5, электрически связанный с катодом 1. Под действием минимума потенциала между анодом 9 и ускоряющим электродом 4, создаваемого защитным электродом 5, вторичные электроны, вышедшие с анода 9, возвращаются обратно на него.

Достигаемые повышенные параметры, а именно крутизна, коэффициент усиления, колебательная мощность, электронный КПД, а также возможность работы в отрицательных областях сеточных напряжений предлагаемой лампы видны из сравнения распределения потенциалов на электродах электронно-оптической системы для данной лампы с аналогом и прототипом, что и представлено на фиг.5, где U - напряжение на электродах; х - пространственная координата от катода к аноду; кривая 1 - распределение потенциала в классическом тетроде в открытом состоянии; кривая 1' - распределение потенциала в классическом тетроде в закрытом состоянии; кривая 2 - распределение потенциала в электронно-лучевом вентиле в открытом состоянии; кривая 2' - распределение потенциала в электронно-лучевом вентиле в закрытом состоянии; кривая 3 - распределение потенциала в предлагаемой электронно-лучевой лампе в открытом состоянии; кривая 3' - распределение потенциала в предлагаемой электронно-лучевой лампе в закрытом состоянии; кривые 4 и 5 - входной сигнал классического тетрода и предлагаемой электронно-лучевой лампы соответственно; кривая 6 - входной сигнал электронно-лучевого вентиля; кривая 7 - выходной сигнал классического тетрода; кривая 8 - выходной сигнал электронно-лучевого вентиля и предлагаемой электронно-лучевой лампы.

Электронно-лучевая лампа, содержащая электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, цилиндрических формирующего, ускоряющего и электрически связанного с многолучевым катодом защитного электродов, выполненных с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, анода, и аксиальную систему электрически изолированных токовводов накала, катода и ускоряющего электрода, при этом каждый ленточный катод многолучевого катода размещен в пазах с уступами, выполненных на боковых поверхностях по периметру торцевых фланцев втулки, ориентирован вдоль ее образующих, закреплен одним концом в пазах первого торцевого фланца и зафиксирован в пазах второго торцевого фланца втулки с возможностью свободного перемещения в продольном направлении другого его конца, причем втулка многолучевого катода закреплена соосно на центральной трубе, электрически связанной с токовводом катода, кроме того, цилиндрический формирующий электрод размещен коаксиально центральной трубе с втулкой многолучевого катода, при этом один конец цилиндрического защитного электрода, размещенного коаксиально формирующему электроду, жестко закреплен на первом фланце втулки многолучевого катода, а другой его конец зафиксирован на центральной трубе с возможностью продольного перемещения, кроме того, цилиндрический ускоряющий электрод размещен коаксиально относительно формирующего и защитного электродов, один его конец закреплен по периметру на его токовводе, на котором установлен коаксиально, жестко закреплен и электрически изолирован высоковольтным изолятором анод, причем аксиальная система токовводов снабжена изолированной втулкой, на которой жестко закреплен конец токоввода накала, отличающаяся тем, что внутренняя цилиндрическая поверхность формирующего электрода равноудалена от боковых поверхностей по периметрам торцевых фланцев втулки многолучевого катода, при этом формирующий электрод одним концом закреплен по периметру на аксиальном токовводе, который размещен в системе токовводов между токовводами катода и ускоряющего электрода и электрически изолирован от них со свободой перемещения другого его конца и электрически изолирован от центральной трубы и втулки с ленточными катодами.