Электронная пушка для электровакуумных приборов

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, формирующая вращающийся в магнитном поле трубчатьй электронньй поток, содержащая катодный узел с кольцевой эмиттирукяцей поверхностью,фокусирующие электроды , анод и устройство для создания магнитного поля, отличающаяся тем, что, с целью повышеИзобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП) сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки, формирующие трубчатые потоки. В последние годы интенсивно расширяются исследования мощных усилительных и генераторных СВЧ-приборов коротковолновой части СВЧ-диапазона типа пениотрона. Пениотрон обладает высоким КПД (теоретически на основ-: ной моде КПД достигает 95%) и трения доли энергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса , повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и образующей конуса составляет 20-50°, а средний диаметр катода определен соотнопЕением: VK D -4,55.10 о где D| - средний диаметр катода, м; К - заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока , равная

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦРаЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„9II3„„87 l 672 (51) 5 Н "01 Л 23/06

ГОСУДАРСТВЕ 1НЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -", К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 Ч К

D -=- --4 55 10

В В о средний диаметр катода, м; заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока, равная (0,5-0,85); потенциал анода, В; индукция магнитного поля в канале дрейфа, Т; индукция магнитного поля на катоде, Т. где 0

V

Во

В„ (21) 2923801/21 (22) 08 ° 05.80 (46) 15.08.91. Бюл. Е 30 (72) И.И.Голеницкий, З.П.Тевелева, В.П.Сазонов, А.С.Победоносцев, Я.И.Местечкин, Е.И.Каневский и M.M.Íàäååâ (53) 621.385 ° 6(088,8) (56) Y.Kazuhiko, О.Shoichi, S.Yukio

Cyklotron Fast Wave ТцЬе. The Double

Ridqes Travelling, Wave peniotron.

Tubes Pour hyperfrequences, Travaux

du 5 Congres international, Paris, В

14-18 Sep tembre, 1964, р. р. 96-115., (54) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, формирующая вращающийся в магнитном поле трубчатый электронный поток, содержащая катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью. повышеИзобретение отньсится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП) сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки, формирующие трубчатые потоки.

В последние годы интенсивно расширяются исследования мощных усилительных и генераторных СВЧ-приборов коротковолновой части СВЧ-диапазона типа пениотрона. Пениотрон.обладает высоким КПД (теоретически на основ-,. ной моде КПД достигает 95X) и тре2 ния доли энергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и образующей конуса составляет 20-50, а средний диаметр катода определен соотношением:

С5 бует вдвое меньшее магнитное поле по 1 сравнению с аналогичными ЭВП СВЧ- Ь3 диапазона — мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), что резко снижает габариты и вес магнитной системы пениотрона, а следовательно, его габариты и вес, Механизм работы пениотро-,)З на основан на взаимодействии СВЧ-по- и ля ребристой волноводной структуры с тангенциальной составляющей скорости электронов потока, вращающегося относительно оси волноводной структуры с пиклотронной частотой и высокой

871672.(до 80Х от полной энергии потока) энергией вращательного движения.

Известна электронная пушка, используемая в приборе типа пениотрона, формирующая спиральный электронный ноток, соосный с волноводной структурой, путем встрела под углом 60 к силовым линиям однородного магнитного поля тонкого цилиндрического по- 0 тока.

Недостатками такой пушки являются ее низкий первеанс (составляющий величину 0,056 10 А/В 3/2) и сложность юстировки оси спирального потока с осью волноводной структуры. Малая подводимая мощность (пропорциональная первеансу) потока затрудняет получение высокого уровня выходной высокочастотной мощности прибора, а трудности юстировки спирального потока с осью волноводной структуры не позволяют реализовать теоретически предсказываемый высокий КПД прибора (экспериментально полученный КПД составлял 6X).

Известна также электронная пушка с магнитным полем, в которой с целью повышения первеанса электронный поток формируется трубчатым. В такой пушке может быть получена высокая (достигающая 80Х от полной энергии потока) энергия вращательного движения потока, .в связи с чем она может применяться в СВЧ-приборах типа МЦР. Однако в МЦР коротковолнового диапазона такая пушка .требует оцень высоких (3 T) и трудно реализуемых на практике маг1 нитных полей, а в приборах типа пениотрона она принципиально непримени40 ма,так как не обеспечивает вращение электронов относительно оси пушки с циклотронной частотой.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является элек- 45 тронйая пушка для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого потока при частичной экранировке катода, содержащая катодный узел с кольцевой эмит50 тирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля (3), Эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде вогнутого кольцевого сферичес-

;.кого сегмента. Распределение магнитI ного поля вдоль оси пушки выбрано из условия магнитного сопровождения потока то есть направление продольной й

Цель достигается тем, что в электронной пушке, формирующей вращающийся -в магнитном поле трубчатый электронный поток, содержащей катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и об0 разующей конуса составляет 20-50 а средний диаметр катода определен соотношением:

В В где D

К

К средчий диаметр катода, м; заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока; потенциал анода, В; индукция магнитного поля в канале дрейфа, Т; индукция магнитного поля на катоде, Т.

В

К, составляющей магнитного поля не изменяется вдоль оси пушки, а величина ее обратно пропорциональна квадрату среднего диаметра потока в данном сечении. Такие пушки широко используются в ЛБВ и клистронах.

Недостаток указанной пушки состоит в том, что формируемый ею трубчатый поток практически не вращается (энергия вращательного движения составляет доли процента от полной энергии потока) и, кроме того, угловая скорость вращения электронов относительно оси пушки существенно отличается от циклотронной частоты. В результате отсутствия вращательного движения потока относительно оси пушки с циклотронной частотой и низкой энергии вращательного движения потока КПД и выходная мощность ЭВП СВЧ типа пениотрона с указанной пушкой практически равнялись бы нулю, так как электронный поток в данном случае практически не взаимодействует с СВЧ-полем волноводной структуры.

Целью. изобретения является повышение доли эйергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки.

В соответствии с законом сохранения полной энергии потока 11 (в пренебрежении радиальной составляющей скорости электронов, что имеет место в электронном потоке с требуемыми параметрами) имеем г г г (Ч,+V ) В, 40 2 Ч=Чг+Ч =Ч вЂ” — — =(03с — ) г «P 1

=(ЮВ -0 ) (О 2 К (4) D1

V =И

Ч ,2

Vcp

Чг +V

87. 16

Иинимальная величина угла наклона образующей конуса (20 ) ограничена величиной компрессии потока по площади, которая практически не превышает 50, При угле наклона, меньшем 20 (компрессия потока больше 50) увеличиваются аберрации пушки н затрудняется формирование потока с требуемыми параметрами - малыми пульсациями s 10 канале дрейфа, малым разбросом скоростей электронов по сечению потока, малой шириной потока в канале дрейфа и др.

1 15

Иаксимальная величина угла наклона о образующей конуса (50 ) ограничена предельно допустимой величиной плотНости тока на катоде, определяющей надежность и долговечность катодного узла, а также срок службы прибора.

На фиг. 1 схематически показано взаимное расположение узлов электронной пушки и магнитной фокусирующей системы; на фиг. 2 — взаимное. распо- 2 ложение электродов пушки, полученное с помощью машинного эксперимента; на фиг. 3 — изменение относительных тангенциальной скорости и энергии вращательного движения электронов по се- 30 чению потока на выходе из анодного етверстия пушки.

Как показано на фиг. 1, предложенная электронная пушка для формирования трубчатого потока содержит кольцевой катод 1 с эмиттнрующей поверхностью 2, внутренний фокусирующий электрод 3, внешний фокусирующий электрод 4 и анод 5. Кольцевой катод 1, электроды 3, 4 и анод 5 изолированы друг от друга посредством керамических шайб 6, Иагнитная фокусирующая сис тема включает в себя ярмо 7, основные магниты 8 и полюсные наконечники

9. В качестве полюсного наконечника 45 в области пушки используется анод 5, Между анодом 5 и полюсным наконечником 9 расположен канал 10 дрейфа.

Электронная пушка формирует трубчатый поток 11. Коллектор 12 7 Т для 50 рассеивания мощности потока 11.

Эмиттирующая поверхность 2 с целью достижения малого (менее 57) разброса скоростей вращательного движения электронов по сечению потока имеет ширину dg, составляющую 5-10Х от среднего. диаметра катода D (фиг. 2).

Устройство работает следующим образом, 72 6

Катод 1 эмиттирует из поверхности

2 трубчатый электронный поток 11.

Электронньп» пото в пространстве между катодом и анодом 5 приобретает вращательное движение с циклотронной частотой относительно оси пушки. Вращательное движение с циклотронной частотой обеспечивается при противоположных направлениях индукции магнитб ного поля на катоде В и в канале дрейфа Во. При этом средние диаметры катода Эк и потока .в канале дрейфа

D должны быть связаны соотношением

Вк Во () (2)

Действительно, согласно теореме

Буша, определяющей угловую скорость

Q вращения электронов аксиальносимметричного потока 11 относительно оси пушки, Я

Выполнение условия .(2) обеспечивает вращение электронов потока 11 относительно оси пушки с циклотронной частотой Я = В, где $ =1,759 ° 10 к/кг— отношение заряда электрона к его массе. где D — средний диаметр электронноо го потока в канале дрейфа; — тангенциальная составляющая скорости вращения электронов относительно оси пушки; составляющая скорости посту- . пательного движения электронов в направлении оси пушки; — отношение энергии вращательного движения к полной энергии электронов; потенциал анода (канала дрейфа).,871672

Hs соотношения (4) получаем величину среднего диаметра потока: л р =,-- (5) о 8 В, 5

Исключая из соотношений (2) и (5) средний диаметр потока Da, получаем следующую зависимость для выбора. конструктивного признака пушки — диамет- 10 ра катода:

-и V (В) К

П (М)= -4,55 10 — -)-,— — — (6)

В (Т7 В„(Т) о

Максимально достижимая величина параметра К ограничена механизмом образования так называемых магнитных пробок в электронно-оптических системах, формирующих потоки 11 с большой энергией вращательного движения в магнитных полях. Режим магнитной про. бки возникает тогда, когда вся энергия потока 11 (или энергия хотя бы некоторой доли электронов потока) превращается полностью в энергию по- 25 перечного (преимущественно враща-, тельного) движения, а продольная составляющая скорости обращается в HOJTb> после чего поток или отдельные электроны потока продолжают свое движение 0 в обратном направлении, то есть отражаются от определенной области пространства. Как и в пушках, используемых в МЦР, где имеет место тот же механизм ограничения энергии вращательного движения электронов, в предлагаемой пушке величина параметра К может достигать величины порядка 0,8, то есть энергия вращательного движения потока 11 может составлять около

80% от полной энергии потока.

Результаты машинного эксперимента, выполненного на ЭВМ с использованием программ для расчета электрических полей и электронных траекторий 45 и для расчета магнитных полей, приведены на фиг. 2 ° Пушка формирует трубчатый электронный поток 11 со

Эк, схОдимОстью пО плОщади (—, = 1 6 ° Вели-,50

1 0 чины индукции магнитного поля на катоде и в канале дрейфа В = -0,05 Т, В =0 8 Т. Первеанс электронного пото@ j ° ка P=I/U> (где I — ток потока, Uпотенциал анода 5, равный потенци- 55 алу канала 10 дрейфа) равнялся О, 5 к х1О А/3Р г. Потенциал анода 5 (канал

4- а дрейфа ) V.=10 кВ. Ширина кольцевого . катода d равнялась 4%. от среднего" диаметра катода Р . По данным машинного эксперимента на выходе из пушки в сечении z=5,5 . получена относительная величина энергии вращательного движения К 0,8 для всех электронов потока, отличающихся радиальной координатой вылета на эмиттирующей поверхности 2 катода (фиг. 3). Разброс относительной скорости вращательного движения электронов (ЧЯl Чг) таас-(Чщ/Ч ) мич у Ч (д» (9 е .1макс+(Vq 7V2 ) M в том же сечении не превышает 4% (фиг. 4).

Таким образом, предложенная электронная пушка для электровакуумных приборов повышает КПД и выходную мощность приборов путем обеспечения вращения потока с циклотронной часто.той относительно оси пушки при задан ной энергии вращательного движения.

Использование предложенной пушки в пениотроне позволит более чем на порядок повысить первеанс (подводиМую мощность) потока по сравнению с ранее используемыми в пениотроне спиральными потоками и, следовательно, более чем на порядок повысить выходную мощность указанного класса приборов. Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других технических преимуществ. Во-первых, она соосна с волноводной структурой и поэтому позволяет без применения дополнительных подстроечных устройств (электрических отклоняющих пластин, механических устройств для корректировки угла встрела потока в магнитное поле) обычными конструктивно-технологическими приемами, известными из практики разработок ЛЬВ и клистронов, обеспечить требуемую точность юстировки потока с волноводной структурой и тем самым повысить КПД и выходную мощность прибора. Во-вторых, конструирование предложенной пушки облегчается тем, что подобные базовые конструкции пушек с отработанной технологией уже известны из разработк

СВЧ-приборов-ЛБВ и клистронов. Применение такой пушки позволит сущест- . венно уменьшить вес и габариты и улучшить параметры мощных СВЧ-устройств коротковолнового СВЧ-диапазона.

871672

Редактор Е.Гиринская Техред А.Кравчук Корректор:,СД1екмар

Заказ 3437 Тираж 303 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