ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА СВЧ ПРИБОРА
ELECTRONIC GUN OF MICROWAVE DEVICE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электронным пушкам для СВЧ приборов О-типа с длительным и дискретным взаимодействием.
В СВЧ приборах О-типа, таких как лампы с бегущей или обратной волной, клистроны, монотроны и т.д., для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ-колебаний используются протяженные электронные пучки, ограниченные в поперечном сечении за счет магнитного поля. Эти электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических систем, содержащих электронные пушки, инжектирующие ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны условной оси пушки. Электрические и геометрические параметры электронного пучка определяются формой электродов пушки и распределением магнитного поля (если оно необходимо), при которых обеспечивается формирование требуемой конфигурации пучка.
Традиционно в электронно-оптических системах приборов СВЧ с одним пролетным каналом для формирования сплошного цилиндрического электронного пучка применяют электронную пушку диодного типа, в которой используется катод, работающий в режиме термоэлектронной эмиссии. Для того, чтобы обеспечить требуемую электронную эмиссию с плотностью тока несколько единиц ампер и более на квадратный сантиметр катод за определенное время нагревают до температур более 1000°С с помощью катодно-подогревательного узла, входящего в состав СВЧ-прибора.
3/2
Известна электронная пушка диодного типа (см. А.И. Астайкин, Л.В. Воронина, А.Ф. Липатов, В.Б. Профе, Вакуумная микроволновая электроника. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2012, с. 121, рис. 4,14 и 4.15), которая содержит следующие основные конструктивные элементы: анод, прикатодный фокусирующий электрод, высокотемпературный подогреватель в виде спирали и термоэмиссионный катод, на сферическую поверхность которого нанесен эмитирующий слой. В такой конструкции электронной пушки эмиссия электронного тока со сферической поверхности катода обеспечивается его нагревом до рабочей температуры (свыше 1600°С), путем подведения к подогревателю электрической мощности питания. Электроны, распространяясь от катода к аноду по радиальным траекториям, создают сходящийся поток с нарастающей плотностью тока. Примыкающий к катоду фокусирующий электрод предназначен для получения требуемой конфигурации эквипотенциальных полей вдоль границы пучка и равномерного распределения электрического потенциала между катодом и анодом (в диодном промежутке). Конструкция пушки позволяет менять расстояние катод-анод и формировать электронные пучки с разными значениями первеанса (до 1 мкА/В) и коэффициента сходимости по плотности тока (до 200). Подогреватель катода электронной пушки имеет форму спирали, изготовленную из тонкой вольфрамовой проволоки, которая за счет приложенного к ее выводам напряжения разогревается до рабочей температуры. В свою очередь, конструкция подогревателя в виде спирали по которой протекает постоянный ток представляет собой катушку, способную создавать паразитный магнитный поток. Этот поток распространяется к катодной поверхности и искажает траектории покидающих катод электронов, снижая его первеанс.
Указанная конструкция электронной пушки является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой электронной пушке СВЧ прибора и выбрана в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатком известной электронной пушки СВЧ прибора является наличие высокотемпературного подогревателя катода, который требует дополнительного источника питания подогревателя и отдельных электрических выводов. Как правило, источник питания подогревателя выполнен в виде отдельного модуля или совмещен с источником ускоряющего напряжения, прикладываемому к катоду пушки, что приводит за счет применения дополнительных схем стабилизации напряжения к усложнению и увеличению габаритов и массы источника питания. К недостаткам наиболее близкого аналога также следует отнести относительно медленное время разогрева катода (до 2 мин.), а также относительно низкую надежность при механических перегрузках (неустойчивость к вибрациям и ударам) из-за малых размеров спирали подогревателя (как правило, диаметр проволоки и шаг намотки спирали менее 1 мм).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электронной пушки СВЧ прибора, в конструкции которой отсутствует высокотемпературный подогреватель катода, питаемый по отдельной цепи от дополнительного источника питания.
Достигаемые технические результаты заключаются в снижении энергопотребления электронной пушки СВЧ прибора, в уменьшении времени разогрева катода и в повышении надежности прибора в целом.
Для достижения технических результатов в электронной пушке СВЧ прибора, содержащей корпус, в котором установлены подогреватель, катод с управляющим электродом и анод, при этом центры анода, катода и управляющего электрода совпадают с продольной осью электронной пушки, новым является то, что подогреватель выполнен в виде дополнительного электрода, а на поверхность катода, обращенную к подогревателю дополнительно нанесен автоэмиссионный слой.
При таком построении электронной пушки СВЧ прибора снижение энергопотребления достигается применением одного источника питания, рабочее (ускоряющее) напряжение которого прикладывается только к катоду. Подогреватель и остальные конструктивные элементы электронной пушки СВЧ прибора находятся под нулевым потенциалом, то есть исключается из схемы питания дополнительный источник питания подогревателя, в отличие от наиболее близкого аналога. Кроме того, замена спирального подогревателя из тонкого провода дополнительным электродом повышает надежность конструкции электронной пушки, а нанесение на поверхность катода, обращенную к подогревателю автоэмиссионного слоя значительно (до 100 раз) уменьшает время разогрева катода.
На фигуре представлен в разрезе продольный вид конструкции (без электрических выводов) электронной пушки СВЧ прибора.
Электронная пушка СВЧ прибора содержит корпус 1, катод 2, термоэмиссионный слой 3, автоэмиссионный слой 4, управляющий электрод 5, анод 6, подогреватель 7.
Подогреватель 7, катод 2 с управляющим электродом 5 и анод 6 установлены в корпусе 1.
Центры анода 6, катода 2 и управляющего электрода 5 совпадают с продольной осью электронной пушки.
Подогреватель 7 выполнен в виде дополнительного электрода. На поверхность катода 2, обращенную к подогревателю 7 дополнительно нанесен автоэмиссионный слой.
Электронная пушка СВЧ прибора работает следующим образом.
При подаче ускоряющего напряжения в зазоре между подогревателем 7 и катодом 2 со стороны автоэмиссионного слоя 4 создается электрическое поле. Расстояние между катодом 2 и подогревателем 7 выбирается из условия формирования электрического поля с требуемой амплитудой для создания необходимой величины тока автоэмиссии. Под действием электрического поля электроны, вылетевшие из автоэмиссионного слоя 4, движутся в сторону подогревателя 7 и в результате соударения об его поверхность их электрическая энергия переходит в тепловую, разогревая подогреватель 7 до рабочей температуры. Это способствует разогреву катода 2 до требуемой температуры, при которой создается необходимая величина тока термоэмиссии. Температура катода со стороны термоэмиссионного слоя 3 зависит от площади подогревателя 7, обращенной к автоэмиссионному слою 4, а также от величины тока автоэмисии.
Был изготовлен опытный образец электронной пушки СВЧ прибора, испытания которого проводились в составе СВЧ прибора О-типа дециметрового диапазона длин волн. При испытаниях была получена необходимая величина тока пучка при заданном ускоряющем напряжении при значительном снижении энергопотребления электронной пушки СВЧ и времени разогрева катода, что подтвердило достижение заявленных технических результатов.