МНОГОЛУЧЕВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОПУШКА С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ КАТОДАМИ

Полезная модель относится к мощным источникам электронов, используемых в вакуумных СВЧ приборах.
Известна конструкция электронной пушки с термоэмиссионным нанокомпозитным катодом эллиптической формы [Branko P. Design and Fabrication of a Sheet Beam BWO at 346 GHz / Branko Popovic, Logan Himes, Diana Gamzina, Neville C. Luhmann Jr, Claudio Paoloni // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. - Beijing. - China - 2015. - P. 1-2], размером 0,4×0,25 мм и глубиной 0,5 мм. Для эффективной фокусировки электронного пучка такая пушка снабжена фокусирующим электродом эллиптической формы. Анод - также представляет собой эллиптическое отверстие. Данная конструкция пушки разработана для усилителя, работающего на частоте 346 ГГц.
Преимуществом эмитирующей поверхности катодов эллиптической формы, в отличие от прямоугольных является сглаженность или закругленность их уголков. Таким образом, при формировании и сопровождении электронного потока снижается влияние эффекта закручивания крайних электронов в магнитном поле, что в свою очередь улучшает токопрохождение и снижает тепловую нагрузку на микроразмерные пространственно-развитые структуры в пролетном канале прибора. Однако, существенным недостатком известных конструкций является то, что одинарный электронный пучок эллиптической формы для коротковолновых приборов все равно деформируется, приводя к токооседанию.
Так, электронный пучок с эллиптического катода практически не подвержен деформации в области формирования, однако, начиная с расстояния 7 мм от катода явно прослеживается влияние магнитного поля. При этом электронный пучок, сформированный в высокоплотную тонкую ленту начинает закручиваться, что является существенным недостатком, для миниатюрных терагерцовых приборов типа лампы бегущей волны или лампы обратной волны с протяженным пространством взаимодействия. Также после пролета пучка 10 мм с начала старта, около центрального плотного участка ленты формируются дискретные электроны, которые вероятно будут осаждаться в пролетном канале и увеличивать тепловую нагрузку на элементы пространственно-развитой периодической структуры. Отметим, что при расчетах и моделировании электронных пучков в миниатюрных пролетных каналах для приборов терагерцовой электроники необходимо формировать высокоплотный электронный поток с наибольшей концентрацией электронов в областях, расположенных как можно ближе к электродинамическим элементам замедляющей системы или резонаторам, и для улучшения токопрохождения в пролетном канале необходимо избегать появления дискретных электронов вне области взаимодействия.
2
2
Известно моделирование электронной пушки на основе планарного эллиптического катода, снабженного фокусирующим электродом [Ningfeng В. Design of Low Current Density Elliptical Sheet Beam Gun / Meng Shen, Xiaohan Sun, Fujiang Liao, Jinjun Feng, Tiechang Yan // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. - Beijing. - China - 2015. - P. 1-2]. Эллиптическая поверхность фокусирующего электрода находится под углом 67,5° относительно центральной оси электронно-оптической системы. Плотность тока в пролетном канале равнялась 110 А/см, а ускоряющее напряжение составило 9,5 кВ. В финальном расчете электронно-оптической системы авторам удалось сформировать высокоплотный ленточный ламинарный электронный поток, благодаря выбранному фокусирующему электроду. При этом толщина пучка в сечении составила 800 мкм в ширину и 60 мкм в толщину. Однако, исходя представленных результатов моделирования, пучок расширяется в конечной области взаимодействия, что в свою очередь негативно скажется на токопрохождении и повысит тепловую нагрузку на пространственно-развитую структуру внутри пролетного канала и приведет к ее разрушению. К недостатком следует отнести, что для удержания такого сплошного ленточного пучка в микроканале дрейфа (с плотностью тока 110 А/см) необходимы большие значения магнитных полей, по сравнению с таким же пучком, но разделенным на парциальные эллиптически части.
Известна компьютерная модель прототипа пушки с ленточным электронным пучком, пролетающим сквозь пролетный канал с размерами поперечного сечения 2,5 мм на 0,12 мм [Xiudong Y. Design of an Electron Optics System for a G-Band Sheet Beam Klystron / Xiudong Yang, Shuzhong Wang, Cunjun Ruan, and Changqing Zhang // Vacuum Electronics, 15th IEEE International Conference. - Monterey, CA - USA - 2014. - P. 337-338]. Отметим, что компьютерная модель электронной пушки снабжена фокусирующими электродами в виде рупоров, при помощи которых достигается определенная фокусировка электронного пучка. Ток пучка составил 580 мА, а ускоряющее напряжение 16,5 кВ.
Для эффективной фокусировки электронного пучка в области нарастания от 0 до 4 мм также необходимо подобрать величину магнитного поля. При этом надо учитывать, что электронный пучок пульсирует в магнитном поле и характер пульсации зависит от величины индукции магнитного поля. Характер его дальнейшего возмущения и пульсаций зависит от качественного согласования с магнитным полем в области нарастания. Показана эволюция электронного пучка в магнитном поле, в сечениях a, b, c, d, где прослеживаются явные пульсации, что является существенным недостатком. В сечениях b, d наблюдается формирование высокоплотных сгустков в центральных областях сечения электронного пучка, при этом вокруг этих электронных сгустков формируются одинокие электроны, которые могут оседать на элементы пролетного канала.
Однако в сечениях b, с электронные сгустки находятся дальше от стенок канала, чем в сечениях а, с. Таким образом, можно заключить, что авторам частично удалось отдалить высокоплотный электронный пучок от стенок пролетного канала, хотя и не везде по пути его следования, что является определенным недостатком. Также к недостаткам относится величина зазора между крайними электронами и стенками пролетного канала, которая не является постоянной величиной.
Известна разработка прототипа терагерцового вакуумного СВЧ усилителя [Ke L. Nonlinear Beam-wave Interaction of Terahertz Two-beam Folded Waveguide Traveling Wave Tube / Ke Lil, Wenxin Liu, Yong Wang, Miaomiao Cao // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. - Beijing. - China - 2015. - P. 1-2] на основе петляющего волновода. Авторы используют компьютерную модель многолучевой электронной пушки, чтобы снизить нагрузку на электродинамические узлы прибора и снизить значение магнитного поля. Величина зазора между огибающей электронного пучка и элементами пространственно-развитой периодической структуры составила более 10 мкм. Однако существенным недостатком является очень низкий ток пучка 24 мА, его можно было бы увеличить, заменив круглые пучки на эллиптические.
Задачей полезной модели является создание конструкции электронной пушки, которая обеспечит образование электронного потока, состоящего из отдельных парциальных эллиптических электронных пучков, в пролетном канале прибора.
Техническим результатом является формирование электронной пушкой парциальных эллиптических пучков, которые легче сопровождать магнитным полем. Для сопровождения парциальных эллиптических пучков в пролетном канале прибора требуется магнитное поле меньшей величины, чем для сплошного ленточного пучка.
Это достигается тем, что многолучевая электронная пушка содержит теневую сетку, фокусирующий электрод и анод, катод с N=3 расположенными в один ряд выступами, с которых осуществляется электронная эмиссия. При этом выступы катода выполнены в виде эллипсов в поперечном сечении, а теневая сетка, фокусирующий электрод и анод выполнены с N=3 эллиптическими отверстиями, причем малые и большие полуоси эллиптических отверстий теневой сетки, фокусирующего электрода и анода больше соответствующих полуосей эллиптических выступов катода. Полуоси эллиптических выступов, теневой сетки, фокусирующего электрода и анода находятся в соотношении:
1
2
2
3
3
4
a=(0,8÷0,95)а; а=(0,7÷1,2)а; а=(0,6÷1,5)а;
1
2
2
3
3
4
b=(0,8÷0,95)b; b=(0,7÷1,2)b; b=(0,6÷1,5)b;
1
где a - большая полуось эллиптических выступов,
1
b - малая полуось эллиптических выступов,
2
а - большая полуось эллипса теневой сетки,
2
b - малая полуось эллипса теневой сетки,
3
а - большая полуось эллипса фокусирующего электрода,
3
b - малая полуось эллипса фокусирующего электрода,
4
а - большая полуось эллипса анода,
4
b - малая полуось эллипса анода.
Заявленная полезная модель иллюстрируется рисунками.
На фиг. 1 показана заявленная конструкция многолучевой электронной микропушки.
На фиг. 2 представлены результаты траекторного анализа электронной пушки выполненного в программе Lorentz-3ЕМ для числа выступов N=3.
Позициями на рисунках обозначены: эллиптические катодные выступы (1), теневая сетка (2), фокусирующий электрод (3), анод (4), эллиптические отверстия в теневой сетке (5), эллиптические отверстия в фокусирующем электроде (6), эллиптические отверстия в аноде (7), электронный пучок (8), вид фронтального сечения электронного пучка в пролетном канале (9).
Пример реализации данной электронной пушки демонстрируется проведением численного эксперимента, по моделированию электронной пушки и формированию электронного пучка в программе Lorentz-3ЕМ на фиг. 2. Общий ток пучка составил 60 мА, а величина индукции магнитного поля 0.9 Тл. Геометрические характеристики конструкции пушки представлены в таблице 1:
Список источников:
1. Branko P. Design and Fabrication of a Sheet Beam BWO at 346 GHz / Branko Popovic, Logan Himes, Diana Gamzina, Neville C. Luhmann Jr, Claudio Paoloni // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. -Beijing. - China - 2015. - P. 1-2.
2. Ningfeng В. Design of Low Current Density Elliptical Sheet Beam Gun / Meng Shen, Xiaohan Sun, Fujiang Liao, Jinjun Feng, Tiechang Yan // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. - Beijing. - China - 2015. - P. 1-2.
3. Xiudong Y. Design of an Electron Optics System for a G-Band Sheet Beam Klystron / Xiudong Yang, Shuzhong Wang, Cunjun Ruan, and Changqing Zhang // Vacuum Electronics, 15th IEEE International Conference. - Monterey, CA - USA - 2014. - P. 337-338.
4. Ke L. Nonlinear Beam-wave Interaction of Terahertz Two-beam Folded Waveguide Traveling Wave Tube/ Ke Lib Wenxin Liu, Yong Wang, Miaomiao Cao // Vacuum Electronics, 16th IEEE International Conference. -Beijing. - China - 2015. - P. 1-2.