Катодный узел с профилированным тепловым зазором для мощной электронно-лучевой пушки
CATHODE ASSEMBLY WITH PROFILED THERMAL GAP FOR HIGH-POWER ELECTRON BEAM GUN

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов.
Традиционно принято считать катодный узел сердцем электровакуумного прибора. Для мощных электровакуумных приборов СВЧ это представляет особый смысл в связи с тем, что основные электродинамические и эксплуатационные параметры приборов находятся в тесной связи с параметрами катодных узлов. Катодный узел оказывает определяющее влияние на получение высоких параметров, надежности и долговечности электровакуумных приборов.
Катодный узел любого устройства с мощным электронным пучком и термоэмиссионным катодом состоит собственно из катода, подогревательного блока и формирующих электродов, образующих электронно-оптическую систему (ЭОС) электронной пушки. Нагретая до высокой температуры поверхность катода должна быть изолирована от формирующих электродов с тем, чтобы исключить перегрев последних, приводящий к тепловым деформациям, которые нарушают работу ЭОС, а также приводят к расходу дополнительной мощности на паразитный нагрев электродов. Устранение упомянутых нежелательных эффектов достигается за счет выполнения теплового зазора между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода. Однако такой тепловой зазор в принятой практике реализуется не на основании теоретических расчетов, а волюнтаристским образом, обычно в виде горизонтальной щели постоянной ширины, параллельной оси прибора.
Известна конструкция электронной пушки, защищенной патентом США №10475618 «Электронная пушка, способная подавлять влияние электронной эмиссии с боковой поверхности катода», H01J 29/48, H01J 37/075, опубл. 12.11.2019. Известная электронная пушка включает в себя: катод, способный испускать электроны при нагревании; сетку, контролирующую эмиссию электронов катода; и катодный экран, выполненный из электропроводящего материала, включающий в себя поверхность, расположенную вблизи боковой поверхности катода и обращенную, по меньшей мере, к части боковой поверхности через вакуумный зазор либо прослойку из теплоизоляционного материала. Известная электронная пушка способна несколько подавлять влияние эмиссии электронов с боковой поверхности катода. Однако тепловой зазор между катодом и формирующим электродом в катодном узле известной электронной пушки организован без учета результатов теории, а задача исключения паразитной эмиссии электронов не в полной мере решается противопоставленным боковой поверхности электродом с потенциалом катода.
Широко известны научные работы, содержащие расчетные данные, направленные на обоснование необходимости применения в катодных узлах электронно-лучевых пушек профилированных, переменных по ширине тепловых зазоров между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода.
Так, в статье Данилова В.Н., Сырового В.А «К расчету электронных пушек с тепловым зазором по методу синтеза», «Радиотехника и электроника», 1976, Т. 40, №2, с. 418-421, сформулирована концепция профилированного теплового зазора, не нарушающего принятую гидродинамическую модель потока, на примере цилиндрического электронного пучка. В результате решения упомянутых в известной статье уравнений в частных производных теоретически рассчитана конфигурация эквипотенциалей, определяющих сложные криволинейные границы теплового зазора. Однако расчетные исследования, представленные в известной статье, не дают возможности определения практической конструктивной формы профилированного теплового зазора при его практической реализации в катодных узлах современных мощных электровакуумных приборов.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является катодный узел электронно-лучевой пушки, конструктивное исполнение которого защищено патентом SU №1393214 «Электронно-лучевая пушка», H01J 29/48, опубл. 10.06.2000. Известная электронно-лучевая пушка содержит секционированную цилиндрическую вакуумную камеру, одна из секций которой выполнена из электроизоляционного материала, а на ее оси размещен катодный узел с вогнутым сферическим катодом, формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности катода, и анод. Корпус катода выполнен коническим, а формирующий электрод закреплен между секциями вакуумной камеры, каждая из которых выполнена из электроизоляционного материала и образует с конической поверхностью корпуса катода конусообразный зазор, отношение а величины которого к радиусу эмитирующей поверхности выбрано из выражения  Применение известного катодного узла в электронно-лучевой пушке позволяет несколько повысить однородность потока электронов, однако, грубая аппроксимация теоретических результатов и отсутствие конструктивной конфигурации фронтальной поверхности формирующего электрода не позволяет обеспечить надежную работу известного катодного узла, допуская перегрев и тепловые деформации формирующего электрода.
Актуальной задачей при разработке катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки является повышение его надежности и ресурса, повышающих, в свою очередь, надежность и ресурс в целом электроннолучевой пушки. Именно определение практической конструктивной формы и установление конструктивных очертаний профилированного, переменного по ширине теплового зазора между катодом и формирующим электродом, имеющим потенциал, отрицательный по отношению к катоду, позволяет полностью исключить паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, повышая качество электронного пучка, уменьшая токоперехват на элементы конструкции, существенно снижая тепловые деформации формирующего электрода, обеспечив тем самым надежную работу и высокий ресурс катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.
Задача изобретения - повышение надежности работы, увеличение ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.
Техническим результатом изобретения является разработка надежного, с высоким ресурсом, катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки, исполненного с профилированным тепловым зазором между катодом и формирующим электродом, обеспечивающим высокое качество электронного пучка и полностью исключающим паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода.
*
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что катодный узел электронно-лучевой пушки содержит термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода. Термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод имеет отрицательный потенциал ϕ = -ϕ по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов. Положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов, при этом, числовая величина расстояния d определяется значением потенциала ϕ и вычисляется в соответствии со следующими выражениями:
где:
где:
I плотность тока,
А
ϕ - потенциал анода, В;
- удельный заряд электрона;
0
E - диэлектрическая проницаемость вакуума;
*
L - расстояние анод-катод, м,
*
А
при этом ϕ измеряется в долях потенциала анода ϕ, помимо этого, форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности термокатода, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода на расстоянии b от кромки термокатода, определяемом по формуле
В конструкции созданного катодного узла для мощной электроннолучевой пушки выполнен профилированный тепловой зазор между боковой поверхностью термокатода и внутренней стенкой формирующего электрода, имеющего потенциал, отрицательный по отношению к термокатоду. Теоретически обоснованная и технологичная конфигурация такого теплового зазора повышает качество электронного пучка, уменьшает токоперехват на элементы конструкции, что особенно важно для мощных установок, тем самым повышая ресурс и надежность работы плавильной электронно-лучевой пушки в целом.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана технологичная конфигурация профилированного теплового зазора катодного узла, где:
1 - термокатод,
2 - фронтальная эмитирующая поверхность термокатода 1,
3 - формирующий электрод с отрицательным потенциалом,
4 - поток электронов, исходящий от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1,
5 - боковая поверхность термокатода 1,
d - расстояние между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом в 135 градусов от направления потока 4 электронов,
b - расстояние по вертикали от кромки термокатода 1, на котором находится точка сопряжения первой линии с дугой окружности, образующими форму внутренней стенки формирующего электрода 3.
Катодный узел разработан для мощной электронно-лучевой пушки и содержит термокатод 1 с фронтальной эмитирующей поверхностью 2 и боковой поверхностью 5, параллельной внутренней стенке формирующего электрода 3, подогревательный блок (на чертеже не показан) и формирующий электрод 3 с отрицательным потенциалом. Катодный узел предназначен для формирования мощного электронного потока 4 электронов, используемого, например, при плавке металлов в вакуумной камере электронно-лучевого плавильного комплекса.
Термокатод 1 имеет плоскую эмитирующую поверхность 2 и нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод 3 имеет отрицательный потенциал ϕ =- ϕ* по отношению к термокатоду 1. Профилированный тепловой зазор в конструкции катодного узла формируется между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов.
Задавая потенциал формирующего электрода 3, по соотношению  определяется расстояние d, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов, между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка 4 электронов, исходящего от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов. При этом:
где:
I плотность тока,
A
ϕ - потенциал анода, В;
- удельный заряд электрона;
0
E - диэлектрическая проницаемость вакуума;
*
L - расстояние анод-катод, м,
*
А
Потенциал ϕ формирующего электрода 3 измеряется в долях потенциала анода ϕ. Форма внутренней стенки формирующего электрода 3 задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности 5 термокатода 1, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1 на расстоянии b от кромки термокатода 1, определяемом по формуле
Профилированный тепловой зазор обеспечивает реализацию решения уравнений в частных производных, включающих уравнение движения заряженной частицы в самосогласованном электромагнитном поле и уравнения Максвелла для этого поля. Упомянутые уравнения описывают математическую модель, адекватную физической природе явления, состоящего в эмиссии и формировании плотного электронного пучка.
Теоретически рассчитанная конфигурация боковой поверхности термокатода и отрицательной эквипотенциали, образующих профилированный тепловой зазор, легко поддается модификациям с целью придания ей технологичных очертаний без существенного возмущения электронного потока.
Практическое использование теоретически обоснованного профилированного теплового зазора повышает качество мощного электронного пучка, исключает возможность токоперехвата элементами конструкции пушки и паразитную эмиссию с боковой поверхности катода.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании данного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее данное изобретение при его осуществлении, относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов;
- для вышеприведенного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его практического осуществления;
- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении обеспечивает высокое качество электронного пучка, полностью исключает паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, что способствует повышению надежности работы, увеличению ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.
Следовательно, данное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».