ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА МАГНЕТРОННОГО ТИПА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ЛОВУШКОЙ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
MAGNETRON-TYPE ELECTRON GUN FOR GENERATING HELICAL ELECTRON BEAMS WITH REFLECTED ELECTRON TRAP

Данное изобретение относится к электронно-оптическим системам мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), а именно к электронным пушкам, например гиротронов, содержащим средства для удаления электронов, отраженных магнитной пробкой, из электронного потока.
⊥
║
⊥
║
Большинству электронных пушек, используемых в гироприборах и формирующих винтовые электронные пучки (патенты US 4445070, US 4636688, US 4926093, US 5818170, US 6847168, US 5814939 МПК H01J 23/00, 06; 25/02 (2006.01)), содержащих аксиально-симметричные катод с эмитирующим пояском, анод и трубку дрейфа, присущ общий недостаток: разброс скоростей электронов, являющийся неотъемлемой особенностью формируемых электронных потоков. Этот недостаток лимитирует максимальную энергию вращательного движения электронов и КПД гиротрона. При движении между катодом и резонатором электроны с относительно малыми поступательными скоростями отражаются от магнитной пробки и не попадают в резонатор. Магнитная пробка обусловлена нарастающим магнитным полем при движении электронов к пространству взаимодействия. Отраженные магнитной пробкой электроны не попадают ни на анод, ни на катод и накапливаются в пространстве между катодом и магнитной пробкой, что приводит к увеличению разброса питч-факторов g=v/v (где v и v - скорости вращательного и поступательного движения электрона) и возбуждению паразитных низкочастотных колебаний.
Наиболее близким аналогом предлагаемой электронной пушки магнетронного типа с ловушкой отраженных электронов является электронная пушка магнетронного типа для формирования винтовых электронных пучков, известная из SU №688023 МПК H01J 23/06 (2006.01), публикация 10.08.2011 г. Данная известная пушка содержит аксиально-симметричные катод с эмитирующим пояском и анод. При этом ловушка для электронов выполнена в виде, по крайней мере, одного дополнительного электрода, укрепленного на внутренней поверхности анода и перекрывающего 0.1-0.4 площади поперечного сечения электронного потока.
В данной электронной пушке указанный выше недостаток конструкций электронных пушек аналогов частично устранен благодаря тому, что значительная часть электронов, отраженных магнитной пробкой, при возвращении от катода перехватывается продольными пластинами ловушки из-за азимутального дрейфа в скрещенном поле вблизи катода. После небольшого числа пролетов между катодом и магнитной пробкой все отраженные электроны оседают на продольных пластинах ловушки, что позволяет повысить пороговую величину тока, при которой развивается неустойчивость электронного потока.
Недостатком электронной пушки прототипа является то, что в ней допускается несколько колебаний части отраженных электронов между катодом и магнитной пробкой, что не предотвращает накопления в этой области относительно большого пространственного заряда и, как следствие, приводит к снижению эффективности генерации микроволнового излучения и к ухудшению спектральных характеристик излучения, генерируемого прибором.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является устранение указанного недостатка, а именно разработка электронной пушки с такой конфигурацией электродов ловушки отраженных электронов, когда каждый отраженный от магнитной пробки электрон перехватывается при первом же отражении от магнитной пробки.
Технический результат в разработанной электронной пушке магнетронного типа для формирования винтовых электронных пучков с ловушкой отраженных электронов достигается за счет того, что она, как и прототип, расположена в магнитном поле рассеяния основного соленоида и содержит аксиально-симметричный катод, на конической части которого имеется эмитирующий поясок, и анод. При этом ловушка для электронов выполнена в виде, по крайней мере, одного дополнительного электрода, укрепленного на внутренней поверхности анода.
Новым в разработанной электронной пушке магнетронного типа для формирования винтовых электронных пучков с ловушкой отраженных электронов является то, что каждый электрод ловушки выполнен в виде ребра, изогнутого по винту, а катод снабжен цилиндрическим наконечником, длина которого не меньше, чем длина ребра ловушки.
В первом частном случае реализации разработанной электронной пушки магнетронного типа наряду с основным соленоидом целесообразно ввести в конструкцию дополнительную магнитную катушку для коррекции распределения магнитного поля.
Во втором частном случае реализации разработанной электронной пушки целесообразно на катодном эмитирующем пояске выполнить неэмитирующие участки, число которых равно числу ребер ловушки, и расположить их таким образом, чтобы исключить прямое попадание электронов с катода на ребра ловушки.
В третьем частном случае реализации разработанной электронной пушки целесообразно в начале и в конце каждого ребра ловушки выполнить скосы так, чтобы длина ребра в месте прикрепления к аноду была больше, чем длина его части, обращенная к оси системы.
В четвертом частном случае реализации разработанной электронной пушки целесообразно ребра ловушки отраженных электронов выполнить таким образом, чтобы в поперечном сечении каждое ребро ловушки расширялось к основанию, которым оно прикреплено к аноду.
Таким образом, как предложено авторами, катод электронной пушки удлиняется цилиндрическим стержнем, а на аноде устанавливаются винтовые ребра, не препятствующие движению электронов от катода к резонатору, но полностью поглощающие электроны, отраженные магнитной пробкой при их первом пролете к катоду. Чтобы избежать излишней тепловой нагрузки на ребра, участки катода, с которых электроны попадали бы на торцы ребер, выполнены неэмитирующими.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически изображено продольное сечение одного из вариантов пушки с ловушкой отраженных электронов, где изгиб ребра по винтовой линии не показан.
На фиг.2 изображена часть электронной пушки с ловушкой отраженных электронов в проекции, позволяющей показать изгиб ребер ловушки по винтовой линии. Для наглядности расстояние между анодом и катодом на фиг.2 увеличено, а профиль ребер выполнен прямоугольным.
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover>
На фиг.3 для пояснения прохождения электронов пучка через ловушку отраженных электронов и перехвата электронов при их возвратном движении после отражения от магнитной пробки показаны проекции ребра и траекторий электронов на поверхность "азимутальный угол θ - продольная координата z''. Векторами
и
показаны направления скрещенных электрического и магнитного полей.
На фиг.4 показан эмитирующий поясок катода с заштрихованными неэмитирующими участками.
На фиг.5 (а, б) показаны некоторые из возможных форм ребер ловушки: (а) - поперечное сечение ребра с утолщением у стенки анода и (б) - проекция сечения ловушки вдоль винтовой линии ребра со скругленными краями на плоскость.
r
r
⊥
⊥
⊥
⊥
На фиг.6 графически представлены результаты расчетов эффективности генерации гиротрона с использованием предлагаемой электронной пушки, а именно зависимости среднего питч-фактора g (верхний график), электронного КПД η (сплошная линия, нижний график) и нормированной выходной мощности Р=η(1-I/I) (штриховая линия, нижний график) от отношения перехватываемого ловушкой тока I к полному току I электронного пучка для различных значений относительного разброса осцилляторных скоростей (скоростей вращательного движения) электронов δv (δv=0.2 - треугольники, δv=0.3 - квадраты, Sv=0.4 - ромбы).
⊥0
║0
⊥0
║0
Разработанная электронная пушка магнетронного типа для формирования винтовых электронных пучков с ловушкой для отраженных электронов содержит (см. фиг.1) аксиально-симметричный катод 1 с эмитирующим пояском 2, анод 3, а также ловушку отраженных электронов со скрещенным электрическим и магнитным полем, образованную удлиненным концом 4 катода 1 и продолжением анода 3, к внутренней поверхности которого прикреплены один или несколько электродов в виде ребер 5, изогнутых относительно оси прибора по винтовой линии с углом φ=arctg(v/v), где v - скорость вращательного движения электрона и v - скорость его поступательного движения (см. фиг.2 и 3). Электронная пушка находится в магнитном поле рассеяния основного соленоида 6 (см. фиг.1).
Предпочтительно формировать в области пушки с ловушкой для отраженных электронов однородное магнитное поле, что позволяет понизить как удельные тепловые нагрузки, так и напряженности электрического поля на ребрах 5, а также упростить расчет и изготовление разработанной электронной пушки. Для формирования однородного магнитного поля целесообразно ввести в конструкцию дополнительную магнитную корректирующую катушку 7 (см. фиг.1).
Для предотвращения снижения КПД прибора те участки эмитирующего пояска 2, с которых эмитированные электроны попадали бы на ребра 5 при движении от катода 1 в сторону рабочего пространства, должны быть сделаны неэмитирующими (см. фиг.4). Также для уменьшения тепловой нагрузки на ребра 5 ловушки и улучшения теплоотвода их части, обращенные как к катоду, так и к рабочему пространству прибора, могут быть сделаны наклонными, то есть в начале и конце каждого ребра 5 ловушки могут быть выполнены скосы. Кроме того, поперечное сечение каждого ребра 5 ловушки может расширяться к месту крепления на стенке анода 3 (см. фиг.5, а).
Для уменьшения напряженности электрического поля на ребрах 5 их части, обращенные к оси системы, должны быть закруглены (сглажены) (см. фиг.5, б).
Внутри анода 3 с закрепленными в нем ребрами 5 целесообразно выполнить полости для принудительного жидкостного охлаждения (на чертежах не показаны).
Разработанная электронная пушка магнетронного типа для формирования винтовых электронных пучков с ловушкой отраженных электронов работает следующим образом.
Движение электрона после вылета с эмитирующего пояска 2 катода 1 в скрещенном электрическом и магнитном поле можно представить как сумму следующих трех видов движения: вращательного - с циклотронной частотой, дрейфа в азимутальном направлении (по часовой стрелке или против нее в зависимости от направления магнитного поля) и поступательного движения вдоль оси z гироприбора. Таким образом, в ловушке, образованной удлиненным концом 4 катода 1 и ребрами 5, движение ведущего центра электронной орбиты происходит по винтовой линии с шагом 2Rφ, где R - радиус ведущего центра орбиты электрона (в однородном магнитном поле он равен радиусу точки вылета электрона с катода), а φ - угол между направлением азимутального дрейфа электрона и осью симметрии системы. Поскольку винтовая линия ребра 5 ловушки также выполнена с углом φ относительно оси z прибора, то ведущие центры электронных орбит первичного пучка (непосредственно после вылета электронов с катода 1) движутся вдоль ребер 5, и преобладающая часть электронов проходит через ловушку, не задевая ребер 5.
Для упрощения расчета и изготовления электронной пушки электрическое и магнитное поля в ловушке формируются однородными: для этого удлиненный конец 4 катода 1 и продолжение анода 3 в ловушке должны быть цилиндрическими, а магнитное поле рассеяния основного соленоида 6 корректируется с помощью дополнительной катушки 7. Выйдя из ловушки, электроны попадают в эквипотенциальное пространство, где их траектории становятся винтовыми. При дальнейшем движении электронов к рабочему пространству гироприбора в нарастающем магнитном поле скорости вращательного движения электронов возрастают, а скорости их поступательного движения вдоль оси прибора, соответственно, уменьшаются. В рабочем пространстве, где магнитное поле является максимальным, вращательные скорости электронов также максимальные. Однако из-за разброса скоростей часть электронов, обладающих максимальными вращательными скоростями, не попадает в рабочее пространство, поскольку их продольные скорости обращаются в нуль и меняют направление на обратное там, где их вращательные скорости сравниваются с полной скоростью электронов. Эти электроны (отраженные электроны) возвращаются в сторону катода 1. В ловушке все они попадают на ребра 5 ловушки при достаточной их длине, как показано на фиг.3, что позволяет решить поставленную задачу. Работа предлагаемой электронной пушки в частных случаях реализации не изменяется.
Отбор отраженных электронов позволяет осуществить режим работы с увеличенным средним питч-фактором g электронного потока и, соответственно, повышенным КПД гироприбора η (см. фиг.6) и при этом предотвратить неустойчивость электронного потока, нарушающего нормальную работу гироприбора.
Оценки показывают, что для значительного повышения КПД целесообразно отводить на ребра ловушки от 0.1 до 0.2 части полного тока электронного пучка без существенного снижения мощности прибора (см. фиг.6). Выходная мощность гиротрона может достигать примерно 1 кВт на основной частоте циклотронного резонанса (гирочастоте) и порядка 100 Вт на 2-ой гармонике гирочастоты.
Таким образом, в предлагаемой конструкции электронной пушки с ловушкой электронов основными существенными признаками являются катод, снабженный удлиненным цилиндрическим наконечником, и анод с укрепленными на нем ребрами, изогнутыми по винту, что позволяет полностью решить проблему удаления отраженных электронов из электронного потока. Частные случаи реализации дополнительно позволяют: упростить изготовление электронной пушки (п.2), уменьшить локальные неоднородные электрические поля (п.5) и снизить удельные тепловые нагрузки на ребра ловушки (п.3, 4, 5).