Магнетронная электронная пушка клистрона

Полезная модель относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использована при разработке мощных источников радиочастотного излучения для применения в радиолокации и ускорителях заряженных частиц. Для данных применений весьма актуальной задачей является создание источников с улучшенными мощностными и массо-габаритными характеристиками, работающих в дециметровом диапазоне длин волн. В этом спектральном диапазоне в качестве таких приборов в основном (в ускорительной технике особенно) используются пролетные усилительные клистроны.
Конструктивно любой клистронный прибор СВЧ содержит электронную пушку, систему транспортировки электронного пучка, резонаторную структуру, элементы которой разделены пространствами дрейфа, устройство ввода задающего сигнала и вывода излучения в нагрузку (Ю.А. Кацман Приборы сверхвысоких частот // М. - Высшая школа. - 1973).
3/2
2
8
9
2
В мощных классических (промышленных) клистронах формирование пучка осуществляется с помощью электронной пушки Пирса, в которой применяется катод, работающий на основе явления термоэлектронной эмиссии. Пушка Пирса характеризуется практически полным отсутствием ведущего магнитного поля на катоде и большой компрессией пучка по площади. При этом формируется цилиндрический сплошной пучок. Известны также и клистронные магнетронные пушки с термоэмиссионными катодами, но широкого распространения в классических приборах пролетного типа, к которым относятся клистроны, они не получили. Технологии классических клистронов хорошо отработаны, что позволяет промышленно выпускать источники радиочастотного излучения с импульсной мощностью до 60…70 МВт. Однако дальнейшее повышение выходной мощности классических клистронов при сохранении массогабаритных характеристик наталкивается на серьезные трудности. Эти проблемы в основном связаны с типом применяемых источников электронов в таких приборах - пушками Пирса. Повышение мощности выходного СВЧ-излучения и, соответственно, параметров электронного пучка может осуществляться двумя путями: за счет повышения энергии электронов или роста тока пучка. В настоящее время амплитуда импульсов ускоряющего напряжения на пушках мощных промышленных клистронов таких приборов превышает 400 кВ, и с практической точки зрения дальнейший рост этого параметра представляется нецелесообразным из-за чрезмерного увеличения габаритов систем питания и самой пушки. Одновременно с ростом напряжения падает и надежность прибора в целом. Повышение же тока пучка в промышленных клистронах с термокатодами также труднореализуемо. Прямые эксперименты показали, что повышение первеанса пучка, который является мерой его интенсивности до 2,5…3 мкА/В, приводит к резкому снижению КПД клистрона из-за сильного негативного влияния на работу пушки объемного заряда. Имеются сообщения об использовании магнетронных пушек в составе классических клистронов, но добиться существенного роста тока пучка в этом случае не удается из-за относительно низкой плотности тока с поверхности термокатода, которая для лучших образцов составляет не более 8…10 А/см. Превышение этих значений существенно снижает ресурс катода и, как следствие, всего прибора в целом. Таким образом, для повышения выходной мощности источников радиочастотного излучения типа прямопролетных клистронов необходимо увеличение тока пучка электронов и, как следствие, его мощности. Реализация этих требований возможна с использованием магнетронной пушки, источником электронов в которой является боковая поверхность конусного катода. При оптимальном выборе угла конусности и длины конусной части достигается существенный рост тока пучка по сравнению с классическими пушками Пирса без компрессии по площади. Для предотвращения попадания электронов на анод магнетронная пушка помещается в магнитное поле. Однако существенный рост тока пучка при использовании термокатода невозможен из-за ограничений на плотность тока с поверхности. Добиться кардинального увеличения мощности пучка и, как следствие, выходной СВЧ-мощности можно за счет использования катода с другим типом эмиссии. Известен способ генерации сильноточных пучков на основе взрывной электронной эмиссии, при которой источником электронов служит плазма, образующаяся при взрыве микронеоднородностей (острий, лезвий, включений) под действием протекающего по ним автоэмиссионного тока. Данный способ формирования пучков обеспечивает плотность тока до 10…10 А/см. Однако образующееся облако плазмы, расширяясь, оказывает негативное влияние на стабильность энергии электронов пучка и согласование электронной пушки с источником питания. Для стабилизации работы взрывоэмиссионных электронных пушек необходимо принимать специальные меры, снижающие скорость распространения катодной плазмы. Одним из методов такого снижения является уменьшение напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке, что достигается увеличением его длины и введением в состав катода дополнительного элемента, позволяющего регулировать величину поля в области, непосредственно прилегающей к эмитирующей поверхности. Но снижение этой напряженности ведет к ухудшению условий для микровзрывов на поверхности катода и возникновению неравномерности генерации электронного пучка. Проблема эта решается за счет использования искусственно вводимых острийных эмиттеров, на вершинах которых относительно невысокое ускоряющее поле усиливается до требуемых величин. Таким образом, при оптимальном выборе геометрических размеров элементов электронной пушки, ускоряющего напряжения, подаваемого от источника питания, материала, формы эмиттеров и дополнительного элемента катодной сборки на основе явления взрывной эмиссии возможно существенное повышение тока пучка по сравнению с пушками Пирса и магнетронными пушками классических клистронных СВЧ-приборов с термокатодами. Дополнительный электрод, с помощью которого осуществляется оптимизация величины напряженности электрического поля на катоде, может одновременно выполнять и защитную функцию от плазмы и электронов, которые движутся вдоль силовых линий магнитного поля и попадают на высоковольтный изолятор пушки. Попадание заряженных частиц на поверхность диэлектрика с неизбежностью приводят к пробою вдоль его поверхности. Увеличение длины пушки для предотвращения данного нежелательно эффекта приводит к существенном росту линейных размеров прибора.
2
-6
3/2
В качестве прототипа наиболее близкого к решаемой задаче выбрана конструкция магнетронной высокопервеансной электронной пушки, представленная в патенте РФ №2449467 (К.Г. Симонов Сверхмощное СВЧ устройство // Опубл. 27.04.2012 г. бюл. №12). Электронная пушка прототипа образована анодом, катодом и двумя формирующими электродами -передним и задним. При этом формирующие электроды электрически соединены с катодом, находятся под равным с ним потенциалом и подключены к источнику импульсов высокого напряжения. Эмитирующая поверхность катода имеет форму боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида. Генерация электронного пучка в прототипе осуществляется на основе явления термоэмиссии с плотностью тока пучка до 10 А/см, что позволяет формировать полый электронный пучок с первеансом до 3×10 А/В. Пушка расположена в магнитном поле, которое генерируется системой соленоидов магнитного поля. Прототип характеризуется достаточно низкой величиной тока пучка, что не позволяет увеличивать величину выходной импульсной мощности клистрона.
Техническая проблема состоит в совершенствовании конструкции магнетронной пушки мощного клистрона, которая позволяет на основе взрывной эмиссии электронов повысить ток пучка, минимизировав при этом негативное влияние расширяющейся плазмы.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является существенный рост тока электронного пучка и, как следствие, возможность повышения выходной импульсной мощности излучения клистрона.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известной магнетронной электронной пушки клистрона, содержащей находящиеся в магнитном поле высоковольтный изолятор и подключенные к источнику высокого напряжения анод, дополнительный электрод и катод, эмитирующая поверхность которого имеет форму тела вращения, в предложенной магнетронной электронной пушке эмитирующая поверхность катода включает микроострия, обеспечивающие взрывную эмиссию при задействовании источником высокого напряжения, а дополнительный электрод расположен с противоположной стороны от вывода электронного пучка из пушки и представляет собой осесимметричный элемент с внешним диаметром, превышающим диаметр катода.
Как известно, при использовании взрывной эмиссии источником электронов пучка является плазма, которая образуется при микровзрывах вершин острий на поверхности катода. В течение ускоряющего импульса облако плазмы расширяется в сторону анода, высоковольтного изолятора и резонансной структуры. При этом ее скорость без принятия специальных мер может достигать 3 и более сантиметров в микросекунду. Это негативное явление приводит к сокращению зазора анод-катод, тем самым ухудшая согласование источника питания и электронной пушки. Попадание плазмы на поверхность высоковольтного изолятора ведет к его пробою. Все обозначенные выше негативные последствия из-за наличия в ускоряющем зазоре расширяющейся плазмы особенно ярко проявляются при длительностях импульса более 1 мкс. В ускорительной технике с применением радиочастотных методов длительность СВЧ-импульсов клистронов достигает 6 и более микросекунд. Таким образом проблема ограничения негативного влияния плазмы в магнетронных пушках со взрывной эмиссией достаточно актуальна. Экспериментально установлено, что скорость расширения плазмы зависит от величины напряженности поля в зазоре анод-катод. Поэтому с точки зрения снижения влияния плазмы на характеристики пушки целесообразно работать при минимально допустимых значениях напряженности ускоряющего поля. Функцию регулировки величины напряженности на катоде и вблизи его поверхности можно осуществить с помощью дополнительного электрода, находящегося с противоположной стороны от вывода электронного пучка из пушки. Данный осесимметричный элемент, имеющий внешний диаметр, больший, чем диаметр катода, за счет экранировки снижает напряженность электрического поля на эмитирующей поверхности и области вокруг нее. Одновременно с частичной экранировкой эмитирующей поверхности катода этот электрод, находясь на траекториях движения обратных электронов и плазмы, предотвращают их попадание на высоковольтный изолятор. Для эффективного перехвата данный элемент должен пересекать магнитные силовые линии, выходящие из резонансной структуры, идущие вдоль поверхности катода и пересекающие поверхность изолятора.
В прототипе заявляемой магнетронной пушки также присутствует дополнительный электрод, однако его функция сводится к формированию пучка заданной формы и движению по траектории, оптимально выводящей его из области пушки в резонансную структуру.
На фиг. представлена схема заявляемой магнетронной пушки где,
1 - катод с конусной поверхностью, способной к взрывной электронной эмиссии;
2 - анод;
3 - дополнительный электрод;
4 - высоковольтный изолятор;
5 - источник магнитного поля;
6 - источник высокого напряжения;
7 - силовая линия магнитного поля.
Заявляемая магнетронная электронная пушка реализована следующим образом.
Цилиндрический анод 2, катод 1 с конусной поверхностью, способной к взрывной электронной эмиссии, дополнительный электрод 3 находятся в магнитном поле, образованном источником 5. Катод, анод и дополнительный электрод подключены к источнику высокого напряжения 6. Силовые линии магнитного поля 7, проходящие через отверстие ввода электронного пучка в резонансную структуру, а также вблизи поверхности катода, пересекают поверхность высоковольтного изолятора 4.
Заявляемая электронная магнетронная пушка клистрона работает следующим образом. При приложении от высоковольтного источника к аноду 2, катоду 1 и дополнительному электроду 3 напряжения, на конической поверхности катода происходят взрывы микроострий и поверхность катода покрывается облаком плазмы. При этом напряженность электрического поля в зоне образования и расширения плазмы снижена за счет экранирующего действия дополнительного электрода. Из облака плазмы начинается эмиссия интенсивного электронного пучка, при этом облако плазмы непрерывно расширяется со скоростью, которая может достигать 3 и более сантиметров в микросекунду. Движение электронов осуществляется преимущественно в сторону резонансной структуры, но часть электронов движется и в обратную сторону (обратные электроны) вдоль силовых линий магнитного поля по направлению к высоковольтному изолятору 4. Если геометрия и размеры дополнительного электрода выбраны оптимальными, то попадание плазмы и электронов на высоковольтный изолятор не происходит. Критерием оптимальности размера и формы являются снижение напряженности электрического поля над поверхностью катода до минимальных значений, обеспечивающих, тем не менее, взрывную эмиссию, отсутствие с дополнительного электрода эмиссии и пробоев на анод, а также идущие вдоль поверхности катода силовые линии магнитного поля должны пересекаться дополнительным электродом, препятствуя, тем самым, попаданию заряженных частиц на поверхность изолятора.
Таким образом заявленная магнетронная электронная пушка со взрывной эмиссией позволяет существенно повысить ток пучка при минимальном негативном влиянии расширяющейся катодной плазмы. Применение такой пушки обеспечивает возможность существенного роста выходной мощности излучения в клистронах.