Катод магнетронной электронной пушки

Полезная модель относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использована при разработке мощных источников радиочастотного излучения и ускорителей заряженных частиц. Для этих применений актуальной является задача формирования интенсивных трубчатых электронных пучков, обладающих высокой однородностью тока по сечению.
Одним из устройств, позволяющих формировать такие пучки, является магнетронная пушка. В основе функционирования такой пушки лежит движение эмитируемых катодом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. При этом катод, как правило, делается конусным, за счет чего электрическое поле у поверхности катода имеет составляющую, направленную вдоль оси катода. За счет этой составляющей эмитируемые электроны вытягиваются из электронной пушки.
2
-6
3/2
В качестве источника электронов в магнетронных пушках классических (промышленных) мощных СВЧ-приборов используется термокатод, который обеспечивает плотность тока с поверхности на уровне 5…10 А/см. Имеются сообщения, что пушки такого типа в составе мощных клистронов формировали пучки с первеансом до 9×10А/В. Однако дальнейшее продвижение в сторону увеличения интенсивности трубчатых пучков ограничивается эмиссионной способностью термокатода. Для дальнейшего увеличения тока пучка, а значит и первеанса, который является мерой его интенсивности, необходимо либо существенно увеличивать площадь боковой эмитирующей поверхности, либо переходить к другим явлениям, лежащими в основе эмиссии электронов. Увеличение длины конусного катода в термоэмиссионных магнетронных пушках является нецелесообразным, поскольку в этом случае конусность катода становится недопустимо малой, либо при сохранении конусности оптимальной, недопустимо большой становится радиальная толщина пучка. Кроме того, чрезмерное увеличение эмитируемой поверхности с неизбежностью увеличивает неоднородность эмиссии электронов.
Данную проблему повышения тока (интенсивности) электронного пучка, формируемого магнетронной пушкой, можно решить за счет использования явления взрывной электронной эмиссии, которая обеспечивает плотность тока электронов с поверхности на несколько порядков выше, чем термоэмиссия. Это позволяет формировать тонкие в радиальном направлении пучки при относительно небольшой эмитирующей поверхности. Однако наличие конусности, и участков, не являющихся эмитирующими, приводит к неоднородности напряженности ускоряющего поля на поверхности катода. (Электронные пучки и электронные пушки./ И.В. Алямовский.- Советское радио. М - 1966, с. 299). Это, в свою очередь, ведет к неравномерности эмиссии электронов с поверхности катода и плотности тока электронного пучка по сечению. Другим негативным следствием неоднородности эмиссии является неравномерность эрозии катода.
За прототип, наиболее близкий к решаемой задаче, выбрана конструкция магнетронной высокопервеансной электронной пушки, представленная в патенте РФ №2562798 (А.А. Борисов и др. Сверхмощный СВЧ прибор клистронного типа//Опубл. 10.09.2015 г. бюлл. №25). Эмитирующая поверхность термокатода электронной пушки выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида, в котором пушка расположена.
Недостатком катода электронной пушки, выбранного в качестве прототипа, является неравномерность напряженности электрического поля на его поверхности, ведущая к неравномерности тока эмиссии по площади катода.
Техническая проблема состоит в совершенствовании конструкции катода магнетронной пушки, причем в качестве перспективного направления развития выбрано совершенствование конструкции катода на основе явления взрывной электронной эмиссии.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение равномерности тока с поверхности катода и, как следствие, однородности тока по сечению электронного пучка.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного катода магнетронной электронной пушки, находящегося в магнитном поле и подключенного к источнику высокого напряжения и имеющего вид усеченного конуса, боковая поверхность которого является источником электронов, в предложенном катоде магнетронной электронной пушки боковая поверхность катода, являющаяся источником электронов и имеющая вид усеченного конуса, образована набором неравномерно расположенных эмиттеров, геометрия и взаимное положение которых обеспечивает равенство напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров.
Выбор в качестве обоснованного направления развития -усовершенствования катода на основе явления взрывной эмиссии -обусловлено следующим. Достижение повышения тока (интенсивности) электронного пучка, формируемого магнетронной пушкой, за счет использования явления взрывной электронной эмиссии возможно, так как взрывная эмиссия обеспечивает плотность тока электронов с поверхности на несколько порядков выше, чем термоэмиссия, имеющая место в прототипе. При взрывной эмиссии эмитирующую поверхность чаще всего образует набор острий или лезвий (эмиттеров), протекание автоэмиссионного тока через которые приводит к микровзрывам их вершин. При этом образуется плазменная поверхность, которая и служит источником электронов. Для получения однородной эмиссии должно быть обеспечено равенство напряженности электрического поля на их вершинах.
При выборе параметров набора нерегулярно расположенных на поверхности катода эмиттеров необходимо руководствоваться следующим. Известно, что напряженность поля на вершине эмиттера взрывоэмиссионного катода Е определяется прикладываемым от источника напряжением U, зазором анод-катод d, и коэффициентом усиления поля μ на вершине эмиттера. Таким образом, приближенно E=μU/d. Так как катод магнетронной пушки является конусным, то напряженность электрического поля от внешнего источника (E=U/d) на поверхности катода не является постоянной. В свою очередь, коэффициент усиления является функцией диаметра (толщины для лезвия) эмиттера, его высоты над поверхностью катода, к которой он крепится, и расстояния между соседними эмиттерами (Электронные пучки большого сечения. / С.П. Бугаев, Ю.Е. Крейнпель, П.М. Шанин. - Энергоатомиздат. М 1984, с. 80). В итоге, за счет изменения формы (геометрии) и взаиморасположения эмиттеров на конусной поверхности катода, можно обеспечить постоянство напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров, что автоматически ведет к равномерной эмиссии электронов по площади и, как следствие, однородности по сечению тока электронного пучка.
Таким образом, для повышения равномерности тока с поверхности катода необходимо обеспечить возможность регулировки напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров. Эта регулировка может осуществляться как за счет изменения плотности размещения эмиттеров по поверхности катода, так и высоты эмиттеров над поверхностью.
На фиг. представлена схема взрывоэмиссионного катода магнетронной пушки, выполненного в соответствии с предложенной конструкцией, где
1 - катод;
2 - боковая поверхность катода;
3 - эмиттеры;
4 - источник высокого напряжения;
5 - источник магнитного поля;
6 - анод.
Электронная магнетронная пушка с заявляемым катодом реализована следующим образом. Конусная поверхность катода 1 состоит из набора чередующихся дистанционных не эмитирующих колец с конусной боковой частью, между которыми размещаются эмиттеры 3. Высота дистанционных колец, образующих боковую поверхность катода 2, различна и увеличивается с ростом диаметра катода (в направлении подключенного источника питания). Эмиттеры представляют собой круглые диски, изготовленные из вольфрамовой сетки с толщиной проволок 50 мкм, при этом эмиссия электронов осуществляется с вершин проволок сетки, направленных в промежуток анод-катод. Плоскость сетки и, соответственно, вершины проволок сетки ориентированы перпендикулярно оси катода. Диаметр дисков-эмиттеров меняется таким образом, что расстояние от вершины острия до конусной поверхности катода остается одинаковым и составляет 3 мм. Таким образом, регулировка напряженности поля на вершинах эмиттеров осуществляется за счет нерегулярного размещения эмиттеров на поверхности катода, что приводит к изменению коэффициента усиления поля. Катод пушки окружен цилиндрическим анодом 6, между анодом и катодом от источника напряжения 4 прикладывается высоковольтный импульс. Вся конструкция помещается в магнитное поле, источником 5 которого служит соленоид.
Электронная пушка с заявляемым катодом работает следующим образом. При подаче на катод относительно анода высоковольтного импульса отрицательной полярности напряженность поля на вершинах проволочных эмиттеров увеличивается в соответствии с выбранным диаметром проволок, высотой их над поверхностью катода и расстоянием между соседними дисками до величины порядка 200 кВ/см. При данном уровне напряженности с вершин начинается автоэлектронная эмиссия, ток которой вызывает их быстрый нагрев и взрыв. Плотность образующейся плазмы, а соответственно, и ток, который вытягивается с нее, определяется напряженностью электрического поля на вершине острия. Таким образом, выбор оптимального неравномерного размещения эмитирующих колец на поверхности катода позволяет компенсировать за счет переменного коэффициента усиления на вершинах эмиттеров неравномерность напряженности электрического поля на катоде от приложенного к промежутку анод-катод напряжения. В результате на поверхности катода образуется слой плазмы с равномерной по поверхности плотностью. Последнее обеспечивает однородность по сечению плотности тока электронного пучка.