ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА СВЧ ПРИБОРА
ELECTRON GUN FOR MICROWAVE DEVICE

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ О-типа, в частности к электронным пушкам, и может быть использовано в импульсных лампах бегущей волны или клистронах с низковольтным сеточным управлением током пучка.
В большинстве применяемых сегодня конструкций электронных пушек, формирующих сплошные цилиндрические пучки, для низковольтного управления электронным пучком используются две сетки - теневая и управляющая, расположенные около катода и имеющие различную конфигурацию. Большинство сеток в современных конструкциях электронных пушек имеют кольцевые и радиальные перемычки, причем центральная часть сеток может иметь либо отверстия (см. Ессин А.Д., Курицын В.М., Шаталов И.А. и др. Мощные ЛБВ с низковольтным управлением электронным потоком: Обзоры по электронной технике. Сер. 1, Электроника СВЧ - М.: ЦНИИ «Электроника», 1976. - вып.6(375). - 66 с), либо в центральной части управляющей сетки может быть расположен выступ конической формы для улучшения ламинарности пучка (А.С. СССР №.551952, МКИ H01J 23/06, 11.08. 1975 г.). Недостатком рассмотренных конструкций является ограничение по достижимому первеансу формируемого пушкой электронного пучка, связанное с провисанием потенциала в анодном отверстии.
Известна электронная пушка для мощных импульсных СВЧ приборов с низковольтной модуляцией, у которой отверстия ускоряющего и фокусирующего электродов и анода снабжены электродами с секторными вырезами (А.С. СССР №266075, МКИ H01J, 26.11.1968 г.). Дополнительный электрод в анодное отверстие введен для увеличения первеанса пучка, при этом все названные дополнительные электроды с секторными вырезами фактически являются теневой, управляющей и анодной сетками с радиальными перемычками. Недостаток этой пушки состоит в том, что из-за соединения радиальных перемычек сеток на оси пушки эмиссия электронов с центральной части катода отсутствует. Формируется полый электронный пучок, который становится сплошным лишь после прохождения анодной сетки. Электроны вблизи внутренней границы полого пучка после прохождения управляющей и анодной сеток приобретают значительные по величине направленные к оси радиальные скорости. Рассмотренная пушка формирует существенно неламинарный электронный пучок, его фокусировка в пролетном канале затруднена. Помимо этого, возможно оседание электронов на центральную часть анодной сетки.
Наиболее близкой по конструкции к заявляемому решению (прототипом) является электронная пушка по патенту СССР №1466576, МКИ H01J 23/06, 16.06.1986 г.
Электронная пушка содержит торцовый катод с кольцевой эмитирующей поверхностью, теневую, управляющую и анодную сетки. В центральных частях теневой и управляющей сеток расположены диски, имеющие радиус, равный половине радиуса канала. Диск управляющей сетки выполнен в виде усеченного конуса, направленного в сторону анодной сетки. Электронная пушка формирует на выходе анодной сетки полый электронный поток, причем радиус внутренней границы потока примерно равен половине радиуса канала. Конусный выступ управляющей сетки создает радиальное расфокусирующее электрическое поле и способствует малому изменению радиальной координаты внутренней границы пучка в промежутке управляющая - анодная сетки и, как следствие, на выходе из анодной сетки траектории электронов внутренней границы пучка имеют малые углы наклона.
Рассмотренное техническое решение имеет следующие недостатки: за анодной сеткой пушки электронный пучок начинает преобразовываться из полого в сплошной, причем электроны внутренней границы полого пучка приобретают существенные по величине радиальные скорости, направленные к оси симметрии пушки, в результате чего в сплошном пучке часть электронов имеет большие радиальные скорости, что затрудняет фокусировку пучка и приводит к повышенному токооседанию электронов на замедляющую систему.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение предельной мощности прибора, увеличение его КПД, надежности и долговечности за счет увеличения первеанса пучка, улучшения его фокусировки и увеличения коэффициента токопрохождения пучка через пролетный канал.
Под коэффициентом токопрохождения пучка через пролетный канал прибора обычно понимают отношение тока пучка на выходе из пролетного канала к току катода.
Поставленная задача решается следующим образом: в электронной пушке, содержащей торцовый катод с кольцевой эмитирующей поверхностью, теневую и управляющие сетки, содержащие по крайней мере радиальные перемычки и расположенные в центральных частях сеток диски, анод и анодную сетку с радиальными перемычками, в центральной части катода дополнительно введена эмитирующая поверхность, анодная сетка содержит расположенный в центральной части диск и диски теневой, управляющей и анодной сеток содержат отверстия для пролета электронов.
Благодаря наличию совокупности признаков увеличивается первеанс формируемого пушкой электронного пучка, улучшается фокусировка пучка и увеличивается коэффициент токопрохождения пучка через пролетный канал, повышаются предельная мощность и КПД прибора, его надежность и долговечность.
Изготовление электронных пушек предложенной конструкции может быть осуществлено известными методами на стандартном оборудовании и практически не отличается от технологии изготовления и сборки электронной пушки существующей конструкции.
На фиг.1, 2 изображены варианты конструкций электронных пушек, реализующие предлагаемое техническое решение.
Электронные пушки содержат торцовый катод с кольцевой эмитирующей поверхностью 1, теневую 2 и управляющую 3 сетки с расположенными в их центральных частях дисками 4 и 5, анод 6 с анодной сеткой 7 с диском в центральной части 8, дополнительную эмитирующую поверхность 9 плоской (фиг.1) и сферической (фиг.2) формы. Диски в центральных частях сеток содержат отверстия 10, 11 и 12.
На фиг.3 показана конфигурация теневой 2, управляющей 3 и анодной сеток 7 с радиальными перемычками.
На фиг.4 показана конфигурация теневой, управляющей и анодной сеток, причем теневая и управляющая сетки имеют дополнительные кольцевые перемычки 13 и 14.
На фиг.5 показана конфигурация электронной пушки с плоской дополнительной эмитирующей поверхностью, расположенной в центральной части катода, распределение продольной составляющей магнитного фокусирующего поля МПФС в области пушки В (Гс) - 15 и расчетные траектории крупных частиц - 16. (Расчеты проводились по трехмерной компьютерной программе - Журавлева В.Д., Семенов С.О. Комплекс программ расчета трехмерных электронно-оптических систем // Прикладная физика, 2006, №3, с.97-102.)
На фиг.6 показаны результаты расчета фокусировки пучка, формируемого электронной пушкой (фиг.5) в области пролетного канала. Приведено распределение продольной составляющей магнитного поля МПФС в области пролетного канала - 17, границы трубок тока, содержащих следующие доли тока катода: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 0,93; 0,95; 0,97; 0,99-18, пролетный канал - 19, К - зависимость коэффициента токопрохождения от длины пролетного канала.
На фиг.7, 8 представлены результаты расчета электронной пушки с дополнительной сферической эмитирующей поверхностью и результаты расчета фокусировки сформированного этой пушкой пучка в магнитном поле МПФС.
На фиг.9, 10 представлены результаты расчета электронной пушки существующей конструкции (патент СССР №1466576, МКИ H01J 23/06, 16.06. 1986 г.) и результаты расчета фокусировки сформированного этой пушкой пучка в магнитном поле МПФС.
На фиг.11 приведены вольт-амперные характеристики (зависимости тока катода от нормированного на ускоряющее напряжение потенциала управляющей сетки) электронных пушек, представленных на фиг.5 - кривая 20 и фиг.9 - кривая 21.
На фиг.12 приведены распределения тока пучка по радиальным углам наклона в кроссовере пучков, формируемых электронными пушками: а - существующей конструкции (фиг.9) и б - с дополнительной плоской эмитирующей поверхностью (фиг.5).
В таблице 1 приведены результаты расчетов характеристик электронных пушек различной конструкции.
Электронная пушка, показанная на фиг.1 и 2, работает следующим образом. Между катодом 1 и анодом 6 с анодной сеткой 7 подают постоянное высокое анодное напряжение. Теневая сетка 2 имеет потенциал катода. Управление пучком осуществляется путем подачи положительных импульсов напряжения на управляющую сетку 3. В промежутке между импульсами пушка заперта за счет подачи на управляющую сетку отрицательного по отношению к катоду напряжения. При подаче положительного импульса напряжения на управляющую сетку электроны стартуют с поверхности катода 1 и дополнительной эмитирующей поверхности 9, проходят сквозь ячейки теневой, управляющей и анодной сеток и отверстия в дисках этих сеток (фиг.5, 7) и далее попадают в отверстие пролетного канала и фокусируются магнитным полем фокусирующей системы (фиг.6, 8). На фиг.6, 8 видно, что только граница трубки тока 0,99 оседает на стенку пролетного канала, а границы остальных трубок тока проходят через пролетный канал без оседания.
R
В существующей конструкции электронной пушки (фиг.9) расчетный ток катода при напряжении на аноде Uo=18 кВ и напряжении на управляющей сетке, равном 5% от Uo составил 8,66 А. При прохождении пучка через пролетный канал при амплитуде магнитного поля МПФС Во=370 Гс на его стенки оседают границы трубок тока - 0,99; 0,97; 0,95 и 0,93 (фиг.9). Коэффициент токопрохождения пучка равен 92,73% (табл.1), на стенки пролетного канала, таким образом, осело 7,27% тока пучка. Пучок в электронной пушке существующей конструкции остается полым на большом расстоянии после анодной сетки и на этом промежутке электроны внутренней границы пучка приобретают большую, направленную к оси, радиальную скорость, что проявляется в появлении в пучке электронов с большими по абсолютной величине углами наклона их траекторий. В кроссовере пучка траектории частиц имеют радиальные углы наклона α в интервале от -16,94 до +3,24 градусов (табл.1). Как следствие, после попадания в пролетный канал частицы с большими углами наклона начинают оседать на стенки пролетного канала уже после первой пульсации пучка (фиг.10). Необходимо отметить, что границы трубок тока, содержащих 80% тока пучка и менее, имеют небольшие пульсации.
В предлагаемых конструкциях электронных пушек введение центрального пучка увеличивает при тех же напряжениях на электродах общий ток пушки на 13-15% (табл.1). Подбором размеров дополнительных эмитирующих поверхностей и отверстий в дисках сеток легко осуществить одновременное запирание основного катода и дополнительной эмитирующей поверхности (фиг.11). Таким образом, введение дополнительной эмитирующей поверхности и формирование центрального пучка позволяет по сравнению с существующей конструкцией при тех же напряжениях на электродах получить больший ток пучка и соответственно его первеанс, или при использовании тока пучка той же величины, что и в существующей конструкции, уменьшить рабочее напряжение на управляющей сетке при сохранении неизменным запирающего напряжения. Введение центрального пучка создает для основного полого пучка радиальную расфокусирующую силу, под действием которой уменьшаются радиальные скорости электронов внутренней границы полого пучка (табл.1), причем по величине интервал изменения углов наклона траекторий практически не изменяется, а уменьшается именно максимальное значение границы интервала. Кроме того, при введении центрального пучка происходит уменьшение по абсолютной величине углов наклона траекторий основной части пучка. Так, если в существующей конструкции (фиг.9) траектории электронов, составляющих примерно 75% тока пучка, имели углы наклона траекторий в интервале -10,22÷-6,18 градусов (фиг.12а), то для предлагаемой конструкции с плоской дополнительной эмитирующей поверхностью (фиг.3) интервал углов наклона траекторий электронов, составляющих те же 75% тока пучка, равен -7,76÷-3,62 градуса (фиг.12б). Уменьшение максимальных углов наклона траекторий электронов на выходе из электронной пушки позволяет при той же амплитуде магнитного фокусирующего поля МПФС и большем токе пучка улучшить его фокусировку в пролетном канале, уменьшить в 3-4 раза долю тока пучка, осевшего на стенки пролетного канала, и увеличить коэффициент токопрохождения пучков до 97,58% в случае плоской дополнительной эмитирующей поверхности (фиг.6, табл.1), т.е. на стенки пролетного канала осело 2,42% тока, и до 98,27% (оседание составило 1,73% тока пучка) в случае сферической дополнительной эмитирующей поверхности (фиг.8, табл.1).
Максимальные углы наклона электронов в азимутальном направлении и форма распределений тока пучка по азимутальным углам наклона при введении центрального пучка в существующей и предлагаемой конструкциях пушек почти одинаковы.
Кольцевая эмитирующая поверхность, расположенная на торцовой части катода, может являться, например, частью плоскости, сферы, тора или комбинации названных поверхностей, и ее форма выбирается в зависимости от параметров электронно-оптической системы.
Форма и размеры дополнительной эмитирующей поверхности в центральной части катода, ее положение, размеры дисков сеток и отверстий в них должны подбираться для конкретных параметров электронно-оптических систем с целью обеспечения требуемого тока центрального пучка и величины запирающего напряжения. Дополнительная эмитирующая поверхность может быть выполнена различным образом, например - в виде дополнительного катода, установленного в центральной части основного катода, или являться частью основного катода.
В рассмотренных примерах все сетки - теневая, управляющая и анодная содержали только радиальные перемычки (фиг.3). При введении в теневую и управляющую сетки одной или нескольких кольцевых перемычек (фиг.4), связывающих радиальные перемычки названных сеток, изменится величина запирающего и рабочего напряжений управляющей сетки и ток пучка. При этом положительный эффект от введения дополнительного центрального пучка - увеличение первеанса пучка, улучшение фокусировки пучка и увеличение коэффициента токопрохождения - сохранится.
Таблица 1.
Вариант конструкции
Ток пучка (А)
α<sub>R</sub> (град.)
К%
Предлагаемая конструкция: плоская дополнительная эмитирующая поверхность (фиг.3)
9,98
-12,00
97,58
+9,20
Предлагаемая конструкция: сферическая дополнительная эмитирующая поверхность (фиг.5)
9,82
-13,84
98,27
+6,76
Существующая конструкция (фиг.7)
8,66
-16,94
92,73
+3,24