Электронная пушка со сходящимся ленточным пучком

Полезная модель относится к электронной СВЧ технике, а именно к электронным приборам, работа которых основана на взаимодействии электромагнитной волны с ленточным электронным пучком, таким как лампы с бегущей волной, клистроны, клистроны с бегущей волной, лампы обратной волны и т.д.
Известно, что в источниках излучения типа О с ленточными электронными пучками в миллиметровом и субмиллиметровом (терагерцевом) диапазоне плотность тока пучка достигает десятки, сотни ампер на квадратный сантиметр, а поперечные размеры пучка составляют десятые, сотые доли миллиметра. Из-за ограниченной эмиссии катодов сформировать такие пучки оказывается возможным путем использования компрессионной электронной оптики.
Существует множество конструкций электронных пушек, формирующих электронные пучки цилиндрической формы, которые могут быть использованы в импульсных лампах бегущей волны со спиральной замедляющей системой с пролетными каналами, соответствующих сантиметровому и миллиметровому диапазону частот. Известно техническое решение [1], где в электронной пушке формируется цилиндрический пучок с компрессией. Данное решение нацелено на повышение предельной мощности прибора, увеличение его КПД за счет увеличения первеанса пучка, улучшения его фокусировки и коэффициента токопрохождения. Однако в приборах О-типа терагерцевого диапазона, таких как лампы с бегущей волной использование цилиндрических пучков из-за низкого КПД взаимодействия пучка с ВЧ полем замедляющей структуры типа плоская гребенка или петляющей волновод, имеющий в терагерцевом диапазоне сильно выраженный поверхностный характер.
Существует конструкция диодной электронной пушки с тонким ленточным пучком [2] с плотностями тока порядка десятка и сотен ампер на квадратный сантиметр, а катод имеет те же размеры что и пучок. Данная конструкция предполагает большую токовую нагрузку на катод и большие уровни магнитного поля для удержания пучка. Поэтому из-за ограниченной эмиссии прямоточных электронных пушек, сформировать тонкие ленточные пучки с большей плотностью тока оказывается возможным только путем использования компрессионной электронной оптики и экранированного от магнитного поля катода.
2
Наиболее близкой по конструкции техническим решением является электронная пушка, описанная в работе [3] предложен вариант пушки с ленточным пучком при ускоряющем напряжении 20 кВ и током 257 мА, получаемый с эллиптического катода за счет фокусирующего электрода сложной формы. Линейная компрессия пучка порядка 7 осуществляется с катода при средней плотности тока на катоде 40 А/см. Недостатком данной конструкции является использование в пушке катода сложной эллиптической формы с плоской поверхностью, поэтому линейная компрессия пучка для таких систем может составлять небольшую величину (не более 7).
Задачей настоящей полезной модели является создание электронной пушки с компрессией ленточного пучка в узких пролетных каналах электронно-оптических систем СВЧ приборов, работающих в миллиметровом и терагерцевом диапазоне частот.
Техническим результатом полезной модели является снижение токовой нагрузки на катод за счет принципа трансформации цилиндрического пучка в ленточный и применения электростатической компрессии пучка в одной плоскости.
Поставленная задача достигается тем, что в электронной пушке, содержащей катод, фокусирующий электрод, анод, согласно заявленному техническому решению используется катод круглой формы и фокусирующий электрод в форме расширяющегося рупора с пирамидальным отверстием. Данное отверстие содержит две основные поверхности и две боковые поверхности. Для придания электронному пучку сходимости в одной плоскости применяются две основные поверхности фокусирующего электрода, расположенных под углом к оптической оси пушки, определяемый неравенством:
0,375π≥θ≥0,375π-δ
где δ - параметр меняется в зависимости от коэффициента сходимости и микропервеанса (0,1-0,5). Фокусирующий электрод имеет, боковые поверхности, создающие несходящийся в данной плоскости ленточный электронный пучок, расположенных под углом к оптической оси пушки под углом 0,375π.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция электронной пушки со сходящимся ленточным пучком, которая включает в себя: катод (1), фокусирующий электрод (2), анод (3), ленточный электронный пучок (4).
На фиг. 2 представлены результаты траекторного анализа электронной пушки выполненного в программе Lorentz-3ЕМ, где смоделированы:
а) сечение ленточного пучка: катод (1), фокусирующий электрод (2), анод (3), ленточный электронный пучок (4);
б) трехмерный вид ленточного электронного пучка.
Электронная пушка со сходящимся ленточным пучком (4) образована из катода (1) круглой формы, находящегося в центре прямоугольного отверстия фокусирующего электрода (2) и анода (3). Фокусирующий электрод (2) выполнен в форме расширяющегося рупора с пирамидальным отверстием. Отверстие фокусирующего электрода содержит две основные поверхности и две боковые поверхности, причем основные поверхности фокусирующего электрода перпендикулярны плоскости сечения сходящегося ленточного пучка, а боковые поверхности фокусирующего электрода перпендикулярны плоскости сечения несходящегося ленточного пучка. Две основные поверхности фокусирующего электрода (2) расположены под углом к оптической оси пушки, определяемый неравенством: 0,375π≥θ≥0,375π-δ, где δ - параметр меняется в зависимости от коэффициента сходимости и микропервеанса (0,1-0,5). Также фокусирующий электрод (2) имеет боковые поверхности, расположенных под углом к оптической оси пушки под углом 0,375π. Анод (3), отделенный от катода (1) и фокусирующего электрода (2) вакуумным зазором и находящийся на одной оптической оси с катодом (1), представляет собой пластину с прямоугольным пролетным каналом.
Электронная пушка со сходящимся ленточным пучком работает следующим образом: электронная пушка формирует ленточный электронный пучок (4) с катода (1) круглой формы. С поверхности катода (1) стартуют электроны под действием потенциала анода (3). Вылетевшие с катода (1) электроны попадают в собирающую электростатическую линзу, образованной основными поверхностями фокусирующего электрода (2), сила которой отклоняет электронные пучки в одной плоскости в сторону оптической оси, создавая кроссовер пучка в пролетном канале анода (3). При этом цилиндрический пучок за счет сжатия в одной плоскости трансформируется в ленточный пучок в области между катодом (1) и анодом (3). Сформированный ленточный пучок (4) далее ускоряется и влетает в пролетный канал анода (3). Фокусирующий электрод (2) находится под одинаковым напряжением, что и катод (1). Анод (3) имеет вакуумный зазор и электрически изолирован от катода (1) и фокусирующего электрода (2), величина вакуумного зазора позволяет подать положительное напряжение относительно катода до 20 кВ.
В предлагаемой конструкции электронной пушки достигается более продолжительная работа катода за счет снижение токовой нагрузки на катод в несколько раз, по сравнению с вариантом электронной пушки, без компрессии ленточного пучка, полностью пронизываемой магнитным полем.
2
2
Пример реализации данной электронной пушки демонстрируется проведением численного эксперимента, по моделированию электронной пушки и формированию электронного пучка в программе Lorentz-3ЕМ на фиг. 2. Общий ток пучка составил 100 мА. При ускоряющем напряжении 20 кВ, индукции магнитного поля в пролетном канале 0,6 Тл и диаметре катода 1 мм ленточный пучок составил 0.1×1 мм. Линейная компрессия пучка составила 10 единиц, плотность тока ленточного пучка - 127 А/см.
Источники информации
1 Петросян А.И., Роговин В.И., Семенов С.О. Электронная пушка СВЧ прибора Патент H01J 23/06 (2006.01) Опубликовано: 10.09.2009. Бюл. №25.
2 А.И. Бородкин, Л.А. Кириченко, И.А. Книженко и др. Диодная электронная пушка для формирования тонких ленточных электронных потоков Авторское свидетельство SU 486600A1 Опубл. 15.02.91. Бюл. №6.
3 Shi X, Wang Z., Tang X., Tang Т., Gong H., Zhou Q., Bo W., Zhang Y., Duan Z., Wei Y., Gong Y., Feng J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2014. Vol. 42. No. 12. P. 3996-4003.