СПОСОБ БЕССЕТОЧНОЙ МОДУЛЯЦИИ ПУЧКА В СВЧ-ПРИБОРАХ О-ТИПА
METHOD OF NON-GRID BEAM MODULATION IN MICROWAVE DEVICES OF O-TYPE

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ О-типа, в частности, к электронным пушкам, и может быть использовано в лампах бегущей волны и клистронах.
В любом режиме работы ЛБВ и клистронов всегда необходимо управлять током пучка - пучок должен включаться и выключаться. В непрерывном режиме такие циклы происходят относительно редко, а в импульсном режиме включение и выключение пучка происходит с заданной, иногда высокой, частотой. Во всех случаях разработчики приборов стремятся осуществлять модуляцию пучка минимальным напряжением, чтобы упростить конструкцию источника питания, уменьшить его вес и габариты. Известные и широко применяемые способы модуляции пучка электронов описаны в книге «Лампы с бегущей волной», А.С. Гилмор-мл., М., Техносфера, 2013 г., с. 140.
Самым эффективным и низковольтным способом модуляции электронного пучка в СВЧ-приборах О-типа является применение управляющих сеток, расположенных между катодом и анодом электронной пушки. Величина напряжения модуляции, т.е. сумма величин напряжения, запирающего пучок, и рабочего напряжения на сетке, не превышает 1-3% от величины ускоряющего напряжения - напряжения анода [Патент США №3500110]. Недостатком пушки с одной сеткой является оседание электронов на сетку, что приводит к уменьшению тока пучка, а также к нагреву сетки и ее возможному разрушению, поэтому такие пушки применяются в ЛБВ малой мощности. Недостатком пушек с теневой и управляющей сетками, применяемыми в ЛБВ средней и большой мощности, является появление у электронов под возмущающим действием сеток поперечных скоростей, что увеличивает оседание электронов на стенки пролетного канала и требует увеличения фокусирующего пучок магнитного поля. Кроме того, теневые сетки существенно уменьшают ток пучка как из-за подавления эмиссии электронов с катода под перемычками сеток, так и из-за уменьшения плотности тока эмиссии вблизи перемычек вследствие экранировки перемычками электростатического поля.
Известен способ модуляции пучка с помощью фокусирующего электрода и штыря, который проходит через центр катода. При этом отрицательное запирающее напряжение подается одновременно на фокусирующий электрод и штырь [А.С. Гилмор-мл. «Лампы с бегущей волной», М., Техносфера, 2013 г., с. 141]. Величина напряжения модуляции в этой конструкции в несколько раз больше, чем при модуляции пучка сеткой, и равна примерно 13-15% от анодного напряжения. Недостатком такой конструкции является также сложность технологии изготовления пушек с изолированным штырем в центре катода.
Приборы коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона используют катоды малого диаметра. В этом случае размеры управляющих сеток и расстояния между ними становятся слишком малыми, что делает невозможным их изготовление. Также невозможно и размещение изолированного штыря, проходящего через катод. Кроме того, зазоры между электродами становятся слишком малыми и не обеспечивают устойчивость конструкции к пробоям. Единственным способом модуляции пучка электронов в таких приборах остается применение электродов, расположенных вне пучка.
При модуляции электронного пучка анодом пушки напряжение модуляции равно полному напряжению анода, а модуляция фокусирующим электродом требует напряжения примерно 25-35% от анодного.
Рассмотрим электронную пушку традиционной конструкции, имеющую катод, фокусирующий электрод и анод. Напряжение на катоде равно нулю, на фокусирующем электроде -15 В, на аноде -7400 В. Пушка формирует пучок с током 330 мА (фиг.1).
Расчеты проводились по комплексу программ - «Комплекс программ для проектирования на ЭВМ электронных пушек с сеточным управлением» [Петросян А.И., Журавлева В.Д., Пензяков В.В., Роговин В.И. // Прикладная физика, 2002, №3, С. 127 - 13]. В электронной пушке, представленной на фиг. 1, запирание пучка происходит при подаче на фокусирующий электрод напряжения -1950 В (фиг. 2), что составляет 26,3% от напряжения анода. Нулевая эквипотенциаль проходит перед катодом, поэтому эмиссии электронов с катода не происходит.
Ближайшим прототипом изобретения является электронная пушка, в которой фокусирующий и одновременно модулирующий электрод состоит из двух электродов-сегментов [Pierce-type electron gun with combined modulating and beam-forming electrode array [Патент США №3377502: МПК H01J 23/065, H01J 3/02 / Kurt Amboss., Kramer William; заявитель Hughes Aircraft Co. - № US 19660541677 19660411; заявл. 11.04.1966; опубл. 09.04.1968]. Модулирующее напряжение для управления током пучка подается только на электрод-сегмент, более удаленный от катода, близкий к катоду сегмент имеет постоянный относительно катода потенциал.
На фиг. 3 представлена конструкция электронной пушки с фокусирующим электродом, состоящим из двух электродов, которые далее будем называть электрод 1 и электрод 2. Пушка формирует электронный пучок с тем же током 330 мА.
По сравнению с вариантом, представленным на фиг. 1, в данной конструкции фокусирующий электрод разделен на две части и изменена его форма. В рабочем режиме на электрод 1 подается напряжение -15 В, на электрод 2 - напряжение +840 В.
Если осуществлять модуляцию пучка способом, указанном в прототипе, т.е. подавать запирающее напряжение только на электрод 2, не изменяя напряжения на электроде 1, полное запирание пучка происходит при напряжении на электроде 2 -910 В (фиг. 4), а напряжение модуляции равно 840+910=1750 В, что составляет 23,6% от анодного напряжения.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение величины напряжения модуляции пучка.
Технический результат достигается тем, что способ бессеточной модуляции пучка в СВЧ-приборах О-типа осуществляется в электронной пушке, содержащей катод, фокусирующий электрод, состоящий из двух электродов, и анод. При этом включение и выключение пучка осуществляется подачей модулирующих напряжений одновременно на названные два электрода - для запирания пучка - близкие или равные по величине и отрицательные относительно катода напряжения, а для включения пучка на ближний к катоду электрод подается равное нулю или небольшое (менее 1% от величины анодного напряжения) положительное или отрицательное по величине напряжение, на второй электрод - положительное напряжение, близкое по величине к запирающему напряжению или равное ему.
Предлагаемое изобретение поясняется фиг. 5, на которой представлены результаты расчета запирания электронной пушки. Конфигурация электродов 1 и 2 в представленной конструкции пушки подобрана таким образом, что запирание пучка происходит при наименьшем значении напряжения -720 В, а величина напряжения модуляции равна 840+720=1560 В, что составляет 21,1% от анодного напряжения и в 1,12 раз меньше, чем в рассмотренном выше случае запирания пучка подачей напряжения только на один электрод. Величина запирающего напряжения на электродах в общем случае может и отличаться, но для удобства использования одного источника может быть и одинаковой.
При подаче напряжения -720 В только на электрод 2 полного запирания пучка не происходит (фиг. 6), его ток равен 1,4 мА.
В рассмотренном примере для формирования пучка в электронной пушке в рабочем режиме на электрод 1 подается напряжение, - равное -15 В, а на электроде 2 +840 В (фиг. 3).
Напряжение, подаваемое в рассчитанном варианте пушки на электрод 2 в двух режимах, может быть одинаковым по величине (780 В), но разное по знаку, если чуть сместить электрод 2 к катоду. В этом случае для переключения от режима к режиму эффективным будет использование коммутатора, который будет подключать к названным двум электродам соответствующие каждому режиму напряжения, и в результате величина напряжения, создаваемого источником питания, не будет превышать 780 В.
Применение предложенной схемы управления пучком в электронной пушке позволит уменьшить величины напряжений между катодом и электродами 1 и 2 по сравнению с традиционной конструкцией пушки (фиг. 1).
Источники информации:
1. «Лампы с бегущей волной», А.С. Гилмор-мл., М., Техносфера, 2013 г., с. 140-141.
2. Патент США №3500110, опубл. 10.03.1970.
3. «Комплекс программ для проектирования на ЭВМ электронных пушек с сеточным управлением» // Петросян А.И., Журавлева В.Д., Пензяков В.В., Роговин В.И. // Прикладная физика, 2002, №3, С. 127-133.
4. Патент США №3377502, опубл. 09.04.1968.