Автоэмиссионная магнетронно-инжекторная пушка с ленточным пучком

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к вакуумным электронным приборам, в том числе к СВЧ приборам с протяженным взаимодействием, использующим автоэмиссионные катоды.
В электронно-оптических системах для СВЧ приборов с планарной замедляющей структурой и пролетным каналом прямоугольной формы часто применяется ленточный электронный пучок.
Существует конструкция диодной электронной пушки с тонким ленточным пучком [1] 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. Формирование тонкого ленточного пучка с большой плотностью тока для прямоточной конструкции электронной пушки ограничено использованием современных термоэмиссионных катодов, поэтому сформировать такие тонкие ленточные пучки с большей плотностью тока оказывается возможным путем использования электронных пушек с компрессией пучка. Однако действие тепловых скоростей электронов, пространственного заряда и аберраций, связанных с неточностью изготовления электродов в них гораздо больше.
Существует конструкция магнетронно-инжекторной пушки [2], которая, по сравнению с электронной пушкой Пирса, обеспечивает большую сходимость электронных пучков и повышенный ток пучка. Традиционно в магнетронно-инжекторной пушке используются катоды на основе термоэлектронной эмиссии, что исключает мгновенное время готовности прибора и предполагает наличие подогревательного узла. Альтернативой этому подходу являются пушки с автоэмиссионным катодом. В настоящее время наиболее хорошо исследованы электронной пушки с катодом Спиндта [3], включающей состоящей из отдельных автоэмиссионных ячеек, каждая из которых содержит металлическое острие конусообразной формы и сетку с отверстием, центр которого совпадает с осью симметрии острия. Острие на подложке из кремния электрически и сетка разделены слоем диоксида кремния. Токопрохождение обеспечивается за счет толщины сетки, имеющей величину десятые доли микрометра. Недостатком данной конструкции является распыление материала острия в процессе автоэмиссии и, как следствие, постепенная деградация острия. Наиболее близкой по конструкции техническим решением является конструкция автоэмиссионной электронной пушки [4], магнетронно-инжекторного типа с автоэмиссионным катодом, имеющего низковольтную модуляцию тока пучка. Однако такая конструкция пушки формирует кольцевой электронный пучок.
Задачей настоящей полезной модели является создание автоэмиссионной магнетронно-инжекторной пушки, формирующей ленточный электронный пучок, и обеспечивающей транспортировку ленточного пучка в пролетном канале анода.
Техническим результатом полезной модели является формирование электронного пучка ленточной формы в магнетронно-инжекторной пушке, имеющего большее значение плотности тока и удельной мощности по сравнению с кольцевыми или круглыми пучками, и, как следствие, увеличение выходной мощности СВЧ прибора.
ка
Поставленная задача достигается тем, что в автоэмиссионной магнетронно-инжекторной пушке с ленточным пучком, включающей анод и расположенный внутри него автокатод, согласно предлагаемому техническому решению, анод и автокатод выполнены в форме усеченного клина, при этом автокатод установлен в отверстии анода с образованием двух равных по величине вакуумных зазоров d, которые выбирают согласно соотношению:
ка
a
d≥U/20000 (В, мм).
Автоэмиссионная магнетронно-инжекторная пушка с ленточным пучком погружена в магнитном поле, индукция которого направлена вдоль пушки. В автоэмиссионной магнетронно-инжекторной пушке две противоположные грани автокатода снабжены микро- и наноостриями, расположенными перпендикулярно на наклонной плоскости.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами.
ка
ка
a
ка
На фиг. 1 показана конструкция магнетронно-инжекторной пушки с ленточным пучком, которая включает в себя: автокатод (1) с микро-, наноостриями (2), анод (3), магнитное поле (4). Автоэмиссионная магнетронно-инжекторная пушка с ленточным пучком образована из автокатода (1) в форме усеченного клина с вертикально расположенными микро-, наноостриями (2), прямоугольного анода с отверстием в форме усеченного клина (3). Автокатод закреплен в металлокерамическом узле пушки и электрически изолирован от анода. Микро- и наноострия (2) выполнены (выращены) любым известным способом (литографией и химическим травлением, лазерным фрезерованием, газофазным осаждением) и находится на двух противоположных наклонных гранях клинообразного автокатода (1). Между автокатодом (1) и анодом (3) с боковой стороны образуются два равных по величине вакуумных зазора d, которые выбирают согласно соотношению d≥U/20000 (В, мм). Автоэмиссионная структура из микро- и наноостриев расположены перпендикулярно на наклонной плоскости автокатода (1) шириной w со смещением от оси симметрии. На фиг. 2 представлен результат расчета фокусировки ленточного пучка в магнетронно-инжекторной пушке, выполненного в программе Lorentz-3ЕМ. Автоэмиссионная магнетронно-инжекторная пушка с ленточным пучком работает следующим образом. При подаче потенциала на анод образуется электрическое поле в зазоре d и за счет автоэлектронной эмиссии электроны стартуют с вершин микро- и наноостриев (2). Вылетевшие электроны с вершин микро- и наноостриев, находящихся на боковых гранях автокатода (1), под влиянием электрического поля анода, отклоняются в сторону анода, одновременно при взаимодействии электронов с магнитным полем (4), возникает сила Лоренца, отклоняющая электроны к выходу электронной пушки и не позволяющая им достигнуть поверхности анода. Магнитное поле (4) направлено вдоль пушки. Образуется ленточный электронный пучок (5), который транспортируется в пролетном канале анода (3). В предлагаемой конструкции автоэмиссионной магнетронно-инжекторной пушки обеспечивается формирование ленточного электронного пучка.
a
ка
2
Пример реализации автоэмиссионной магнетронно-инжекторной пушки с ленточным пучком демонстрируется проведением численного эксперимента, по моделированию формирования ленточного пучка в пушке и транспортировке его в пролетном канале анода в программе Lorentz-3ЕМ на фиг. 2. При ускоряющем напряжении пучка U=20000 В и зазоре катод- анод d=2 мм,. формируется ленточный электронный пучок размерами 0,2×1 мм с током 200 мА в пролетном канале высотой 0,3 мкм. Магнитное поле в пушке составило 5=0.8 Тл.
Источники информации
1. А.И. Бородкин, Л.А. Кириченко, И.А. Книженко и др. Диодная электронная пушка для формирования тонких ленточных электронных потоков Авторское свидетельство SU 486600 A1 Опубл. 15.02.91. Бюл. №6.
2. И.В. Алямовский Электронные пучки и электронные пушки. М. Сов. радио. 1966
3. D.R. Whaley, R. Duggal; С.М. Armstrong; С.L. Bellew; С.Е. Holland; С.A. Spindt. "100W Operation of a Cold Cathode TWT" IEEE Trans. On Electron Devices Vol. 56 No5 pp. 896-905, 2009.
4. Никитин А.П., Акимов П.И., Коннов A.B., Милорадова Т.В., Солдатова Е.К., Шешин Е.П., Чепелева В.В. Автоэмиссионная электронная пушка Патент №11134356 Опубл. 10.11.2013.