ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА

1. Наименование изобретения.
Электронная пушка.
2. Область техники, к которой относится изобретение.
Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники, к приборам СВЧ типа О. Электронная пушка может быть применена в лампах бегущей волны, лампах обратной волны, клистронах и др.
3. Уровень техники.
В настоящее время ЛБВ и клистроны, как усилители СВЧ сигнала, находят широкое применение в наземной и бортовой радиолокации, системах спутниковой связи и других информационных системах. ЛБВ со спиральными замедляющими системами имеют наиболее широкую полосу частот усиливаемого сигнала, однако существенно ограничены по величине выходной мощности из-за низкой теплорассеивающей способности спирали. Развитие микроволновой электроники больших мощностей привело к созданию мощных приборов на резонансных замедляющих системах, например, ЛБВ на цепочке связанных резонаторов. Они позволяют получить значения выходной мощности существенно превышающие величины мощности в случае спиральных ЛБВ. Однако, мощные ЛБВ имеют меньшую полосу усиления. Клистроны - наиболее мощные СВЧ усилители, но наименее широкополосные.
Для генерации мощного микроволнового излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн нашли применение лампы обратной волны, релятивистские генераторы поверхностной волны, также многоволновые черепковские генераторы, где полосы генерируемых частот
также ограничены конструктивными возможностями резонансных замедляющих систем.
4. Раскрытие изобретения.
Актуальной проблемой в настоящее время является создание мощных СВЧ усилителей с широкой полосой усиливаемого сигнала. Расчеты ЛБВ [1] показывают, что расширить полосу усиления можно используя разноскоростной пучок. При взаимодействии пучка с полем замедляющей системы возникают полосы усиления таких частот сигнала, фазовые скорости волн которых находятся в синхронизме с каждой скоростной составляющей электронного пучка. Увеличение взаимодействия между пучком и полем приводит к заметному увеличению и перекрытию отдельных полос усиления и образованию единой широкой полосы усиления сигнала. Одновременно происходит взаимодействие полей разноскоростного модулированного пучка в пространстве дрейфа электронов [2] и передача энергии между слоями пучка, что может быть использовано в клистронах.
Для расширения полосы ЛБВ необходимо на входе замедляющей системы иметь многоскоростной пучок. Такой пучок должна сформировать электронная пушка. Известные пушки типа Пирса, состоящие из катода, анода и фокусирующего электрода, пушки с управлением или модуляцией пучка по фокусирующему электроду, пушки с сеткой, пушки с кольцевым катодом и управлением по штырю и фокусирующему электроду, пушки с промежуточным анодом, а также многолучевые пушки с единым потенциалом эмитирующих поверхностей, не позволяют сформировать многоскоростной электронный пучок [3].
Многоскоростной пучок можно реализовать используя эмитирующие поверхности катодов с различными потенциалами относительно анода, тем самым обеспечить различные напряжения ускорения для слоев пучка. Для получения многоскоростного пучка необходимо несколько электрически изолированных катодно-подогревательных узлов (КПУ), при этом
потенциалы КПУ относительно анода и соотношение площадей эмитирующих поверхностей катодов определяются, соответственно, фазовыми скоростями волн, для которых обеспечивается условие синхронизма со скоростью слоев электронов и величинами требуемых токов, которые должны обеспечить расширение полосы усиления по сравнению с односкоростным пучком. Зазоры между КПУ должны обеспечивать необходимую электрическую прочность. Внутренний КПУ с наименьшим диаметром может быть выполнен со сплошным катодом или кольцевым, во внутреннем отверстии которого расположен штыревой управляющий электрод, электрически связанный с другим управляющим электродом или изолированный от него, для обеспечения бессеточного управления электронным пучком. Вариант со сплошным внутренним катодом может быть использован в случае, если нет ограничения по напряжению управляющих электродов или в пушках с анодной модуляцией. За катодами расположен фокусирующий - управляющий электрод и анод.
Электроны, вылетающие из катодов с различными потенциалами относительно анода, попадают в ускоряющие поля пространства катоды - анод. Траектория движения электронов при этом формируется формой анода, фокусирующих и управляющих электродов, потенциалы которых могут иметь потенциал одного из катодов или отличный от них с целью управления, модуляции пучка или использования других особенностей электронной пушки. Для получения электронного пучка требуемой пространственной и временной конфигурации расчетным путем подбираются геометрические размеры электродов пушки при заданных потенциалах электродов, обеспечивая на входе в резонаторную систему требуемые размеры пучка, углы сходимости и распределение скоростей электронов.
5. Перечень фигур.
Фиг.1. Электронная пушка с кольцевыми КПУ.
Фиг.2. Электронная пушка с кольцевыми КПУ без центрального отверстия внутреннего КПУ.
6. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Электронная пушка, показанная на фиг.1 состоит из катодно-подогревательных узлов кольцевого типа (1), штыря (управляющего электрода) (3), управляющего (фокусирующего) электрода (4), анода (5).
Электронная пушка, показанная на фиг.2 состоит из катодно-подогревательных узлов кольцевого типа (1), катодно-подогревательного узла без центрального отверстия (2), штыря (управляющего электрода) (3), управляющего (фокусирующего) электрода (4), анода (5).
КПУ пушки имеют различные потенциалы относительно анода, которые определяются напряжением взаимодействия слоев пучка (6) с полями резонансной замедляющей системы. Поэтому:
- каждый КПУ имеет свой подогреватель (для термоэлектронных катодов), вывод подогревателя и источник питания подогревателя,
- зазоры между КПУ должны обеспечивать достаточную электрическую прочность для исключения пробоев.
Площади эмитирующих поверхностей КПУ определяются допустимой плотностью токоотбора и величиной тока, необходимого для получения выходных параметров прибора. Допустимая нагрузка на катоды (удельная плотность токоотбора) выбирается исходя из режимов работы пушки: непрерывный, квазинепрерывный, импульсный.
Формы эмитирующих поверхностей КПУ, управляющих электродов и анода определяются в результате расчета пушки. Изменяя геометрические размеры и электрические потенциалы электродов пушки, выбираются требуемые размеры и ток пучка, ламинарность потока, зазоры между электродами, обеспечивающие электрическую прочность.
Модуляция пучка электронов может осуществляться как с помощью катодно-анодного напряжения, так и с помощью напряжения, подаваемого на
штырь (3) и фокусирующий электрод (4), которые в этом случае называются управляющими электродами. Запирающее напряжение подается на электроды 3, 4.
В случае, когда нет необходимости в низковольтном управлении пучком, можно использовать внутренний КПУ пушки без центрального отверстия.
7. Библиографические данные.
1. Евдокимов Ю.В., Мозговой Ю.Д., Тисов И.Н., Хриткин С.А. Исследование усиления в мощных ЛБВ на резонансных замедляющих системах. Труды VII межвузовской научной школы «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, НИЯФ, МГУ, 2006.
2. Труды VI межвузовской научной школы «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, НИЯФ, МГУ, 2005.
3. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. Л., 1972 г.