Автоэмиссионная 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.
Известна конструкция электронной пушки с автоэмиссионным катодом на основе углеродных нанотрубок и молибденовой сеткой, размещенной над поверхностью катода через вакуумный зазор [Н.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Design and Field Emission Test of Carbon Nanotube Pasted Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Trans. On El. Devices, Vol. 53, No. 11, 2006 P. 2674-2680]. Недостатком данной конструкции заключается в том, что перемычки вытягивающей сетки не защищены от прямого перехвата тока с катода, что приводит к их расплавлению мощностью электронного потока. Кроме того, равномерность автоэлектронной эмиссии в различных ячейках катодно-сеточного узла не одинакова. Вследствие технологических допусков при изготовлении и размещении катода и сетки друг относительно друга перемычки вытягивающей сетки в различных ячейках не одинаково удалены от поверхности катода. Величины зазоров между перемычками сетки и катодом, которые составляют менее 100 мкм, могут значительно отличаться. Это приводит к тому, что и напряженности электростатических полей в различных ячейках существенно отличаются как в большую, так и в меньшую сторону относительно некоторого среднего значения.
Существует конструкция автоэмиссионной электронной пушки, включающая катодно-сеточный узел из монолитного стеклоуглерода с матрицей микроострий на их торцах и крупноячеистой вытягивающей сетки с отверстиями [Бушуев Н.А., Глухова О.Е., Григорьев Ю.А., Шалаев П.Д., Шестеркин В.И. Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ. Вып. 2 (86). 2016. С. 134-139]. Крупноячеистая сетка размещена над поверхностью острийной структуры катода так, что отверстие в сетке много раз превышает расстояние между остриями. Недостатком данной конструкции, является неравномерность распределения токоотбора в ячейке сетки, большой разброс углов наклона траекторий электронов относительно оси симметрии ячеек сетки, высокое значение прилагаемого сеточного напряжения.
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 термокатода 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 термоэмиссионного катода. Пушки с термокатодами довольно энергоемкие, имеют большие размеры по сравнению с миниатюрными микроразмерными электродинамическими структурами. Одним из ограничений плотности тока является повышение температуры и снижение долговечности. Кроме того существует сложность низковольтного управления током для приборов с сеточным управлением.
Задачей настоящей полезной модели является создание автоэмиссионной электронной пушки с компрессией ленточного пучка в узких пролетных каналах электронно-оптических систем СВЧ приборов с низковольтным сеточным управлением, работающих в миллиметровом и терагерцевом диапазоне частот.
Техническим результатом полезной модели является низковольтное управление током пучка, снижение токовой нагрузки на катод за счет принципа трансформации цилиндрического пучка в ленточный, а также мгновенное время включения прибора.
Поставленная задача достигается тем, что в электронной пушке, содержащей автоэмиссионный катод, микросетку, фокусирующий электрод, анод, согласно заявленному техническому решению используется автоэмиссионный катод круглой формы с микроячейками из углеродных нанотрубок, расположенных в отверстиях электрически изолированной от катода микросетки, а фокусирующий электрод выполнен в форме расширяющегося рупора с двумя основными поверхностями и двумя боковыми поверхностями. Для придания электронному пучку сходимости в одной плоскости применяются две основные поверхности фокусирующего электрода, расположенных под углом к оптической оси пушки, определяемым неравенством
0,375π≥θ≥0,375π-δ,
где δ - параметр меняется в зависимости от коэффициента сходимости и микропервеанса (0,1-0,5).
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция электронной пушки со сходящимся ленточным пучком, которая включает в себя: автоэмиссионный катод (1), микросетку (2), фокусирующий электрод (3), анод (4), ленточный пучок (5).
На фиг. 2 представлены результаты траекторного анализа электронной пушки, выполненного в программе Lorentz-3ЕМ, где смоделировано:
а) сечение ленточного пучка: автоэмиссионный катод (1), микросетка (2), фокусирующий электрод (3), анод (4), ленточный электронный пучок (5),
б) фронтальные сечения ленточного электронного пучка при различных расстояниях от катода.
Автоэмиссионная электронная пушка со сходящимся ленточным пучком (5) образована из автоэмиссионного катода (1) круглой формы и микросетки (2), находящихся в центре отверстия фокусирующего электрода (3) и анода (4). Автоэмиссионный катод (1) состоит из микроячеек с углеродными нанотрубками. Микросетка (2) размещена над поверхностью автоэмиссионного катода (1) через диэлектрический зазор. Каждая микроячейка автоэмиссионного катода (1) размещена соосно с отверстиями микросетки (2). Фокусирующий электрод (3) выполнен в форме расширяющегося рупора с двумя основными поверхностями и двумя боковыми поверхностями. Две основные поверхности фокусирующего электрода (3) расположены под углом к оптической оси пушки, определяемым неравенством: 0,375π≥θ≥0,375π-δ, где δ - параметр меняется в зависимости от коэффициента сходимости и микропервеанса (0,1-0,5). Анод (4), отделенный от автоэмиссионного катода (1), микросетки (2) и фокусирующего электрода (3) вакуумным зазором и находящийся на одной оптической оси с катодом (1), представляет собой пластину с прямоугольным пролетным каналом.
Автоэмиссионная электронная пушка со сходящимся ленточным пучком работает следующим образом: электронная пушка формирует ленточный электронный пучок (5) с микроячеек автоэмиссионного катода (1) с круглой эмитирующей поверхности. С поверхности автоэмиссионного катода (1) стартуют электроны, под действием электрического поля, созданного микросеткой (2). Далее за микросеткой (2) пучок в пушке ускоряется под действием потенциала анода (4) и формируется в ленточный за счет сжатия в одной плоскости фокусирующим электродом (3). Сформированный ленточный пучок (5) влетает в пролетный канал анода (4). Фокусирующий электрод (3) находится под одинаковым напряжением, что и катод (1). Микросетка (2) имеет положительное относительно катода (1) и фокусирующего электрода (3) напряжение. Анод (4) имеет вакуумный зазор и электрически изолирован от катода (1), фокусирующего электрода (3) и микросетки (2), величина вакуумного зазора позволяет подать положительное напряжение относительно катода (1) до 20 кВ.
В предлагаемой конструкции электронной пушки достигается более продолжительная работа автоэмиссионного катода за счет снижение токовой нагрузки на автоэмиссионный 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 ленточного электронного пучка в программе Lorentz-3ЕМ (фиг. 2). Общий ток пучка составил 100 мА. При ускоряющем напряжении 20 кВ, индукции магнитного поля в пролетном канале 0,7 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. H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Design and Field Emission Test of Carbon Nanotube Pasted Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Trans. On E1. Devices, Vol. 53, No. 11, 2006 P.2674-2680.
2. Бушуев H.A., Глухова O.E., Григорьев Ю.А., Шалаев П.Д., Шестеркин В.И. Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ. Вып. 2 (86). 2016. С. 134-139.
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.