СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПРОДОЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ ТЕРМОКАТОДА, ВЫЗВАННОГО ЕГО НАГРЕВОМ, В ПРИБОРЕ СВЧ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETERMINING VALUE OF LONGITUDINAL DISPLACEMENT OF THERMAL CATHODE CAUSED BY HEATING THEREOF IN MICROWAVE DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении электронных пушек с термокатодами для приборов СВЧ.
Известно определение величины продольного смещения катода (Δk), вызванного его нагревом, методом стрелочных индикаторов перемещений [1], с помощью микроскопа [2], методами голографической и спекл-интерферометрии [3]. Результаты измерений, полученные первым способом, не достаточно достоверны, так как индикаторы находятся в механическом контакте с электродами и нагреваются. Измерения с помощью микроскопа проводят через окна, вытравленные в оболочках и деталях катодных узлов. При этом стекло смотрового окна вносит сферические аберрации и не позволяет точно сфокусировать изображение края электрода. Свечение катода также мешает точной наводке. Метод голографической интерферометрии позволяет определить величину Δk с погрешностью, составляющей микрометры, а погрешность метода спекл-интерферометра при определении величины Δk составляет примерно 0.3 мкм. Однако недостатком методов голографической и спекл-интерферометрии является большая трудоемкость и необходимость изготовления специальных макетов электронной пушки. Таким образом, определение величины Δk является трудной задачей.
В то же время определение величины Δk очень важно, так как эта величина может составить 2-3% от диаметра катода [4]. Такое продольное смещение катода приводит к увеличению первеанса пучка на 10% и более и к возрастанию пульсаций пучка в пролетном канале вакуумного прибора СВЧ. Увеличение пульсаций пучка ведет к возрастанию числа электронов, оседающих на стенки пролетного канала, то есть к повышению тепловой мощности, выделяющейся на этих стенках, а это может привести к поломке прибора СВЧ.
Технический результат предложенного способа заключается в упрощении технологии определения величины Δk при обеспечении высокой точности этого определения, что позволяет изготовить с учетом величины Δk, определенной предложенным способом, пушку и магнитную фокусирующую систему с малыми пульсациями пучка в пролетном канале прибора СВЧ, т.е. позволяет уменьшить число электронов, оседающих на стенки пролетного канала, и тем самым предотвратить выход прибора СВЧ из строя.
изм.
1
2
изм.
Этот результат достигают тем, что измеряют величину тока катода при нулевом относительно катода напряжении на фокусирующем электроде (ФЭ) и при одном или нескольких отрицательных значений напряжения на ФЭ. После этого Δk определяют по нижеприведенной формуле, полученной (с учетом прямой пропорциональности величины тока пушки величине Δk) из сравнения измеренного значения тока I и значений тока , , рассчитанных для двух разных продольных смещений катода Δk, Δk при том же значении напряжения на ФЭ, при котором ток пушки I был измерен:
n
n
Определение Δk по формуле (1) при разных значениях напряжения на ФЭ позволяет уменьшить ошибку определения Δk, связанную с погрешностью измерения тока. Действительно, найденные значения Δk должны быть близки друг к другу, поэтому существенное отличие величины Δk при напряжении U на ФЭ от его значений при других напряжениях на ФЭ свидетельствует об ошибке измерения тока при данном напряжении U, что говорит о необходимости выкинуть ошибочную величину Δk из рассмотрения.
оизм.
0
1изм.
1
0изм.
.
0изм.
0изм.
1изм.
0изм.
1
2
0
1
Другой вариант предложенного способа определения Δk включает измерения тока I пушки при нулевом относительно катода напряжении U на фокусирующем электроде (ФЭ) и тока пушки I при отрицательном напряжении U на ФЭ и сравнение относительной разности ΔI/I измеренных значений тока с относительными разностями,  рассчитанных значений тока, где ΔI/I=(I-I)/I,  и  - относительные разности значений тока пушки, рассчитанных для двух разных продольных смещений катода Δk, Δk и при тех же значениях напряжения U, U на ФЭ, причем определение величины Δk на основе этого сравнения осуществляют по формуле:
Использование относительной разности измеренных значений тока позволяет избежать влияние погрешности расчета тока катода на точность определения Δk, поскольку одинаковые погрешности в числителе и в знаменателе дроби (дроби ) сокращаются.
1
2
2
1
0изм.
1изм.
0изм.
1
2
0Δk1
0Δk2
0
1Δk1
1Δk2
1
1
2
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены электронные траектории и значение тока пучка, полученные в результате расчета [5] пушек с величиной Δk=0.05 и Δk=0.15 мм соответственно. На фиг. 3 приведены графики зависимостей тока от напряжения управляющего электрода, причем измеренные значения тока представлены крестиками на кривой 1, расчетные значения тока в пушке с Δk представлены крестиками на кривой 2, а в пушке с Δk - на кривой 3. Подставляя в (1) измеренное и рассчитанные значения тока (см. фиг.3), например, при нулевом значении напряжения на ФЭ, найдем Δk=0.05+(0.15-0.05)×(910-793)/(870-793)=0.2 мм. В соответствии со вторым вариантом определения величины Δk измеряют значения тока I, I при нулевом и отрицательном (-150 В на фиг. 3) относительно катода значениях напряжения на ФЭ и находят относительную разность (0.169) измеренных значений тока (ΔI/I). Далее для двух разных заданных значений продольного смещения катода Δk=0.05 мм и Δk=0.15 мм рассчитывают токи пушки I, Iпри нулевом напряжении U на ФЭ и токи пушки I, I при напряжении U на ФЭ, равным -150 В, при этом относительные разности рассчитанных значений токов в данной пушке составляют 0.1931 (Δk=0.05 мм) и 0.1765 (Δk=0.15 мм). Подставляя в (2) относительные разности значений тока, найдем Δk=0.05+(0.15-0.05)×(0.169-0.1931)/(0.1765-0.1931)=0.195 мм. Видно, что значения Δk(0.2 и 0.195 мм), определенные по первому и второму вариантам предложенного способа определения Δk, близки друг другу и хорошо соответствуют величине Δk, измеренной на специально изготовленном макете прибора и равной (по результатам нескольких измерений) 0.15-0.2 мм. После определения величины Δk ее учитывают при оптимизации конструкции пушки, в частности при корректировке продольных расстояний между электродами пушки, а также при корректировке расположения магнитной фокусирующей системы относительно катода и оптимизации согласования электронного пучка с магнитным полем фокусирующей системы [6]. Это позволяет обеспечить фокусировку пучка с малыми пульсациями его границы, что уменьшает число электронов, оседающих на стенки пролетного канала, и тем самым снижает вероятность выхода прибора СВЧ из строя.
Источники информации
1. Методика расчета первеанса электронной пушки / В.П. Рыбачек, В.К. Федяев, В.И. Юркин и др. - В кн.: Качество, прочность, надежность и технологичность ЭВП. - Киев: Наукова думка, 1976.
2. Скапцов А.А., Кошелев B.C. Тепловые смещения в катодно-сеточном узле ЭВП СВЧ. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1983, вып. 3(339), с. 67-69.
3. В.П. Рябухо, И.С. Клименко, А.Н. Якунин. Исследование тепловых смещений электродов электронной пушки методами голографической и спекл-интерферометрии - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1986, вып. 2(386), с. 48-52.
4. Забирова Е.Г., Морев С.П., Якунин А.Н. Комплексный анализ теплофизических, термомеханических и электронно-оптических процессов в электронных пушках ЭВП СВЧ. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1986, вып. 2(386), с. 27-30.
5. Комплекс программ для проектирования на ЭВМ электронных пушек с сеточным управлением / А.И. Петросян, В.Д. Журавлева, В.В. Пензяков, В.И. Роговин // Прикладная физика. - 2002. - №3. - С. 127-133.
6. Программа расчета многоскоростного аксиально-симметричного пучка в магнитном поле / В.Д. Журавлева, С.П. Морев, В.В. Пензяков, В.И. Роговин // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. - 1985. - Вып. 1. - С. 70.