Электронная пушка для свч-приборов

СОЮЗ СОВЕТСНИКСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 102978,51) 5 ОПИ К АВТО НИЕ ИЗОБРЕТЕН РСКОМ ВУ ВИ ЕТЕ ния фокусного расстояния, а также обеспечения электрической подстройки согласования электронного потока с магнитным полем, между катодом и анодом последовательно размещены . ускоряющий электрод в виде диафрагмы с кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полого цилиндра ео ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром Р и обращенного торцом с поверхностью на именьшего диаметра О в сторону ка да, при этом диаметры Р,и П опреде лены соотношениями 15 то 1,0П- ,01 че Р - внешний диаметр анода во для создания маг нод и строиполя ни г Осн ки сост энергия отока пию с поле позволать ее езонанс Наибол шением к диодного ном поле ронный по ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯРИ ГННТ СССР(56) Патент США Р 280136 1, кл . 3 3.6, опублик. 1957.Авторское свидетельство СССР У 871672, кл. Н 0123/06, 1980. (54) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ СВЧ ПРИБОРОВ, содержащая катод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройст во для создания магнитного поля, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов и упрощение конструкции магнитной системы за счет увеличеИзобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам (ЭВП)., работающим в наиболее коротковолновом диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки,. формирующие трубчатые электронные потоки.Известна электронная пушка диод-. ного типа для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого электронного потока с частичной экранировкой катода от магнитного поля, содержащая катодиый узел с кольцевой эмиттирующей оверхностью, фокусирующие электроды,ной недостаток указанной пу т в том, что вращательная ормируемого ею трубчатого енебрежимо мала по сравненой энергией потока, что яет практически использомощных ЭВП с циклотронным м типа пенионтрон,ее близким техническим реизобретению является пушка типа, формируюпьчя в магнит тонкостенньй трубчатый элс ток, вращающийся юнит:Я -Ч Ки = -4,5510к ВоВк 20 где 0 - средний диаметр катода, м;К - заданная величина отношенияэнергии вращательного движения к полной энергии потока, равная (0,5-0,85Ч - потенциал анода, в;Во - индикация магнитного поляв канале дрейфа, т, 30В - индукция магнитного поляКна катоде, т,Недостаток указанной пушки заключается в том, что при реализацииее в наиболее коротковолновой частиСВЧ диапазона в связи с уменьшениемее геометрических размеров и увеличением индукции магнитного поля вканале дрейфа возникают следующие .проблемы.401) Диодная пушка имеет относительно короткую (2-4 мм) длину переходной области, в связи с чем возникаюттрудности реализации магнитной системы, обеспечивающей при высокомуровне индукции магнитного поля вканале ( 0,8 т) высокую (0,2 -0,4 т/мм) крутизну нарастания поляв переходной области, что в конечномитоге значительно усложняет, а иногда и вовсе исключает возможность создания диодных пушек с указаннымиСвойствами в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ,2) В диодной пушке невозможнаэлектричеекая подстройка согласования потока с магнитным полем без изменения первеанса потокав связи счем возникает необходимость задания 45 но оси пушки с цикпотрокной частотой и заданной энергией вращательного движения.Однако пушка содержит катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, Для повышения доли энергии вращательного движения трубчатого10 потока с циклотронной частотой относительно оси пушки эмиттирующая поверхность катода выпопнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к15 аноду, причем угол между осью пушки и "образующей конуса составляет от 20 до 50 , а средний даметр катодаоопределен соотношением жестких допусков на изготовление элементов конструкции пушки и на еесборку, обеспечение которых в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧсталкивается со значительными трудностями.Целью изобретения является упрощение технологии путем увеличения поля допусков на размеры электродов иупрощение конструкции магнитной системы за счет увеличения фокусного.расстояния, а также обеспечение электрической подстройки согласованияэлектронного потока с магнитным полем,Цель достигается тем, что в электронной пушке, формирующей в магнитном поле трубчатый. электронный поток,вращающийся относительно оси пушкис циклотронной частотой, содержащейкатод с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующне электроды,анод и устройство для создания магнитного ноля, между катодом и анодомпоследовательно размещены ускоряющий электрод в виде диафрагмы с. кольцевым отверстием и согласующий электрод в виде полного цилиндра со ступенчатой внутренней поверхностью с наибольшим диаметром Э и обращенноготорцом с поверхностью наименьшего диаметра 01 в сторону катода, при этомдиаметры 0,1 и Э определены соотношениями1,0 с -1,400(2)1,4 6 - с 2 2Эй.1 агде Р 1 - внешний диаметр анода.Изобретение поясняется чертежом, где изображено взаимное расположение электродов пушки и конфигурация электронного потока.Предложенное устройство имеет катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью 1, фокусирующие электроды 2,3, ускоряющий электрод 4, согласующий электрод 5 и анод 6,Согласующий электрод 5 обеспечивает электростатическую подфокусировку трубчатого потока 7 и согласование потока с магнитным полем при слабой крутизне нарастания поля (0,05- 0,1 т/мм) в переходной области,Ускоряющий электрод 4 обеспечивает заданную вепичину первеанса практически нвзависимо от потенциалов5 1029 783 действия потока с высокочастотным полем в приборе типа пениотрон, соответствуют максимальные значения пара-метров(3) и= 2,2 Пд Па макс 01Минимальная величина параметра -р ограничена заданной сходимостью потока. Для проходимости потока по площади 820, обычно используемой в пушках приборов типа пениотрон она ранна(4) ограничена электрической прочностью межэлектродного промежутка "согласующий электрод - анод". В 3-миллиметровом диапазоне длин волн при прокв бивном напряжении Е = 10 - , анодмм ном напряжении Ч = 10 к(, внешнем диаметре анода П = 5 мм из соотношеания 27 Е в П - 0 р( - ) =1+ПгПа мин Таким образом, для обеспеченияоптимальных условий работы прианод ной линзы (с точки зрения согласования потока с магнитным полем) геометрические параметры ее должны удовлетворять следующим соотношениям: О(Ср0- сПр 1,4 1,0 ( 2,2 где П - внешний диаметр анода.Предложенное устройство работает следующим образом.Кольцевая поверхность 1 катодного узла эмиттирует электроны, котои положения согласующего электродаи анода.Наличие в конструкции пушки согласующего и ускоряющего электродовпозволяет разделить две функции5управления и формирования потока сзаданным первеансом - между различными электродами пушки, что облегчаетпроцесс настройки пушки при заданном 10распредецении магнитного поля в переходной области и конструктивнотехнопогических ходах межэлектродных расстояний,Согласующий электрод 5 делит пушку 15на две изолированные друг от другаобласти поля (электрические линзы):прикатодную из электродов 1,2,3,4 иприанодную (иммерсионную) линзу, состоящую из .электродов 5,6.20Оптическая сила прианодной иммерсионной линзы определяется потенциалами и конфигурацией образующих ееэлектродов - внешним диаметром 0Яанода 6, диаметрами П и 0 внутрен2них цилиндрических поверхностей согласующего электрода 5, расстоянием62 с 11 между торцами анода 6 и согласующего электрода 5.При оптимальном выборе указанных 30параметров линза обеспечивает магнитное сопровождение потока на участке0 (В( Впри начальных углах встрела потока в плоскости согласующегоэлектрода 5-10 Расчет оптимальных35параметров иммерсионной линзы проводился численным методом на ЭВМ. Критерием оптимальности служит величинапульсаций границы потока в каналедрейфа при сохранении преобладающей 40доли энергии вращательного движения(К = 0,5-0,85) Относительное расстояние между торцом анода и внутреннейчастью торцовой поверхности согласующего электрода выбирается миниЬЕсдмальным (- -- = 0,4) из условий дос 0 этижения требуемой оптической силы иммерсионной линзы и обеспечения электрической прочности межэлектродного промежутка "анод - согласующий электрод",Из результатов машинного эксперимента следует, что максимальная величи 0 Пана параметров - и -. - ограниченаПр 55предельно допустимой величиной пульсации границы потока в канале дрейфа.Пульсациям Ь г7,5 Е - предельнымс точки зрения эффективности взаимоПг. Минимальная величина параметра О,ые формируются в труб батыйодаря выбоРУ среднего диаметра Пп эмнттирующей кольцевой поверхности в соответствии с конструктивным5 признаком (1) и выполнению ее в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к катоду с углом между осью пушки и образующей конуса 0(.= 20-50 , обеспе чивается вращение потока относительно оси пушки с циклотронной частотой и заданной величиной отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока, Потенциалом ускоряющего электрода 4 и геометрией электродов прикатодной области подбирается требуемая величина первеанса потока, а также достигаются условия оптимального ввода потока (под углом 20о5-10 ) в область слабого градиента электрического поля между ускоряющим 4 и согласующим 5 электродами. Электрическое поле иммерсионной линзы, образованной согласующим электродом 25 5 и анодом 6, создает фокусирующую силу, направленную к центру потока противоположно направлению расфокусирующих сил, обусловленных влиянием объемного заряда и вращения потока относительно оси пушки (центробеж- ная сила), благодаря чему осуществляется дальнейшая компрессия потока до заданного диаметра и увеличивается фокусное расстояние пушки. Выбор35 геометрических размеров согласующего электрода 5 в соответствии с конструктивным признаком (2) обеспечивает минимальные пульсации потока (Ьг(107) при высоком уровне энергии вращатель ного движения электронов Ь =08) необходимом для эффективного взаимодействия потока с высокочастотным полем в приборах с циклотронным резонансом типа пениотрон.Применение предложенной пушки позволяет формировать трубчатые электронные потоки с малыми поперечными размерами, низким уровнем пульсаций и большой энергией вращательного движения для мощных ЭВП с циклотронным резонансом (типа пениотрон), работающих в наиболее коротковолновом диапазоне СВЧ с высоким КПД м 507, Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других технических преимуществ. Во-первых, электрическая подстройка согласования потока с магнитным позволяет избежать крайне нежелательного в наиболее коротковолновой области СВЧ сужения поля допусков на размеры электродов пушки и межэлектродные расстояния, что должно значительно упростить и удешевить процесс изготовления таких пушек.Во-вторых, увеличение фокусного расстояния пушки и связанное с ним удлинение переходной области.значительно облегчает проектирование самой магнитной системы, так как требование к величине крутизны магнитного поля в переходной области является одним из наиболее важных (определяющих конструкцию) требований для магнитных систем с высоким уровнем индукции магнитного поля в рабочем зазоре. В целом предложенное устройство позволяет повысить выходную мощность и КПД усилительных и генераторных СВЧ приборов наибапее коротковолновой части СВЧ диапазона,1029783 орректор Л. Пат редактор О, 1 Оркова Техред А.ЕРавцУк 14 водственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,10 П ЗаказВНИИПИ 129Госуда венного комитета113035, Москва,Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС35, Раушская наб., д, 4/5