Электронная пушка для электровакуумных приборов

средний заданна энергии жения к тока, ра- потенциал- индукция в канале К- индукция катоде, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СО;Р СПИ САНИ(56) У.КагцЬ 11 со, О.БЬо 1 сЬ 1, Я.Уц 1 с 1 оСУИоггоп Разг Чаче ТцЬе, ТЬе ПоцЬ 1 еКЫЧез Тгаче 111 пя, Иаче реп 1 оггоп.ТцЬез Роцг ЬурегГгеоцепсез, Тгачацхдц 5 Сопегез 1 пгегпаг 1 опа 1, Раг 1 з,14-18 БергешЬге, 1964, р,р. 96-115.,(54)(57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ ЗЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, формирующаявращающийся в магнитном поле трубчатый электронный поток, содержащаякатодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, Фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью. повышеИзобретение относится к электронной технике, а именно к злектровакуумным приборам (ЗВП) сверхвысоких частот (СВЧ), где используются электронные пушки, Формирующие трубчатые потоки,В последние годы интенсивно расширяются исследования мощных усилительных и генераторных СВЧ-приборов коротковолновой части СВЧ-диапазона типа пениотрона. Пениотрон.обладает высоким КПД (теоретически на основ-,. ной моде КПД достигает 952) и трения доли энергии вращательного движения потока с циклотронной частотойотносительно оси пушки, эмиттирующаяповерхность катода выполнена в видебоковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основаниемк аноду, при этом угол между осьюпушки и образующей конуса составляет 20-50 , а средний диаметр катодаопределен соотношением; иаметр катода, м;величина отношения ращательпого дви- а олной энергии поная (0,5-0,85);анода, В; магнитного поляС: дрейфа, Т; магнитного поля на бует вдвое меньшее магнитное поле посравнению с аналогичными ЗВП СВЧдиапазона - мазерами на циклотронномрезонансе (МЦР), что резко снижаетгабариты и вес магнитной системы пениотрона, а следовательно, его габариты и вес. Механизм работы пениотрона основан на взаимодействии СВЧ-поля ребристой волноводной структуры стангенциальной составляющей скоростиэлектронов потока, вращающегося относительно оси волноводной структурыс пиклотронной частотой и высокой.(до 803 от полной энергии потока)энергией вращательного движения.ИзвесРна электронная пушка, используемая в приборе типа пениотрона,формирующая спиральный электронныйноток, соосный с волноводной структурой, путем встрела под углом 60 ксиловым линиям однородного магнитного поля тонкого цилиндрического потока.Недостатками такой пушки являютсяее низкий первеанс (составляющий величину 0,056 10 6 А/В 3/2) и сложностьюстировки оси спирального потока сосью волноводной структуры. Малаяподводимая мощность (пропорциональная первеансу) потока затрудняет получение высокого уровня выходной высокочастотной мощности прибора, а 20трудности юстировки спирального потока с осью волноводной структурыне позволяют реализовать теоретически предсказываемый высокий КПД прибора (экспериментально полученный КПД 25составлял бЕ).Известна также электронная пушкас магнитным полем, в которой с цельюповышения первеанса электронный потокформируется трубчатым. В такой пушкеможет быть получена высокая (достигающая 80 Х от полной энергии потока)энергия вращательного движения потока, .в связи с чем она может применятьсяв СВЧ-приборах типа МЦР, Однако в МЦРкоротковолнового диапазона такаяпушка .требует оцень высоких (дф 3 Т)и трудно реализуемых на практике магнитных полей, а в приборах типа пениотрона она принципиально непримени 40ма,так как не обеспечивает вращениеэлектронов относительно оси пушки сциклотронной частотой.Наиболее близким техническим решением к изобретению является электронйая пушка для формирования высокопервеансного вращающегося в магнитном поле трубчатого потока при частичной экранировке катода, содержащая катодный узел с кольцевой эмит 50 тирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля (3), Эмиттирующая поверхность катода выполнена в55 виде вогнутого кольцевого сферичес-, ; кого сегмента. Распределение магнитного поля вдоль оси пушки выбрано из условия магнитного сопровождения потока, то есть направление продольнойЦель достигается тем, что в электронной пушке, формирующей вращающийся в магнитном поле трубчатый электронный поток, содержащей катодный узел с кольцевой эмиттирующей поверхностью, фокусирующие электроды, анод и устройство для создания магнитного поля, эмиттирующая поверхность катода выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, повернутого большим основанием к аноду, при этом угол между осью пушки и об 0 разующей конуса составляет 20-50 а средний диаметр катода определен соотношением: средчий диаметр катода, м; заданная величина отношения энергии вращательного движения к полной энергии потока;потенциал анода, В;индукция магнитного поля вканале дрейфа, Т;индукция магнитного поля на катоде, Т. где 0КК ВК составляющей магнитного поля не изменяется вдоль оси пушки, а величина ее обратно пропорциональна квадрату среднего диаметра потока в данном сечении. Такие пушки широко используются в ЛБВ и клистронах.Недостаток указанной пушки состоит в том, что формируемый ею трубчатый поток практически не вращается (энергия вращательного движения составляет доли процента от полной энергии потока) и, кроме того, угловая скорость вращения электронов относительно оси пушки существенно отличается от циклотронной частоты, В результате отсутствия вращательного движения потока относительно оси пушки с циклотронной частотой и низкой энергии вращательного движения потока КПД и выходная мощность ЭВП СВЧ типа пениотрона с указанной пушкой практически равнялись бы нулю, так как электронный поток в данном случае практически не взаимодействует с СВЧ-полем волноводной структуры.Целью, изобретения является повышение доли эйергии вращательного движения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки.В соответствии с законом сохранения полной энергии потока 11 (в пренебрежении Радиальной составляющейскорости электронов, что имеет местов электронном потоке с требуемыми параметрами) имеем2 г8716Минимальная величина угла наклонаобразующей конуса (20 ) ограниченавеличиной компрессии потока по площади, которая практически не превышает 50, При угле наклона, меньшем 20(компрессия потока больше 50) увеличиваются аберрации пушки н затрудняется формирование потока с требуемымипараметрами - малыми пульсациями в 10канале дрейфа, малым разбросом скоростей электронов по сечению потока,малой шириной потока в канале дрейфаи др,1 15 Максимальная величина угла наклонаообразующей конуса (50 ) ограниченапредельно допустимой величиной плотНости тока на катоде, определяющейнадежность и долговечность катодного 70фузла, а также срок службы прибора.На фиг. 1 схематически показановзаимное расположение узлов электронной пушки и магнитной фокусирующейсистемы; на фиг. 2 - взаимное расположение электродов пушки, полученноес помощью машинного эксперимента; нафиг. 3 - изменение относительных тангенциальной скорости и энергии вращательного движения электронов по сечению потока на выходе из анодногоетверстия пушки.Как показано на фиг. 1, предложенная электронная пушка для формирования трубчатого потока содержит кольцевой катод 1 с эмиттнрующей поверхностью 2, внутренний фокусирующийэлектрод 3, внешний фокусирующий электрод 4 и анод 5. Кольцевой катод 1,электроды 3, 4 и анод 5 изолированыдруг от друга посредством керамических шайб 6, Магнитная фокусирующая система включает в себя ярмо 7, основные магниты 8 и полюсные наконечники9. В качестве полюсного наконечника 45в области пушки используется анод 5,Между анодом 5 и полюсным наконечником 9 расположен канал 10 дрейфа.Электронная пушка формирует трубчатый поток 11. Коллектор 12 служит для 50рассеивания мощности потока 11,Эмиттирующая поверхность 2 с цельюдостижения малого (менее 57) разбросаскоростей вращательного движенияэлектронов по сечению потока имеетширину й 1 составляющую 5-10 Х отсреднего. диаметра катода Эк (фиг, 2).Устройство работает следующим образом,72 6Катод 1 эмиттирует из поверхности2 трубчатый электронный поток 11.Электронньп потож в пространстве между катодом и анодом 5 приобретаетвращательное движение с циклотроннойчастотой относительно оси пушки. Вращательное движение с циклотроннойчастотой обеспечивается при противоположных направлениях индукции магнитФ ,ного поля на катоде В и в каналедрейфа Во. При этом средние диаметрыкатода Эк и потока в канале дрейфаО должны быть связаны соотношением1 кВо( ) (2)Вк Действительно, согласно теореме Буша, определяющей угловую скорость Ц вращения электронов аксиальносимметричного потока 11 относительно оси пушки,Выполнение условия (2) обеспечивает вращение электронов потока 11 относительно оси пушки с циклотронной частотой Я =В , где=1,759 10 к/кг - отношение заряда электрона к его массе. где 0 - средний диаметр электронноого потока в канале дрейфа;- тангенциальная составляющая скорости вращения электронов относительно оси пушки;составляющая скорости посту- .пательного движения электронов в направлении осипушки;- отношение энергии вращательного движения к полнойэнергии электронов;потенциал анода (канала дрейфа),Из соотношения (4) получаем величину среднего диаметра потока:лаЧ К (5)о 8 В,5Исключая из соотношений (2) и (5) средний диаметр потока Ро, получаем следующую зависимость для выбора.конструктивного признака пушки - диамет ра катода:-ц Ч (В) КП (М)= -4,55110 "- -у-, --- (6)К В (Т) В(Т)оМаксимально достижимая величинапараметра К ограничена механизмомобразования так называемых магнитныхпробок в электронно-оптических системах, формирующих потоки 11 с большойэнергией вращательного движения вмагнитных полях, Режим магнитной про. бки возникает тогда, когда вся энергия потока 11 (или энергия хотя бынекоторой доли электронов потока)превращается полностью в энергию поперечного (преимущественно враща-,тельного) движения, а продольная составляющая скорости обращается в ноль,после чего поток или отдельные электроны потока продолжают свое движение 0в обратном направлении, то есть отражаются от определенной области пространства. Как и впушках, используемых в МЦР, где имеет место тот жемеханизм ограничения энергии вращательного движения электронов, в предлагаемой пушке величина параметра Кможет достигать величины порядка 0,8,то есть энергия вращательного движения потока 11 может составлять около80% от полной энергии потока.Результаты машинного эксперимента, выполненного на ЭВМ с использованием программ для расчета электрических полей и электронных траекторий 45и для расчета магнитных полей, приведены на фиг. 2Пушка Формируеттрубчатый электронный поток 11 соЭк,сходимостью по площади ( в ,=16, Вели-,10чины индукции магнитного поля на катоде и в канале дрейфа Вк= -0,05 Т,В =0 8 Т. Первеанс электронного потоб фка Р=Х/Чф (где 1 - ток потока, Чпотенциал анода 5, ррвный потенциалу канала 10 дрейфа ) равнялся 0,5 хХ 10 фА/3 Рг. Потенциал анода 5 (канал 4 а дрейфа ) Ч.=10 кВ, Ширина кольцевого катода с 1 равнялась 4% от среднего" диаметра катода Р . По данным машинного эксперимента на выходе из пушки в сечении я=5,5 .получена относительная величина энергии вращательногодвижения К 0,8 для всех электроновпотока, отличающихся радиальной координатой вылета на эмиттирующей поверхности 2 катода (фиг, 3), Разброс относительной скорости вращательного движения электронов( с г макс+(%Чг )миИв том же сечении не превышает 4% (Фиг. 4).Таким образом, предложенная электронная пушка для электровакуумных приборов повышает КПД и выходную мощность приборов путем обеспечения вращения потока с циклотронной частотой относительно оси пушки при заданной энергии вращательного движения.Использование предложенной пушки в пениотроне позволит более чем на порядок повысить первеанс (подводиМую мощность) потока по сравнению с ранее используемыми в пениотроне спиральными потоками и, следовательно, более чем на порядок повысить выходную мощность указанного класса приборов. Наряду с этим предложенная пушка имеет и ряд других технических преимуществ. Во-первых, она соосна с волноводной структурой и поэтому позволяет без применения дополнительных подстроечных устройств (электрических отклоняющих пластин, механических устройств для корректировки угла встрела потока в магнитное поле) обычными конструктивно-технологическими приемами, известными из практики разработок ЛБВ и клистронов, обеспечить требуемую точность юстировки потока с волноводной структурой и тем самым повысить КПД и выходную мощность прибора. Во-вторых, конструирование предложенной пушки облегчается тем, что подобные базовые конструкции пушек с отработанной технологией уже известны из разработк СВЧ-приборов-ЛБВ и клистронов. Применение такой пушки позволит сущест-, венно уменьшить вес и габариты и улучшить параметры мощных СВЧ-устройств коротковолнового СВЧ-диапазона,.Гиринская Техред А.Кравчук Корректор:,С.Шекмар 3)т К и ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг Гагарина, 10 Заказ 3437 Тираж 303 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5