Электронная пушка

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронным пушкам с низковольтным сеточным управлением током пучка для электровакуумных СВЧ-приборов О-типа импульсного действия. Техническим результатом является снижение управляющего напряжения, повышение электрической прочности и надежности пушки при эксплуатации, улучшение теплового режима и подавление паразитной термоэмиссии с электродов пушки, упрощение ее конструкции. Сущность изобретения: электронная пушка содержит кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, фокусирующий электрод, электрически изолированный от кольцевого катода и соединенный с управляющей сеткой, и анод. Центральная часть управляющей сетки снабжена двумя выступами, первый из которых обращен в сторону анода, а второй выступ обращен в сторону катода. Выступы выполнены в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами. Условия выбора высоты H₁ и H₂ выступов, обращенных соответственно в сторону анода и катода, наружного диаметра d выступов и внутреннего диаметра D кольцевого катода определены заданными условиями. 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронным пушкам с низковольтным управлением тока пучка для электровакуумных СВЧ-приборов О-типа импульсного действия, например, для мощных импульсных ЛБВ и клистронов.

Уровень техники

Известна электронная пушка для формирования трубчатого электронного потока с низковольтным управлением [1]. Она содержит кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, управляющий электрод, содержащий центральный штырь, проходящий через отверстие в центре катода, и наружный электрод, расположенный над поверхностью катода. Центральный штырь и наружный электрод соединены между собой в одну электрическую цепь и изолированы от катода.

Недостатки этой пушки связаны с наличием в ней центрального штыря, размещенного внутри катода. Это усложняет конструкцию катодного узла, увеличивает вероятность электрического пробоя внутри катодного узла между центральным штырем и катодом. Под воздействием бомбардировки центрального штыря ионами, генерируемыми внутри электронного потока и движущимися в сторону катода, происходит распыление материала штыря, ухудшение вакуума, отравление катода продуктами испарения и снижение долговечности его работы. Под влиянием совокупного воздействия этих факторов снижаются электрическая прочность электронной пушки и надежность ее эксплуатации. Под воздействием теплового излучения с катода происходит разогрев центрального штыря, вследствие чего увеличивается потребляемая мощность накала и возникает опасность паразитной термоэмиссии с нагретой поверхности центрального штыря. Указанные недостатки ограничивают область применения этой пушки в мощных приборах длинноволнового диапазона СВЧ с относительно большими поперечными размерами катодных узлов и пролетных каналов. Кроме того, управляющее напряжение в пушке с центральным штырем в несколько раз выше по сравнению с пушкой с сеточным управлением, что увеличивает массу и габариты модулятора.

Известна электронная пушка для мощных импульсных СВЧ-приборов О-типа с сеточным управлением [2]. Она содержит цилиндрический катод с вогнутой торцевой эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, повторяющие форму катода, и анод. Для повышения токопрохождения путем улучшения внутренней структуры электронного потока центральная часть управляющей сетки выполнена в виде цельнометаллического выступа в форме усеченного конуса, обращенного в сторону анода, а для увеличения первеанса пучка в анодном отверстии в геометрической тени теневой и управляющей сеток установлена дополнительная анодная сетка радиального типа, электрически и конструктивно соединенная с анодом.

Недостаток этой пушки состоит в том, что центральная выступающая в сторону анода поверхность управляющей сетки также подвергается ионной бомбардировке со всеми отмеченными выше отрицательными последствиями для работы пушки. Второй недостаток связан с тем, что вследствие возмущения внутренней структуры электронного потока сетками, находящимися вблизи катода, дополнительная сетка, установленная в анодном отверстии, перехватывает часть тока пучка. Это ограничивает уровень средней импульсной мощности приборов СВЧ.

Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является электронная пушка с сеточным управлением для импульсной ЛБВ [3]. Она содержит кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, разделенной на восемь равных по площади эмитирующих секторов, впрессованную в тело катода теневую сетку радиального типа с центральным сквозным отверстием и восьмью тонкими радиальными перемычками, электрически изолированный от катода фокусирующий электрод, снабженный на торце проводящей пластиной с центральным отверстием и охватывающий снаружи кольцевой катод, центральный штырь, обращенная в сторону анода часть которого выполнена в виде полого цилиндра, изолированную от катода и электрически соединенную с фокусирующим электродом управляющую сетку радиального типа с центральным сквозным отверстием, а также анод с центральным сквозным отверстием. Радиальные перемычки управляющей сетки расположены в геометрической тени перемычек теневой сетки на поверхности сферы, концентричной сферической эмитирующей поверхности катода. Периферийная часть управляющей сетки расположена в центральном отверстии проводящей пластины фокусирующего электрода и прикреплена к фокусирующему электроду, а центральная часть управляющей сетки соединена с обращенным в строну анода торцом центрального штыря.

Конструкция этой пушки имеет следующие недостатки. При эксплуатации пушки увеличивается вероятность электрических пробоев внутри катодного узла между центральным штырем и катодом, что снижает электрическую прочность и надежность пушки. Необходимая электрическая изоляция центрального штыря от катодного узла достигается за счет усложнения конструкции пушки. Вследствие разогрева центрального штыря под воздействием интенсивного теплового излучения с внутренней поверхности центрального отверстия кольцевого катода создаются условия для появления паразитной термоэмиссии с его нагретой поверхности, ухудшается температурный режим теплонагруженных электродов пушки, увеличивается потребляемая мощность накала катодно-подогревательного узла.

Раскрытие изобретения

Актуальной задачей в настоящее время является создание электронных пушек для мощных импульсных электровакуумных СВЧ-приборов О-типа, в том числе работающих в коротковолновом диапазоне СВЧ, с низковольтным управлением и защитой катода от ионной бомбардировки, с высокой электрической прочностью и надежностью в эксплуатации, большим сроком службы.

Для решения этой задачи предлагается конструкция электронной пушки с кольцевым катодом, но без центрального штыря, с низковольтным сеточным управлением, с повышенной электрической прочностью и надежностью в эксплуатации, уменьшенной мощностью накала катода, улучшенным тепловым режимом теплонагруженных электродов пушки и более благоприятными условиями для подавления паразитной термоэмиссии с поверхности окружающих катод электродов.

Предлагается электронная пушка, содержащая размещенные вдоль оси пушки кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, сферические поверхности которых расположены концентрично эмитирующей поверхности кольцевого катода, фокусирующий электрод, электрически изолированный от кольцевого катода и соединенный с управляющей сеткой, и анод с центральным сквозным отверстием, при этом теневая и управляющая сетки выполнены с центральными сквозными отверстиями, а периферийная часть управляющей сетки расположена в центральном сквозном отверстии проводящей пластины фокусирующего электрода, расположенной перпендикулярно оси пушки между теневой сеткой и анодом, центральная часть управляющей сетки снабжена двумя выступами, первый из которых обращен в сторону анода, а второй выступ обращен в сторону катода, выступы выполнены в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами, при этом расстояние H₁ от обращенной в сторону анода и примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца первого выступа, расстояние Н₂ от обращенной в сторону катода и примыкающей к основанию второго выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца второго выступа, наружный диаметр d выступов, внутренний диаметр D кольцевого катода, выбраны в соответствии с условиями:

H₁≤L,

Н₂≤S,

(D-d)/2≥S,

где L - расстояние от примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до обращенной в сторону анода поверхности проводящей пластины фокусирующего электрода;

S - ширина зазора между обращенными друг к другу концентрично расположенными поверхностями теневой и управляющей сеток.

Применение управляющей сетки, снабженной в центральная части двумя выступами в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами, один из которых обращен в сторону анода, а другой - в сторону катода, позволяет упростить конструкцию и повысить электрическую прочность пушки за счет исключения из конструкции пушки центрального штыря и связанного с ним повышения вероятности электрических пробоев внутри катодного узла, обеспечить низковольтное сеточное управление током пучка, исключить ионную бомбардировку эмитирующей поверхности катода путем отвода ионного потока через центральное сквозное отверстие управляющей сетки (сквозь полые цилиндрические выступы управляющей сетки) и центральные сквозные отверстия теневой сетки и кольцевого катода на удаленные от эмитирующей поверхности катода элементы конструкции пушки.

Выбор расстояния H₁ от обращенной в сторону анода и примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца первого выступа в соответствии с условием H₁≤L позволяет обеспечить необходимую сходимость электронного потока по радиусу, ограничить разброс поперечных скоростей электронов в пучке в области анода для последующей фокусировки электронного потока в пролетном канале прибора с малыми пульсациями границы потока.

Выбор расстояния Н₂ от обращенной в сторону катода и примыкающей к основанию второго выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца второго выступа в соответствии с условием Н₂≤2S позволяет обеспечить оптимальные условия для формирования внутренней границы трубчатого электронного потока в области между катодом и управляющей сеткой без применения центрального штыря в катодном узле пушки.

Выбор наружного диаметра d выступов и внутреннего диаметра D кольцевого катода в соответствии с условием (D-d)/2≥S позволяет снизить величину напряженности электрического поля в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью кольцевого катода и наружной цилиндрической поверхностью второго выступа управляющей сетки, и тем самым обеспечить электрическую прочность катодно-сеточного узла и электронной пушки в целом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано схематическое изображение электронной пушки согласно изобретению.

На фиг.2 показан конструктивный сборочный чертеж одного из возможных вариантов выполнения пушки.

На фиг.3 показан один из возможных конструктивных вариантов выполнения теневой сетки радиального типа.

На фиг.4 показан один из возможных конструктивных вариантов выполнения управляющей сетки радиального типа.

На фиг.5 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки на основе двумерной модели электронного потока и электродов пушки.

На фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки на основе трехмерной модели электронного потока и электродов пушки.

На фиг.7 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока на участке сферической поверхности катода, ограниченном радиальными перемычками теневой сетки.

На фиг.8 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока по поперечному сечению электронного потока в плоскости анода (Z=10.6 мм).

На фиг.9 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока по поперечному сечению электронного потока на выходе потока из электронной пушки (Z=24 мм).

Осуществление изобретения

На фиг.1 показаны следующие основные элементы предлагаемой электронной пушки:

1 - кольцевой катод;

2 - теневая сетка радиального типа, расположенная на поверхности катода 1;

3 - управляющая сетка радиального типа;

4, 5 - полые цилиндрические выступы в центральной части управляющей сетки 3;

6 - фокусирующий электрод;

7 - проводящая пластина фокусирующего электрода 6 с центральным отверстием для размещения управляющей сетки 3;

8 - тепловой экран, электрически соединенный с катодом 1;

9 - анод с центральным отверстием, переходящим в пролетный канал.

Электронная пушка, показанная на фиг.1, может быть реализована в конструкции, представленной на фиг.2. Пушка содержит следующие отдельно изготавливаемые основные узлы:

10 - металлокерамический высоковольтный изолятор;

11 - катодно-подогревательный узел, включающий катод 1, теневую сетку 2 и тепловой экран 8;

12 - узел фокусирующего электрода, включающий фокусирующий электрод 6, проводящую пластину 7 фокусирующего электрода 6 и соединенную с ним управляющую сетку 3;

13 - накальная траверза;

14 - изолятор накальной траверзы;

15 - торцевая крышка.

Узлы и отдельные детали пушки, показанной на фиг.2, могут быть изготовлены следующим образом.

Теневую и управляющую сетки, конструкции которых показаны на фиг.3 и фиг.4 соответственно, выполняют штамповкой. В центральной части управляющей сетки 3 устанавливают проводящий полый цилиндр, который припаивают к сеточному полотну медным или медно-золотым припоем, при этом расположенные над сеточным полотном части проводящего полого цилиндра образуют выступы 4, 5 управляющей сетки 3. Сквозные окна в сетках (образующие ячейки сеток) прорезают лазерным лучом на лазерной установке с высокой точностью и производительностью. Сетки покрывают пленкой антиэмиттера, например, гафния, толщиной 2 мкм. Теневую сетку фиксируют на катоде с помощью лазерной сварки. Управляющую сетку спаивают с фокусирующим электродом с последующим покрытием антиэмиттером, например, гафнием.

Сборку узлов электронной пушки проводят в следующем порядке.

В изоляторе 10 фиксируют с помощью точечной сварки катодно-подогревательный узел 11 на определенной высоте по отношению к аноду 9. Устанавливают узел фокусирующего электрода 12 с управляющей сеткой и фиксируют лазерной сваркой с необходимыми зазорами между катодом 1 и управляющей сеткой 3. Подсоединяют накальную траверзу 13 к катодно-подогревательному узлу 11 и затем электронную пушку герметизируют торцевой крышкой 15 посредством аргоно-дуговой сварки.

Электронная пушка, показанная на фиг.1 и фиг.2, работает следующим образом.

Между катодом 1 и анодом 9 подают постоянное высокое анодное напряжение. Между катодом 1 и фокусирующим электродом 6, соединенным с управляющей сеткой 3, подают небольшое постоянное отрицательное по отношению к катоду (запирающее) напряжение и переменное импульсное модулирующее напряжение от импульсного источника питания (модулятора). При отсутствии модулирующего импульса (в паузе между импульсами) на катоде 1 создается тормозящее электрическое поле, препятствующее вылету электронов (режим запирания пушки). При подаче положительного модулирующего импульса, амплитуда которого превышает величину напряжения запирания пушки, на поверхности катода 1 создается ускоряющее электрическое поле (режим отпирания пушки). Под воздействием электрического поля электроны стартуют с эмитирующей поверхности катода, проходят сквозь ячейки управляющей сетки в сквозное отверстие анода, сопряженное с протяженным пролетным каналом (областью взаимодействия) СВЧ-прибора. Путем выбора геометрических размеров электродов управляющей сетки 3, фокусирующего электрода 6 с проводящей пластиной 7, анода 9 и установки оптимальных межэлектродных зазоров в пушке создается распределение электрического поля, обеспечивающее формирование электронного потока с требуемыми параметрами: первеансом (током), напряжением, диаметром потока на выходе из пушки, допустимым разбросом поперечных скоростей электронов по поперечному сечению потока. Благодаря наличию теневой сетки на катоде и расположению управляющей сетки в геометрической тени теневой сетки на небольшом расстоянии от поверхности катода электронный поток после прохождения сквозь ячейки управляющей сетки представляет собой совокупность пространственно разделенных парциальных пучков (электронных струй). Форма поперечного сечения и количество парциальных пучков отображают конфигурацию и количество ячеек теневой и управляющей сеток. В дальнейшем под воздействием собственного поля пространственного заряда по мере прохождения потока в анодное отверстие и пролетный канал все парциальные пучки сливаются в один сплошной электронный поток, в котором геометрическая структура сеток проявляется в характере распределении плотности тока по поперечному сечению потока. В частности, наличие радиальных перемычек сеток проявляется в виде слабого ореола плотности тока на периферии электронного потока.

Для защиты управляющей сетки 3 от попадания на нее электронов перемычки управляющей сетки 3 располагаются в геометрической тени перемычек теневой сетки 2. Конструктивно сетки радиального типа могут содержать только радиальные перемычки (как показано на фиг.3 и фиг.4) или радиальные перемычки с поддерживающими их одной или несколькими кольцевыми перемычками. Увеличение количества перемычек сеток приводит к снижению величины модулирующего напряжения и одновременному уменьшению эффективной эмитирующей поверхности катода и, следовательно, увеличению плотности тока на катоде и снижению долговечности катода. Компромиссное решение относительно количества радиальных и кольцевых перемычек сеток принимается с учетом требований, предъявляемых в каждом конкретном случае к величине тока электронного потока, плотности тока на катоде, величине модулирующего напряжения и др. Вблизи перемычек теневой сетки 2, расположенной на катоде 1 и выступающей над сферической поверхностью катода, появляется неоднородность электрического поля, под воздействием которой стартующие из этой области электроны приобретают поперечную составляющую скорости. Эти электроны вносят возмущение во внутреннюю структуру электронного потока и ухудшают прохождение электронного потока на коллектор СВЧ-прибора. Возмущающее действие теневой сетки ослабляется при уменьшении толщины полотна этой сетки. Для защиты управляющей сетки от попадания на нее электронов ширина перемычек управляющей сетки не должна превышать ширину перемычек теневой сетки.

Выполнение в центральной части управляющей сетки 3 на ее противоположных сторонах двух полых цилиндрических выступов 4 и 5 позволяет исключить из конструкции пушки центральный штырь и в то же время решить задачу фокусировки электронного потока в пушке с кольцевым катодом аналогично тому, как это реализуется в пушке с кольцевым катодом с центральным штырем. Исключение из конструкции пушки центрального штыря устраняет опасность электрических пробоев внутри катодно-подогревательного узла, приводит к снижению массы катодно-подогревательного узла, потребляемой мощности накала, улучшению теплового режима пушки, подавлению паразитной термоэмиссии вследствие снижения температуры разогрева теплонагруженных электродов пушки. Выполнение выступов 4 и 5 управляющей сетки в виде полых цилиндров позволяет отвести ионный поток через их сквозные отверстие, а затем через центральные сквозные отверстия теневой сетки 2 и кольцевого катода 1 на удаленные от эмитирующей поверхности катода 1 элементы конструкции пушки. Выполнение полых цилиндрических выступов 4 и 5 с равными друг другу внутренними и равными наружными диаметрами упрощает конструкцию и технологию изготовления управляющей сетки 3. Таким образом, одновременно упрощается конструкция пушки, улучшается ее тепловой режим, устраняется опасность ионной бомбардировки катода, повышается электрическая прочность пушки и ее надежность в эксплуатации.

Выступ 4 управляющей сетки 3, расположенный со стороны анода, вместе с проводящей пластиной 7 фокусирующего электрода 6 образуют электрическую линзу, которая обеспечивает фокусировку (компрессию) трубчатого электронного потока по радиусу и регулирует величину разброса поперечных скоростей электронов на выходе электронного потока из пушки. Выполнение высоты H₁ выступа 4 в соответствии с условием H₁≤L, обеспечивает условия для достижения оптимальной фокусировки электронного потока и минимального разброса поперечных скоростей электронов в области анода. В том случае, когда плоскость торца выступа 4 выходит за пределы плоскости, обращенной в сторону анода поверхности пластины 7 фокусирующего электрода, нарушается симметрия электрического поля фокусирующей линзы относительно центра формируемого трубчатого потока и, как следствие, происходит расфокусировка электронного потока на выходе его из электронной пушки.

Ширина S зазора между обращенными друг к другу концентрично расположенными поверхностями теневой и управляющей сеток является базовой величиной, задаваемой при разработке проекта электронной пушки прежде всего из условия обеспечения электрической прочности межэлектродного промежутка между теневой и управляющей сетками, а также целого ряда других требований к параметрам пушки и формируемого потока по величине первеанса, компрессии (сходимости по площади) потока, величинам анодного и модулирующего напряжений, плотности тока на катоде, долговечности катода и др. Исходя из требования обеспечения электрической прочности в межэлектродном промежутке между катодом и управляющей сеткой, внутренний диаметр D кольцевого катода и наружный диаметр d выступов выбирают, в соответствии с условием, когда ширина (D-d)/2 кольцевого зазора между внутренней цилиндрической поверхностью кольцевого катода 1 и наружной цилиндрической поверхностью выступа 5 управляющей сетки 3 равна или превышает базовую ширину зазора S между теневой и управляющей сеткам. Следует отметить, что при одинаковых параметрах электронного потока (по первеансу и анодному напряжению) в пушке с кольцевым катодом вследствие меньшей ширины катода условия запирания катода значительно облегчаются по сравнению с аналогичной пушкой со сплошным сферическим катодом. Поэтому применение конструкции пушки с кольцевым катодом и сетками позволяет либо дополнительно снизить величину модулирующего напряжения по сравнению с сеточными пушками со сплошным сферическим катодом, либо при сохранении уровня модулирующего напряжения увеличить ширину зазора S и увеличить запас по электрической прочности пушки.

Цилиндрический выступ 5 управляющей сетки 3, расположенный со стороны кольцевого катода 1, формирует электрическое поле на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода. Высота Н₂ выступа 5 выбирается с учетом необходимости выполнения двух противоречивых условий. Первое условие связано с необходимостью минимального разогрева выступа 5 под воздействием теплового излучения с внутренней цилиндрической поверхности кольцевого катода. Для выполнения этого условия необходимо уменьшить глубину погружения торца выступа внутрь центрального цилиндрического отверстия кольцевого катода. Второе условие связано с необходимостью обеспечения оптимального для фокусировки внутренней границы трубчатого потока распределения электрического поля на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода, для чего выступ 5 по своей высоте должен перекрывать ширину зазора S между теневой и управляющей сетками и входить в центральное цилиндрическое отверстие кольцевого катода примерно на такое же расстояние для того, чтобы неоднородность электрического поля на торце выступа не оказывала влияния на распределение электрического поля на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода. Компромиссное решение достигается при выборе высоты Н₂ выступа 5 в соответствии с условием Н₂≤2S.

Таким образом, в предлагаемой электронной пушке, по сравнению с прототипом, отсутствует центральный штырь, при этом повышается электрическая прочность и надежность эксплуатации электронной пушки, уменьшается потребляемая мощность накала, облегчается тепловой режим теплонагруженных электродов пушки. Конструктивное выполнение управляющей сетки с центральной частью в виде проводящего полого цилиндра, образующего два выступа над сеточным полотном и соединенного посредством радиальных перемычек с фокусирующим электродом, позволяет устранить ионную бомбардировку катода, обеспечить фокусировку электронного потока в пространстве между катодом и управляющей сеткой и в пространстве между управляющей сеткой и анодом. Путем выбора оптимального количества радиальных перемычек обеспечивается низкий уровень управляющего напряжения.

Возможность реализации изобретения подтверждена методом компьютерного моделирования электронной пушки. Результаты компьютерного моделирования одного из конструктивных вариантов пушки представлены на фиг.5-9. В пушке использован кольцевой катод с внутренним и наружным диаметрами 3.0 мм и 10.4 мм соответственно. На сферической поверхности катода с радиусом сферы 8.5 мм расположена теневая сетка радиального типа с толщиной полотна 0.1 мм и шестью радиальными перемычками шириной 0.2 мм. Управляющая сетка расположена на расстоянии 0.7 мм от поверхности теневой сетки (S=0.7 мм). Толщина полотна управляющей сетки составляет 0.2 мм, ширина ее радиальных перемычек равна 0.15 мм. Расположенный в центре управляющей сетки проводящий полый цилиндр имеет наружный диаметр 1.4 мм и внутренний диаметр 1.0 мм, при этом высоты выступов, расположенных со стороны катода и анода, выбраны равными Н₂=0.7 мм и H₁=0.8 мм соответственно. Управляющая сетка расположена в отверстии фокусирующего электрода диаметром 11 мм. Толщина пластины фокусирующего электрода 1.5 мм, а расположенный перпендикулярно этой пластине и соосно катоду цилиндр фокусирующего электрода имеет внутренний диаметр 17 мм, и толщину стенки 1 мм. Между катодом и цилиндром фокусирующего электрода коаксиально расположен подсоединенный к катоду цилиндрический тепловой экран 8 с внутренним и наружным диаметрами 12.5 мм и 13.3 мм соответственно, при этом торец теплового экрана 8 совмещен с торцевой плоскостью наружного края катода. Расстояние между фокусирующим электродом и анодом составляет 3.6 мм. Потенциал анода равен Ua=16 кВ, потенциал управляющей сетки в открытом состоянии пушки равен Uc=380 В (относительная величина потенциала управляющей сетки Uc/Ua=0.02). Ток пучка в этом режиме составляет 1.43 А (микропервеанс равен 0.706 мкА/В^3/2).

На фиг.5 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки согласно предлагаемому изобретению, выполненные на основе двумерной математической модели электронного потока. Расстояния вдоль продольной оси Z и по радиусу R пушки заданы в миллиметрах. На чертеже показаны траектории электронов электронного потока 16 и ход в межэлектродном пространстве электронной пушки эквипотенциальных линий электрического поля с относительными величинами потенциалов: U/Ua=0.0201 (кривая A), U/Ua=0.05 (кривая Б), U/Ua=0.1 (кривая В), U/Ua=0.3 (кривая Г), U/Ua=0.5 (кривая Д), U/Ua=0.7 (кривая Е) и U/Ua=0.95 (кривая Ж) в меридиональной плоскости, проходящей между радиальными перемычками сеток на равноудаленном от них расстоянии. Ход эквипотенциальных линий иллюстрирует фокусирующее действие на электронный поток 16 электрической линзы, создаваемой электродами пушки.

На фиг.6 представлены результаты компьютерного моделирования на основе трехмерной модели электронного потока и пространственной конфигурации электродов теневой и управляющей сеток. Из чертежа видно, что при выбранных размерах поперечного сечения радиальных перемычек сеток вносимое сетками возмущение электрического поля слабо влияет на прохождение электронного потока сквозь ячейки управляющей сетки и обеспечивает качественную фокусировку электронного потока.

На фиг.7 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока на участке сферической поверхности катода, ограниченном радиальными перемычками теневой сетки. Изображенные в нижней части чертежа точки I, II, III и IV являются угловыми для рассматриваемой области эмитирующей поверхности катода. Распределение плотности тока J (А/см²) представлено в виде рельефной поверхности, развернутой по сторонам прямоугольника с указанными выше угловыми точками. Относительно равномерная и низкая плотность тока на катоде (J=2-2,5 А/см²) обеспечивает высокую долговечность катода ˜10000 часов.

На фиг.8 представлено распределение плотности тока по поперечному сечению потока в анодной плоскости Z=10.6 мм. Рельеф поверхности распределения плотности тока отображает влияние на внутреннюю структуру электронного потока радиальных перемычек теневой сетки. Максимальная величина плотности тока в анодном сечении составляет 16 А/см² . В нижней части чертежа показаны проекции на анодную плоскость Z=10.6 мм теневой сетки и анодного отверстия, а также след электронного потока на анодной плоскости в выделенном квадрате с угловыми точками I, II, III и IV, в пределах которого определялось распределение плотности тока.

На фиг.9 приведены аналогичные данные о распределении плотности тока по сечению потока в плоскости Z=24 мм на выходе из электронной пушки. Из них следует, что парциальные пучки со всех эмитирующих участков катода сливаются в один электронный поток. Распределение плотности тока по сечению потока имеет колоколообразный характер с максимальной плотностью тока в центре потока (J˜160 А/см²).

Расчетная величина запирающего напряжения в рассматриваемом варианте выполнения электронной пушки равнялась -400 В, а величина модулирующего напряжения (с учетом положительного потенциала управляющей сетки +380 В при открытом состоянии пушки) не превышала 5% от анодного напряжения. Расчеты показали, что при уменьшении площади ячеек сеток путем увеличения количества перемычек величина модулирующего напряжения снижается до 2-3%.

Усредненная величина напряженности электрического поля в зазоре между катодом и управляющей сеткой в открытом и закрытом состоянии пушки в паузе между импульсами входного сигнала составляет около 0.5 кВ/мм, что гарантирует высокую электрическую прочность и надежность работы пушки.

Таким образом, предлагается более простая по конструкции, электрически прочная и надежная в эксплуатации, защищенная от ионной бомбардировки электронная пушка с кольцевым катодом и низковольтным сеточным управлением для мощных импульсных ЛБВ и клистронов, в том числе работающих в области коротковолнового диапазона СВЧ.

Источники информации

1. Патент США №2943234, НКИ: 315-30, 28.06.1960 г.

2. Патент РФ №1466576, МКИ⁶: H 01 J 23/06, 10.04.1995 г.

3. И.И.Голеницкий, Л.А.Сапрынская, Я.И.Местечкин, А.В.Шишов, В.И.Юданов. - Электронно-оптическая система с сеточным управлением. - Серия 1, Электроника СВЧ. - Выпуск 8 (432). - 1990. - с.36-41.

Электронная пушка, содержащая размещенные вдоль оси пушки кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, сферические поверхности которых расположены концентрично эмитирующей поверхности кольцевого катода, фокусирующий электрод, электрически изолированный от кольцевого катода и соединенный с управляющей сеткой, и анод с центральным сквозным отверстием, при этом теневая и управляющая сетки выполнены с центральными сквозными отверстиями, а периферийная часть управляющей сетки расположена в центральном сквозном отверстии проводящей пластины фокусирующего электрода, расположенной перпендикулярно оси пушки между теневой сеткой и анодом, отличающаяся тем, что центральная часть управляющей сетки снабжена двумя выступами, первый из которых обращен в сторону анода, а второй выступ обращен в сторону катода, выступы выполнены в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами, при этом расстояние H₁ от обращенной в сторону анода и примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца первого выступа, расстояние Н₂ от обращенной в сторону катода и примыкающей к основанию второго выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца второго выступа, наружный диаметр d выступов, внутренний диаметр D кольцевого катода выбраны в соответствии с условиями:

H₁≤L,

Н₂≤2S,

(D-d)/2≥S,

где L - расстояние от примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до обращенной в сторону анода поверхности проводящей пластины фокусирующего электрода,

S - ширина зазора между обращенными друг к другу концентрично расположенными поверхностями теневой и управляющей сеток.