Трехэлектродная электронная пушка с продольной компрессией
О 11 И С А Н И Е; У52553
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советских
Социалистических
Реслублик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 13.03.78 (21) 2590991/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51) М. К,..
Н OIJ 29/48
Гооударствеииый комитет (43) Опубликовано 30.07.80. Бюллетень ЛЪ 25 (53) УДК 621.385.6 (088.8) яо делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 30.07.80 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель.И. В. Лопатин и А. С. Тищенко
Специальное конструкторско-технологическое бюро с Опытным производством Института радиофизики и электроники
АН Украинской ССР (54) ТРЕХЭЛЕКТРОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
Изобретение относится к электронной оптике интенсивных пучков и может найти применение в электровакуумных приборах
СВЧ, в особенности коротковолнового диапазона, а также в приборах для физического эксперимента и рентгенофизике в качестве источника электронного пучка.
Извсстны высокопервеансные трехэлектродные электронные пушки с продольной компрессией, состоящие из катодного узла, 10 содержащего катод с подогревателем, размещенные, как правило, внутри прикатодного (фокусирующего) электрода, первой (ускоряющей) диафрагмы и второй (замедляющей) диафрагмы, изолированных друг 15 от друга изоляторами (1). Между катодом и первой диафрагмой прикладывается высокое ускоряющее напряжение, величиной которого определяется ток пучка и его плотность, а также режим работы катода. 2о
Потенциал второй диафрагмы ниже потенциала первой диафрагмы, в результате чего на этом участке пушки (между диафрагмами) осуществляется торможение электронов (продольная компрессия). Скорость 25 электронов в пучке определяется разностью потенциалов между катодом и второй диафрагмой и может уменьшаться вплоть до возникновения электростатической неустойчивости при постоянном токе пучка. За счет ЗО высокого потенциала первой диафрагмы плотность тока в пучке достигает большой величины при низких скоростях электронов.
Геометрия электродов и расстояния между ними обеспечивают фокусирующее действие пушки. В известных конструкциях пушек с продольной компрессией осуществляется замедление электронов от 1 до 15 единиц, а первеанс достигает 60 мкА/В""- в пучках кругового сечения и 100 мкА/В - в ленточных пучках.
Из принципа работы электронных пушек с продольной компрессией следует, что между первой диафрагмой и катодпым узлом прикладывается наибольшсе напряжение, значительно (в 10 — 15 раз) превосходящее рабочие напряжения в пушках других типов при той же энергии электронов в пучке. Поэтому элементы конструкции, обеспечивающие изоляцию этих электродов, определяют электрическую прочность пушки и величину максимального потенциала первои диафрагмы, а следовательно, и параметры пушки (максимальный ток и первеанс). От этих элементог, зависит также срок службы электронной пушки.
Большие поверхности соприкосновения изоляторов с электродами и большие площади сечения, нормального к направлению электрического поля, вызывают необходи752553 мость в увеличении радиальных и осевых размсров изоляторов для достижения необходимой электрической прочности. Расположение элементов, являющихся источникамп испарения загрязнений (катод, поверхности апертур диафрагм), внутри изоляторов снижает электрическую прочность и сокращает срок службы. Поэтому в известных пушках катод и диафрагмы, как правило, вынесены за пределы изоляторов в осевом направлении на цилиндрических проводящих элементах за счет увеличения габаритов пушки. В некоторых конструкциях дополнительно применяются конструкти ныс меры, обеспечивающие защиту изоляторов от напыления также за счет увеличения габаритов пушки.
Известна трсхэлектродная электронная пушка с продольной компрессией, содержащая катодный узел, ускоряющую и замедляющую диафрагмы и изоляторы (21.
Недостатком известной пушки является то, что для обеспечения необходимой электрической прочности конструкция имеет большие осевые и поперечные размеры.
Вместе с тем в большинстве случаев, и в особенности в СВЧ-приборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, в которых для фокусировки пучков в основном применяется ограничение пучков магнитным полем, этот фактор имеет большое значение. Принципы разработки современных малогабаритных мапгнтных фокусирующих систем (МФС) для приборов бортовой аппаратуры на магнитожесткпх материалах с постоянной намагниченностью выдвигают требования минимальных габаритов само и прибора. Усиление магнитного поля в рабо— чем зазоре и уменьшение веса и габаритов
МФС достигается в этом случае за счет размещения магнитов с различными направлениями намагниченности в непосредственной близости от корпуса прибора как в осевом, так и в поперечном направлениях.
В извсстной электронной пушке изолятор между первой и второй диафрагмами имеет кольцевую форму и расположсн вокруг корпуса первой диафрагмы. При этом уменьшение поперечных размеров пушки вызывает необходимость в увеличении осевых размеров изолятора между катодным узлом и первой диафрагмой для обеспечения его поверхностной электрической прочности. Увеличение поверхности изолятора, развитой в осевом направлении, в замкнутом объеме корпуса диафрагмы вызвало в известной конструкции необходимость в применени:t специальных мер для защиты от напылений и применения деталей сложной конфигурации, увеличивающих осевую длину пушки.
Осевой и поперечный размеры известной пушки увеличены также за счет обязательного применения посадочного стакана, в котором установлен корпус первой диафраг10
Зо зб
GO
65 мы. Известная конструкция принциш.ально допускает расположение изолятора между диафрагмами не вокруг корпуса первой диафрагмы, а над ее плоскостью, однако при этом оссвыс размеры пушки увеличиваются, а поперечныс из-за наличия посадочного стакана нс изменяются. Уменьшение размеров известной пушки затруднено также тем, что в ней к изолятору между
«атодным узлом и псрьой диафрагмой прикладывается все напряжение между этими электродами, имсющес наибольшую величину в схеме электрического питания пушек с продольной компрессией и являющееся суммой напряжений двух источников напряжения. Это вызывает необходимость в увеличении осевых и поперечных размеров изолятора, а следовательно, и пушки.
Уменьшение размеров известной пушки затруднено, кроме того, тем, что цилиндрический изолятор между катодным узлом и первой диафрагмой имеет большие поверхности соприкосновения с электродами по цилиндрическим поверхностям и большую величину объема, в котором (в радиальном направлении) протекают токи проводимости. Это также приводит к увеличению размеров пушки.
Увеличение размеров известной пушки обусловлено также тем, что для ее крепления в электровакуумном приборе необходимо применять крепежный фланец, являющийся частью второй диафрагмы и выступающий за пределы полезного объема пушки.
Целью изобретения является уменьшение размеров электронной пушки при сохранении элсктри:вской nро шости.
Поставленная ..ель до: .гастся тем, что катодный узел и ускоряющая диафрагма закреплены консольно на изоляторах, выполненных в виде стержней, укрепленных на замедляющей диафрагме в плоскости, перпендикулярной оси пушки, и расположенных по разные стороны от плоскости, проходящей через эту ось.
Наиболес целесообразна такая конструкция предлагаемой пушки, в которой изоляторы имеют форму прямоугольных napaëлелепипедов и закреплены концами на опорных выступах замедляющей (второй) диафрагмы.
На фиг. 1 — изображена пушка, поперечный разрез; на фиг. 2 — то же, вид сверху;
»а фиг. 3 — то же, вид сбоку; на фиг. 4— разрез Б — Б на фиг. 2; на фиг. 5 — схематическос сравнение предлагаемой конструкции пушки с известной конструкцией по электрической прочности; на фиг. б — изолятор известной пушки (узел 1 на фиг, 5); на фнг. 7 — распределение потенциала по оси OZ электронно-оптической системы с трехэлектродной пушкой и схема ее электрического питания; на фиг. 8 — напряжения, прикладываемые к изоляторам известной пушки; на фиг. 9 — напряжения, при752553 кладываемые к изоляторам предлагаемой пушки; на фпг. 10 — конструкция пушки для формирования аксиально-симметрии!— ных пучков.
Предлагаемая электронная пушка состоит (фиг. 1) нз катодного узла 1, включающего в себя катод с подогревателем, первой диафрагмы 2, второй диафрагмы 3, изолятора 4 1(HTOZ»oio узла и изолятора 5 первой диафрагмы. Катодный узел 1 с помощью держателя б консольно закрсп.1сп на изоляторе 4, причем держатель б вь:полняет таки<е функцию прикатодного электрода. Первая диафрагма 2 консольно закреплена на изолятор 5.
Изоляторы 4 и 5 имеют протяженную форму в направлении, перпендикулярном к продольной оси 7 пушки, совпадающей с осью пучка. Изоляторы 4 и 5 расположены по разные стороны от воображаемой плоскости, проходящей через ось 7 пушки, прп этом проекции изоляторов 4 и 5 на вторую диафрагму 3 не пересекаются. Еонцы каждого из изоляторов 4 и 5 закреплены на второй диафрагме 3 с помощью уголковь!х ламелсй 8 (фиг. 2). Во второй диафрагме 3 выполнены отверстия 9 для крепления пушки в приборе. На изоляторе 4 катодпого узла 1 расположен накальный вывод 10.
Наиболее оптимальна для дост!!жения поставленной цели конструкция пушки, в которой изоляторы 4 н 5 имеют форму прямоугольных параллелепипедов, параллельных между собой, и опираются концами широких граней на выступы 11 второй диафрагмы 3. 1х,аждый! из выступов 11 имеет две опорныс плоскости, каждая — для одного из изоляторов 4 или 5. Опорныс плоскости выступов 11 перпендикулярны к осп 7 пушки.
В предлагаемой электронной пушке консольное крепление электродов к изоляторам
4, 5, протяженным в направлении, перпендикулярном к оси 7 пушки, позволяет уменьшить ее осевые и попсречные размеры.
Возможность такого уменьшения обуслов1сп а песко IHI Б известной конструкции объемная электрическая прочность изолятора 4 между катодным узлом с прикатодным электродом (держателем) б и первой диафрагмой 2 опредсляется расстоянием А. Объемная прочность изолятора 4 предлагаемой пушки— расстоянием А, причем А всегда значительно больше А. Протяженная форма изолятора 4 и консольное крепление катодного узла 1 позволяют применить изолятор 4 с поперечным сечением, в 10 — 50 раз меньшим, чем в известной пушке. Это уменьшает поверхность соприкосновения изолятора с электродами в местах крепления, увеличивает сопротивление изолятора 4 и увеличиваст eio электрическую прочность, благодаря чему возникает .ринципиальная возможность уменьшения и поперечного ра-05 делы катодпого узла пушки. Поэтому в от",n÷èå от известной в предлагаемой пушке 20 э 65 мера пушки при той жс электрн !сеной прочности. При этом поверхностная электрическая прочность, определяемая в известной конструкции расстоянием, приближенно рагны.,r (а- - b 4- c), остается прежней илн т.вели швастся (Фиг. б). В nçnåñòíoé пушке прочность изоляции между гервой н второй диафрагмами 2 и 3 определяется рлзмсром В. Из фпг. 5 видно, что в прсдллглсмой конструкции размер С нзо I5ITopn 5 первой диафрагмы 2 может 1!ревышать размер В в несколько раз прп условии сохранения прежней электрической прочности плп ее увеличения. Прн этом увеличение электрической прочности (объемной за счет уменьшения сечения и поверхностной за счет увеличенного размера С) B) достигается при уменьшении осевой длины пушки, поскольку изолятор вытянут в нлпрлвленип, псрпендпкулярном к ее оси. Уменьшение размеров в предлагаемой пушке по срагпению с нзвсстной достигается при консол!.ном I Размеры предлагаемой пушки уменьшены по срав IQHHIQ с известной также потому, что г, ней изоляторы 4 и 5 вынесены в сторону от узлов и деталей, являющихся псточшн(амн продуктов испарения (катодный узел i, апертуры диафрагм 2, 3), а все детали пушки при указанном их расположении находятся в объеме, открытом для откачки газов п г.аров. Поэтому в предлагаемой конструкции прн той же электрической прочности отсутствует необходимость применения протпвонлпылительных элементов, увсличигающпх габариты в известной пушке. 1хонсол!.Нос крепление электродов 1 и 2 пушки и форма изоляторов 4 и 5 позволяют также уменьшить поперечные размеры пушки за счет ее крепления в приборах с помощью отверстий 9, расположенных в пределах второй диафрагмы (в известной пушке — специальный фланец) . Существенным фактором в уменьшении размеров предлагаемой пушки по сравнешно с известной являстся то, что каждый пз изоляторов 4 п 5 закреплен концами на второй диафрагме 3 пушки. 752553 Для пояснения этого фактора необходимо рассмотреть распределение электрического потенциала по оси в предлагаемой пушке и схему ее электрического питания (фиг. 7). Вторая диафрагма 3 пушки соединяется с корпусом прибора или коллектором 12 и зазсмляется. На первую диафрагму 2 отноcII åëüío «земли» подается положителы1ый потснциал (Vl — V,) от маломощного высоковольтного источника ИП, (так как ток в цепи первой диафрагмы приблизительно равен нулю). На катод 1 пушки относительно «земли» подается отрицательный потенциал — V2 от мощного источника ИП>. Энергия электронов определяется величиной е V, где е — заряд электрона, а полезная мощность пучка равна 1, V2. Ток пучка l зависит от суммы напряжений. создаваемых обоими источниками. Такая схема электрического питания пушек с продольной компрессией является наиболее целесообразной с энергетической точки зрения и единственной практически применяемой схемой, поскольку всю полезную мощность обеспечивает низковольтный источник. В известной пушке (фиг. 8) все напряжение Vi между катодом 1 и первой диафрагмой 2 от обоих источников питания ИП1 и ИП, являющееся наибольшим в схеме, приложено к изолятору 4. К изолятору 5 приложено напряжение (Vl — Vg). Это обусловлено тем, что изолятор 4 в известной конструкции расположен внутри корпуса первой диафрагмы 2, В предлагаемой пушке (фиг. 9) напряжение Vl прикладь1вается к двум последовательно соединенным изоляторам 4 и 5, так как катод 1 и первая диафрагма 2 В отдельности изолируются от второй диафрагмы 3. К изолятору 4 прикладывается только часть напряжения Vl, равная U2, а к изолятору 5 такое же, как и в известной конструкции, напряжение (Vl — V ) . Следует отметить, что с точки зрения электрической прочности изоляпия катода 1 от первой диафрагмы 2 является наиболее важным фактором в конструкции пушки. Это связано как с наибольшей величиной прикладываемого напряжения, так и с тем, что изолятор 4 соприкасается с высокотемпературиымп деталями катодного узла 1 и наиболее близко расположен к катоду. Таким образом, в предлагаемой пушке за счет уменьшения величины напряжения. прикладываемого к изолятору 4, можно значительно уменьшить размеры пушки. Это приводит главным образом к сокрагценп1О ее поперечных размеров. Таким образом, совокупность перечпсл нных факторов в предлагаемой пушке по сравнению с известной позволяет уменьшить ее осевые и поперечные размеры прп сохранении электрической прочности. 25 зо 4О 8 Наиболее оптимальной с точки зрения уменьшения размеров и технологичности является конструкция предлагаемой пушки, в которой изоляторы 4 и 5 имеют форму прямоугольных параллелепипедов, а на краях второй диафрагмы 3 расположены опорные выступы 11 для крепления изоляторов. Плоскости опорных выступов псрпендикулярHы к оси 7 пушки, а изоляторы 4 и 5 закрепляются на них концами широких граней. По сравнению с другими возможными конфигурациями поперечного сечения изоляторов 4 и 5 прямоугольное обеспечивает получение минимальных осевых размеров пушки. Толщина изоляторов 4 и 5 в этом случае оказывается минимальной при обеспечении надежного фиксирования элементов пушки по отношению друг к другу без применения специальных деталеи, увеличивающих размеры пушки. Широкие грани изоляторов 4 и 5 являются базовыми плоскостями и при установке на выступах 11 обеспечивают параллельность осей апертур диафрагм 2 и 3 и катода с осью пушки. Это упрощает процесс сборки пушки и повышает ее точность. Применение изоляторов 4, 5 в виде прямоугольных параллелепипедов и плоских Выступов Вто Ой диафрагмы позволяс.- при минимальных поперечных размерах гушки обеспечить в значительных пределах перемещение изоляторов в сборе с электродами в направлениях, перпендикулярных к оси, при юстировке. В связи с этим значительно снижаются требования к точности расположения апертур (прямоугольных и круглых) относительно посадочных мест деталей. По этой же причине в пределах поперечных габаритов пушки на второй диафрагме остаются большие площади для размещения крепежных Винтов и других фиксирующих элементов. Толщиной выступов второй диафрагмы задаются зазоры между электродами пушки. При этом, по сравнению с другими возмож1 I l ;и Вапианта,1И, исключается сложная конфигурация изоляторов с операциями 1нлифОРКП ПО ВЬ1СОКИМ КЛ аССаМ ТОЧНОСТИ. Конструкции электронных пушек для формирования аксиальносимметричных и лен10чиь. . 1, иков Отли 1аются только i еометрией электродов и расстояниями между и*.,111. На фиг. 10 приведено поперечное сечение предлагаемой пушки чля формирования аксиально-симметричного пучка. Применение в электровакуумных прибопах СВЧ трехэлектродных пушек с продольной компрессией позволяет, как известно, значительно увеличивать выходную мощность и КПД. уменьшать рабочие напряжения. Применение в указанных приборах предлагаемой пушки за счет уменьшения ее размеров обеспечивает значительное уменьшение г-бар11тов приборов, а следовательно, и размеров рабочего зазора МФС. Это 752553 2 3 позволяет уменьшить вес и габариты МФС и получить экономический эффект как за счет стоимости полетного веса прибора, так и за счет экономии дорогостоящих магнптожестких материалов. Формула изобретения 1. Трехэлектродная электронная пушка с продольной компрессией, содержащая катодный узел, ускоряющую и замедляющую диафрагмы и изоляторы, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью уменьшения размеров пушки при сохранении ее электрической прочности, катодный узел и ускоряющая диафрагма закреплены консольно на изоляторах, выполненных в виде стержней, укрепленных на замедляющей диафрагме в плоскости, перпендикулярной оси пушки, и расположенных по разные стороны от плоскости, проходящей через эту ось. 2. Пушка по п. 1, отличающаяся тем, что стержни выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов. 3. Пушка по п. 1, отличающаяся тем, что на краях замедляющей диафрагмы расположены опорные выступы для крепления изоляторов. Источники информации, 1р принятые во внимание при экспертизе 1. Зинченко Н. С. и др. Сильноточная импульсная пушка с высоким первеансом.— «Приборы и техника эксперимента», 1969, №3, с. 22. 15 2. Зинченко Н. С., Лопатин И. В. Высокопервеанская трехэлектродная электронная пушка с повышенным сроком службы.— Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, т. XIII, 11, 1970, с. 1379— 20 1381 (прототип) .
