[1]Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электронным пушкам для СВЧ приборов О-типа с длительным и дискретным взаимодействием.
[2]В СВЧ приборах О-типа, таких как лампы с бегущей или обратной волной, клистроны, монотроны и т.д., для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ-колебаний используются протяженные электронные пучки, ограниченные в поперечном сечении за счет магнитного поля. Эти электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических систем, содержащих электронные пушки, инжектирующие ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны условной оси пушки. Электрические и геометрические параметры электронного пучка определяются формой электродов пушки и распределением магнитного поля (если оно необходимо), при которых обеспечивается формирование требуемой конфигурации пучка.
[3]Традиционно в электронно-оптических системах приборов СВЧ с одним пролетным каналом для формирования сплошного цилиндрического электронного пучка применяют электронную пушку диодного типа, в которой используется катод, работающий в режиме термоэлектронной эмиссии. Для того, чтобы обеспечить требуемую электронную эмиссию с плотностью тока несколько единиц ампер и более на квадратный сантиметр катод за определенное время нагревают до температур более 1000°С с помощью катодно-подогревательного узла, входящего в состав СВЧ-прибора.
[4]Известна электронная пушка диодного типа (см. А.И. Астайкин, Л.В. Воронина, А.Ф. Липатов, В.Б. Профе, Вакуумная микроволновая электроника. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2012, с. 121, рис. 4,14 и 4.15), которая содержит следующие основные конструктивные элементы: анод, прикатодный фокусирующий электрод, высокотемпературный подогреватель в виде спирали и термоэмиссионный катод, на сферическую поверхность которого нанесен эмитирующий слой. В такой конструкции электронной пушки эмиссия электронного тока со сферической поверхности катода обеспечивается его нагревом до рабочей температуры (свыше 1600°С), путем подведения к подогревателю электрической мощности питания. Электроны, распространяясь от катода к аноду по радиальным траекториям, создают сходящийся поток с нарастающей плотностью тока. Примыкающий к катоду фокусирующий электрод предназначен для получения требуемой конфигурации эквипотенциальных полей вдоль границы пучка и равномерного распределения электрического потенциала между катодом и анодом (в диодном промежутке). Конструкция пушки позволяет менять расстояние катод-анод и формировать электронные пучки с разными значениями первеанса (до 1 мкА/В3/2) и коэффициента сходимости по плотности тока (до 200). Подогреватель катода электронной пушки имеет форму спирали, изготовленную из тонкой вольфрамовой проволоки, которая за счет приложенного к ее выводам напряжения разогревается до рабочей температуры. В свою очередь, конструкция подогревателя в виде спирали по которой протекает постоянный ток представляет собой катушку, способную создавать паразитный магнитный поток. Этот поток распространяется к катодной поверхности и искажает траектории покидающих катод электронов, снижая его первеанс.
[5]Указанная конструкция электронной пушки является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой электронной пушке СВЧ прибора и выбрана в качестве наиболее близкого аналога.
[6]Недостатком известной электронной пушки СВЧ прибора является наличие высокотемпературного подогревателя катода, который требует дополнительного источника питания подогревателя и отдельных электрических выводов. Как правило, источник питания подогревателя выполнен в виде отдельного модуля или совмещен с источником ускоряющего напряжения, прикладываемому к катоду пушки, что приводит за счет применения дополнительных схем стабилизации напряжения к усложнению и увеличению габаритов и массы источника питания. К недостаткам наиболее близкого аналога также следует отнести относительно медленное время разогрева катода (до 2 мин.), а также относительно низкую надежность при механических перегрузках (неустойчивость к вибрациям и ударам) из-за малых размеров спирали подогревателя (как правило, диаметр проволоки и шаг намотки спирали менее 1 мм).
[7]Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электронной пушки СВЧ прибора, в конструкции которой отсутствует высокотемпературный подогреватель катода, питаемый по отдельной цепи от дополнительного источника питания.
[8]Достигаемые технические результаты заключаются в снижении энергопотребления электронной пушки СВЧ прибора, в уменьшении времени разогрева катода и в повышении надежности прибора в целом.
[9]Для достижения технических результатов в электронной пушке СВЧ прибора, содержащей корпус, в котором установлены подогреватель, катод с управляющим электродом и анод, при этом центры анода, катода и управляющего электрода совпадают с продольной осью электронной пушки, новым является то, что подогреватель выполнен в виде дополнительного электрода, а на поверхность катода, обращенную к подогревателю дополнительно нанесен автоэмиссионный слой.
[10]При таком построении электронной пушки СВЧ прибора снижение энергопотребления достигается применением одного источника питания, рабочее (ускоряющее) напряжение которого прикладывается только к катоду. Подогреватель и остальные конструктивные элементы электронной пушки СВЧ прибора находятся под нулевым потенциалом, то есть исключается из схемы питания дополнительный источник питания подогревателя, в отличие от наиболее близкого аналога. Кроме того, замена спирального подогревателя из тонкого провода дополнительным электродом повышает надежность конструкции электронной пушки, а нанесение на поверхность катода, обращенную к подогревателю автоэмиссионного слоя значительно (до 100 раз) уменьшает время разогрева катода.
[11]На фигуре представлен в разрезе продольный вид конструкции (без электрических выводов) электронной пушки СВЧ прибора.
[12]Электронная пушка СВЧ прибора содержит корпус 1, катод 2, термоэмиссионный слой 3, автоэмиссионный слой 4, управляющий электрод 5, анод 6, подогреватель 7.
[13]Подогреватель 7, катод 2 с управляющим электродом 5 и анод 6 установлены в корпусе 1.
[14]Центры анода 6, катода 2 и управляющего электрода 5 совпадают с продольной осью электронной пушки.
[15]Подогреватель 7 выполнен в виде дополнительного электрода. На поверхность катода 2, обращенную к подогревателю 7 дополнительно нанесен автоэмиссионный слой.
[16]Электронная пушка СВЧ прибора работает следующим образом.
[17]При подаче ускоряющего напряжения в зазоре между подогревателем 7 и катодом 2 со стороны автоэмиссионного слоя 4 создается электрическое поле. Расстояние между катодом 2 и подогревателем 7 выбирается из условия формирования электрического поля с требуемой амплитудой для создания необходимой величины тока автоэмиссии. Под действием электрического поля электроны, вылетевшие из автоэмиссионного слоя 4, движутся в сторону подогревателя 7 и в результате соударения об его поверхность их электрическая энергия переходит в тепловую, разогревая подогреватель 7 до рабочей температуры. Это способствует разогреву катода 2 до требуемой температуры, при которой создается необходимая величина тока термоэмиссии. Температура катода со стороны термоэмиссионного слоя 3 зависит от площади подогревателя 7, обращенной к автоэмиссионному слою 4, а также от величины тока автоэмисии.
[18]Был изготовлен опытный образец электронной пушки СВЧ прибора, испытания которого проводились в составе СВЧ прибора О-типа дециметрового диапазона длин волн. При испытаниях была получена необходимая величина тока пучка при заданном ускоряющем напряжении при значительном снижении энергопотребления электронной пушки СВЧ и времени разогрева катода, что подтвердило достижение заявленных технических результатов.
