Электронная пушка, формирующая многоскоростные неламинарные электронные пучки

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначено для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков. Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в существенном увеличении разброса электронов по скоростям в области электронной пушки за счет оригинальной конструкции сеточной структуры, расположенной вблизи катода, на которую подают тормозящий по отношению к электронному пучку потенциал. Указанный технический результат достигается тем, что электронная пушка, содержащая последовательно расположенные катод, ускоряющий электрод с потенциалом U₀ и тормозящий электрод, согласно решению тормозящий электрод выполнен в виде сетки с потенциалом U₁<U₀, перекрывающей часть площади поперечного сечения электронного пучка.

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначено для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков. Многоскоростные неламинарные электронные пучки могут быть использованы для генерации широкополосного шумоподобного СВЧ излучения малой и средней мощности (Kalinin Ju.A., Starodubov A.V. Physics of wave phenomena. 2011. Vol.19, No.1. p.18-23). Шумоподобные сигналы находят широкое применение в различных областях техники, таких как информационно-телекоммуникационные системы, радиолокация, измерительная техника и т.д. (А С.Дмитриев, А.И.Панас. М: Физматлит. - 2002; Н.Н.Залогин, В.В.Кислов. М.: Радиотехника. - 2006.). Кроме того, представляется перспективным использование подобных сигналов в ряде отраслей обрабатывающей промышленности, таких как нефтеперерабатывающая промышленность, деревообрабатывающая и т.п. (Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Березин С.И. Наука и технологии в промышленности. 3 (2009) 28-31.)

Известны различные устройства, предназначенные для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков.

Известен Патент на изобретение 2 288 519, МПК Н01J 25/68). Из этого патента известен генератор, который содержит источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, а также, по крайней мере, одну сетку, расположенную между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором. Источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Генератор дополнительно содержит вторую сетку, расположенную между первой сеткой и коллектором, с возможностью формирования виртуального катода между сетками. При этом электродинамическа система может быть выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы. Электронная пушка выполнена с термокатодом, модулирующей сеткой и анодами. В сеточный зазор инжектируется интенсивный электронный пучок, формируемый электронной пушкой с модулирующей сеткой, на которую подается потенциал больше естественного. Модулирующая сетка увеличивает разброс электронов по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. Недостатком указанного способа является то, что разброс электронов по скоростям не превышает 5%.

Известен патент РФ на полезную модель 99900, МПК H01J 25/68. Из этого патента известен малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ колебаний на турбулентных электронных пучках, содержащий источник электронов, две сетки, электродинамическую систему усиления с выводом энергии и коллектором, причем электронная пушка не содержит анода, а его роль выполняет модулирующая сетка, на которую подается ускоряющий потенциал. Генератор содержит вторую экранирующую (теневую) сетку, которая используется с целью защиты модулирующей сетки от попадания электронов. Экранирующая сетка располагается вблизи катода перед модулирующей сеткой и находится под потенциалом катода. За счет использования модулирующей сетки в качестве анода, электронная пушка формируется неламинарный (турбулентный) пучок с разбросом электронов по скоростям. Другими словами, в такой системе совмещены области электронной пушки и формирования турбулентного пучка, что позволяет существенно сократить геометрические размеры генератора. Недостатком указанного генератора является то, что разброс электронов по скоростям достаточно мал и не превышает 2-3%.

Наиболее близкий аналог описан в способе генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний (Патент на изобретение 2420825, МПК H01J 25/38, Н03В 29/00, Н04К 1/00). Из этого способа известно устройство, в котором имеется область, содержащая электронную пушку, которая содержит катод и ускоряющий электрод, а также тормозящий электрод. В данной области осуществляется формирование ламинарного электронного потока и его преобразование в многоскоростной турбулентный поток путем модуляции за счет воздействия неоднородных электрических или магнитных полей. В пространстве взаимодействия осуществляется усиление хаотических широкополосных ВЧ- и СВЧ-колебаний турбулентного электронного потока и их съем через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии. Воздействие неоднородными магнитными и электрическими полями приводит к тому, что электронный поток становится многоскоростным, различные участки электронного потока начинают двигаться с различными скоростями, что ведет к формированию в электронном потоке турбулентности. Недостатками данного устройства являются: 1) формирование многоскоростного электронного потока происходит из ламинарного в пространстве взаимодействия, что влечет за собой необходимость больших геометрических размеров устройства; 2) при формировании многоскоростного электронного потока неоднородными магнитными и электрическими полями разброс электронов по скоростям не превышает 15%.

Задачей данного технического решения является создание такой конструкции устройства для формирования неламинарных электронных пучков, которая мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечила бы получение электронных пучков с разбросом электронов по скоростям 50% и более процентов.

Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в существенном увеличении разброса электронов по скоростям в области электронной пушки за счет оригинальной конструкции сеточной структуры, расположенной вблизи катода, на которую подают тормозящий по отношению к электронному пучку потенциал.

Поставленная задача решается тем, что электронная пушка включает в себя катод и две сетки вблизи катода - экранирующую и ускоряющую, причем экранирующая сетка, ближайшая к катоду, находится под потенциалом катода, а на ускоряющую сетку, которая располагается после экранирующей, и витки которой закрыты от перегрева витками экранирующей сетки, подается ускоряющее напряжение, и она играет роль анода, согласно предлагаемому решению после ускоряющей сетки располагается тормозящая (третья) сетка, на которую подается напряжение, меньшее ускоряющего, причем витки третьей сетки перекрывают только часть электронного пучка, в частности его периферийную часть.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема конструкции устройства для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков, где

1 - катод,

2 - экранирующая сетка,

3 - ускоряющая сетка,

4 - тормозящая сетка.

Полезная модель работает следующим образом.

Электронный пучок формируется катодом 1. Он проходит сквозь экранирующую и управляющую сетки. Первая сетка является экранирующей и ее витки закрываю витки второй - ускоряющей сетки. Экранирующая сетка находится под потенциалом катода и защищает ускоряющую сетку от перегрева. Ускоряющая сетка имеет потенциал, равный ускоряющему потенциалу U₀, и она играет роль анода, ускоряя электроны. Действие ячеек сетки на электроны приводит к тому, что электроны, прошедшие через центральную часть ячейки и вблизи краев, приобретают разные как по модулю, так и по направлению скорости. Другими словами, ячейка сетки играет роль своего рода рассеивающей линзы для электронных пучков, проходящих через нее. Разброс электронов по скоростям может достигнуть 2-3%. Далее электронный пучок проходит через тормозящую сетку 4, на которую подается тормозящий потенциал U₁<U₀. Причем конструкция тормозящей сетки разработана таким образом, что сетка оказывает влияние только на часть электронного пучка. Это достигается за счет того, что в определенной части тормозящей сетки отсутствуют витки. Другими словами, определенная часть тормозящей сетки является прозрачной для электронного пучка и не оказывает на него существенного воздействия, в то время как другая часть тормозящей сетки содержит витки, проходя через которые электроны теряют свою скорость. Витки тормозящей сетки могут быть расположены перпендикулярным образом, формируя тем самым квадратную сетку. Витки тормозящей сетки могут располагаться также радиальным образом, формируя тем самым радиальную сетку. Возможен вариант радиальной сетки с перемычками. Для перекрытия части электронного пучка с целью его торможения, в частности для цилиндрических электронных пучков, оптимальным является перекрытие и торможение периферийной части электронного пучка. Таким образом, периферийная часть тормозящей сетки содержит витки, которые образуют ячейки сетки, в то время как в центральной части сетки витки отсутствуют. Соотношение размеров периферийной и центральной частей тормозящей сетки определяется тем, какую часть электронного потока необходимо затормозить. Главным управляющим параметром, который определяет разброс электронов по скоростям, является потенциал U₁, подаваемый на тормозящую сетку. Наиболее оптимальным является использование такой конструкции тормозящей сетки, в которой диаметр центральной части, прозрачной для электронного потока и не оказывающей на него существенного влияния, в 2 раза меньше диаметра всей сетки. Таким образом, в данной конструкции можно добиться существенно больших значений разброса электронов по скоростям. Эти значения будут определяться соотношением потенциалов на ускоряющей и тормозящей сетках.

Было проведено численное моделирование структуры многоскоростных электронных пучков. Расчет проводился по методике работы (Калинин Ю.А., Волкова Л.Н. Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, 14. С.65-72). На Фиг.2 и Фиг.3 представлены результаты исследований зависимости плотности тока j_max/j ₀ (где j₀ - среднее значение плотности тока) и числа сгустков N от параметра торможения электронного пучка К, который определяется следующим образом:

K=1-U _col/U₀,

где U_col - потенциал, подаваемый на коллектор, U₀ - ускоряющее напряжение. Был рассмотрен случай отсутствия магнитного поля. Видно, что плотность тока в электронных сгустках при наличии начального разброса электронов по скоростям (/=50%, Фиг.3.) возрастает в 70-100 раз, по сравнению с случаем отсутствия начального разброса по скоростям (/=0%, Фиг.2.).

Методами физического эксперимента с использованием разборной вакуумной установки (Ю.А.Калинин, А.Д.Есин. Методы и средства физического эксперимента в вакуумной СВЧ-электронике. Монография. Саратов: Изд-во СГУ. 1991) и набором соответствующих зондов были проведены исследования структуры многоскоростных турбулентных электронных пучков. На Фиг.4 приведены результаты экспериментальных исследований, отражающие качественную картину части продольной структуры многоскоростного турбулентного электронного пучка. Из полученных результатов следует, что в турбулентном электронном пучке наблюдаются как узкие, но очень плотные электронные сгустки, в которых соотношение j/j₀350, так и более протяженные электронные структуры, но с гораздо меньшей плотностью j/j₀60.

Было проведено экспериментальное исследование выходных характеристик лабораторного макета генератора широкополосных шумоподобных колебаний, с сеточной структурой у катода, представленной на фиг.1. Питание лабораторного макета осуществлялось в непрерывном режиме. Ускоряющее напряжение варьировалось в диапазоне U ₀=100÷800 В. В качестве контрольно-измерительного оборудования были использованы измеритель мощности Agilent Technologies N1912A P-series и спектроанализатор Agilent Technologies ESA-E Series Spectrum Analyzer E4402B.

Зависимость полосы генерации и выходной интегральной мощности от параметра торможения электронного пучка К приведены соответственно на Фиг.5 и Фиг.6. Символами на рисунках обозначены: А - случай отсутствия начального разброса электронов по скоростям, В - случай наличия начального разброса электронов по скоростям. Видно, что наличие начального разброса электронов по скоростям существенно улучшает выходные характеристики СВЧ излучения..

Таким образом, предложенный способ позволяет формировать многоскоростные электронные пучки с большим разбросом электронов по скоростям - до 50% и более. Эти значения будут определяться соотношением потенциалов на ускоряющей и тормозящей сетках.

1. Электронная пушка, содержащая последовательно расположенные катод, ускоряющий электрод с потенциалом U₀ и тормозящий электрод, отличающаяся тем, чтотормозящий электрод выполнен в виде сетки с потенциалом U₁<U₀, перекрывающей часть площади поперечного сечения электронного пучка.

2. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, чтов области катода расположен фокусирующий электрод.

3. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, чтоперед ускоряющим электродом расположена экранирующая сетка.