Электронная пушка с мультипольным анодом

Полезная модель относится к элементам формирования и транспортировки электронного пучка в СВЧ приборах с длительным поперечным и распределенным (поперечно-протяженным) взаимодействием, а также может быть использована в ускорительной технике и электронной микроскопии. Сущность полезной модели заключается в том, что электронная пушка содержит кольцевой катод с отверстием в центре, фокусирующий электрод, штырь в виде ступенчатого тела вращения, расположенный в отверстии катода и многосекционный анод. Согласно предлагаемой полезной модели, первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и последующие секции выполнены в виде мультипольных электронных линз, каждая из которых содержит кольцевую систему идентичных электродов с гиперболическими поверхностями, на которые подаются постоянные и чередующиеся по значению положительные и отрицательные потенциалы. Анод электронной пушки может быть выполнен трехсекционным, причем первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и третья секции выполнены в виде двух идентичных мультипольных линз, повернутых на 90° по отношению друг к другу вокруг оптической оси. Потенциал первой секции анода вдвое больше по абсолютному значению потенциалов, подаваемых на вторую и последующие секции анода; электроды мультипольных линз анода выполнены в виде идентичных резонансных отрезков замедляющих систем. Принцип продольной компрессии, используемый в предлагаемой пушке, позволяет обеспечить фокусирующее действие и ионную защищенность катода (ионная ловушка), что позволяет увеличить срок службы катода пушки, стабильность тока пучка и уменьшение пробоев в условиях ухудшенного вакуума.

Полезная модель относится к элементам формирования и транспортировки электронного пучка в СВЧ приборах с длительным поперечным и распределенным (поперечно-протяженным) взаимодействием, а также может быть использована в ускорительной технике и электронной микроскопии.

Известны пушки Пирса, состоящие из катода, анода и фокусирующего электрода, пушки с управлением или модуляцией пучка по фокусирующему электроду, пушки с сеткой, пушки с кольцевым катодом и управлением по штырю и фокусирующему электроду [Electron Beams and Microwave Vacuum Electronics / by S.E. Tsimring. Wiley-Interscience. John Wiley & Sons, Inc., 2007; Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. Л.: Энергия, 1972]. Такие конструкции электронных пушек не могут сформировать электронный поток со значением первеанса выше 10^-3 A/B^3/2.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является электронная пушка с бессеточной модуляцией для СВЧ приборов типа «О», содержащая кольцевой катод, анод, фокусирующий электрод и штырь, расположенный в центре катода [А.С. СССР 1316470. Электронная пушка / Т.В Муравьева, Т.А. Платонова, Т.Г. Золотова. Опубл. в БИ 13, 1990]. К недостаткам такой пушки следует отнести трудности формирования плоского недеформируемого по краям электронного пучка достаточной интенсивности из-за влияния магнитного поля, а также отсутствие возможности обеспечения его продольной компрессии.

Технической задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание электронной пушки для СВЧ приборов с длительным поперечным или распределенным взаимодействием, обеспечивающей формирование электронного пучка с линейной или точечной фокусировкой и высокой интенсивностью за счет возможности обеспечения его компрессии в продольном направлении.

Решение технической задачи достигается тем, что электронная пушка содержит кольцевой катод с отверстием в центре, фокусирующий электрод, штырь в виде ступенчатого тела вращения, расположенный в отверстии катода и многосекционный анод. Согласно предлагаемой полезной модели, первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и последующие секции выполнены в виде мультипольных электронных линз, каждая из которых содержит кольцевую систему идентичных электродов с гиперболическими поверхностями, на которые подаются постоянные и чередующиеся по значению положительные и отрицательные потенциалы.

Анод электронной пушки может быть выполнен трехсекционным, причем первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и третья секции выполнены в виде двух идентичных мультипольных линз, повернутых на 90° по отношению друг к другу вокруг оптической оси.

Кроме этого, электронная пушка может характеризоваться следующими дополнительными существенными признаками:

- потенциал первой секции анода вдвое больше по абсолютному значению потенциалов, подаваемых на вторую и последующие секции анода.

- электроды мультипольных линз анода выполнены в виде идентичных резонансных отрезков замедляющих систем.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение продольной компрессии формируемого электронной пушкой высокоинтенсивного электронного пучка с линейной или точечной фокусировкой, используемого в СВЧ приборах с длительным поперечным или распределенным взаимодействием.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется рисунками, где

на фиг. 1 показано поперечное сечение электронной пушки, где цифрой 1 обозначен - кольцевой катод с отверстием в центре, 2 - фокусирующий электрод, 3 - штырь в виде ступенчатого тела вращения, 4 - квадрупольный анод, 5 - электронный пучок;

на фиг. 2 показано распределение потенциала в электронной пушке, рассчитанное в программе CST Microwave Studio;

на фиг. 3 даны результаты траекторного анализа в изометрии электронной пушки с плоским пучком электронов;

на фиг. 4 показана мультипольная электронная линза - октуполь(а) и статическое распределение потенциала в ее поперечном сечении (б).

Работа электронной пушки осуществляется следующим образом.

Электроны, вылетающие из катода, попадают в ускоряющее поле пространства катод - анод. Траектория движения электронов при этом формируется геометрией фокусирующего электрода и ступенчатого штыря, потенциалы которых могут иметь потенциал катода или отличный от них с целью модуляции и управления пучком. Для получения электронного пучка требуемой пространственной и временной конфигурации расчетным путем подбираются геометрические размеры электродов пушки при заданных потенциалах электродов, обеспечивая требуемые размеры пучка, углы сходимости и распределение скоростей электронов.

Использование мультипольной электронной линзы [Патент РФ на изобретение 2356123. Сверхвысокочастотная мультипольная линза / А.А. Елизаров, Е.А. Сорокин. Опубл. в БИ 14, 2009] в качестве второй и последующих секций анода позволяет обеспечить поперечное сжатие и линейную фокусировку электронного потока.

При выполнении анода трехсекционным, содержащим первую секцию в виде диафрагмы с отверстием, и последующих секций в виде двух идентичных мультипольных линз, повернутых на 90° по отношению друг к другу вокруг оптической оси, достигается точечная фокусировка электронного потока.

Возможность достижения технического результата подтверждается также результатами численного эксперимента - моделирования распределения потенциала и траекторного анализа, выполненными в программе CST Microwave Studio (фиг. 1-3).

Выполнение электродов мультипольных линз анода в виде идентичных резонансных отрезков замедляющих систем, например, круглых металлических стержней с продольными канавками, позволяет осуществлять модуляцию и управление формируемым электронным потоком для СВЧ приборов с длительным взаимодействием (фиг. 4а, б).

Использование двух первых секций анода, расположенных друг за другом на одной оптической оси, позволяет обеспечить продольную компрессию электронного пучка. При этом электроны, вышедшие с катода, сначала ускоряются полем первого сплошного анода, выполненного в виде диафрагмы, а затем замедляются полем второй мультпольной линзы, потенциалы кольцевой системы электродов которой вдвое меньше по абсолютному значению. Формирование пучка происходит на участке катод - первая и вторая анодные линзы пушки, причем осевой потенциал изменяется немонотонно и достигает максимума у первой линзы. Потенциал сформированного пучка равен потенциалу второй - выходной мультипольной линзы. Продольная компрессия осуществляется между анодными линзами пушки вследствие уменьшения осевой скорости электронов, что позволяет также увеличить плотность тока сформированного пучка по сравнению с пушкой - прототипом, имеющей более низкий первеанс.

Принцип продольной компрессии позволяет обеспечить для предлагаемой пушки такие важные свойства, как фокусирующее действие и ионную защищенность катода (ионная ловушка). Это позволяет увеличить срок службы катода пушки, стабильность тока пучка и уменьшение пробоев в условиях ухудшенного вакуума.

1. Электронная пушка, содержащая кольцевой катод с отверстием в центре, фокусирующий электрод, штырь в виде ступенчатого тела вращения, расположенный в отверстии катода и многосекционный анод, отличающаяся тем, что первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и последующие секции выполнены в виде мультипольных электронных линз, каждая из которых содержит кольцевую систему идентичных электродов с гиперболическими поверхностями, на которые подаются постоянные и чередующиеся по значению положительные и отрицательные потенциалы.

2. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что анод выполнен трехсекционным, причем первая секция анода, ближайшая к катоду, выполнена в виде диафрагмы с отверстием в центре, а вторая и третья секции выполнены в виде двух идентичных мультипольных линз, повернутых на 90° по отношению друг к другу вокруг оптической оси.

3. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что потенциал первой секции анода вдвое больше по абсолютному значению потенциалов, подаваемых на вторую и последующие секции анода.

4. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что электроды мультипольных линз анода выполнены в виде идентичных резонансных отрезков замедляющих систем.