RU2040822C1

RU2040822C1 - Electron gun

Info

Publication number: RU2040822C1
Authority: RU
Inventors: М.Н. Зыбин; Е.Н. Устинова
Original assignee: Акционерное общество "Плутон"
Priority date: 1983-12-02
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1995-07-25

Abstract

FIELD: microwave devices. SUBSTANCE: electron gun has anode, focusing electrode, and cathode assembly in the form of ring whose inner surface is coated with secondary-emission material and whose radius increases towards anode. Filamentary thermionic cathode or autocathode is mounted inside ring. Gun may be built up of several rings insulated from each other and arranged along gun axis, their axial length being greater than space between adjacent rings. EFFECT: improved design. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электронным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно к электронным пушкам для ламп бегущей волны, клистронов и других СВЧ-приборов, и может быть использовано в радиолокации, связи и других областях техники для усиления и генерации сигналов СВЧ. The invention relates to electronic devices of ultra-high frequencies (microwave), and more particularly to electronic guns for traveling wave tubes, klystrons and other microwave devices, and can be used in radar, communications and other fields of technology for amplification and generation of microwave signals.

Известны мощные электронные пушки, содержащие термокатод и расположенную над ним управляющую сетку, находящуюся под отрицательным потенциалом, что позволяет управлять электронным потоком без приложения положительного смещения, а также электронные пушки с двумя сетками над катодом теневой и управляющей [1]
В таких электронных пушках осуществляется низковольтное управление электронным потоком, что значительно упрощает изготовление источников питания.Powerful electron guns are known that contain a thermal cathode and a control grid located above it that is at a negative potential, which allows controlling the electron beam without applying a positive bias, as well as electron guns with two grids above the shadow and control cathodes [1]
In such electron guns, low-voltage electron flow control is carried out, which greatly simplifies the manufacture of power supplies.

Однако использование сеток над катодом существенно уменьшает эффективную поверхность катода и снижает КПД прибора из-за токооседания на сетках и неравномерности электронного потока по плотности. Кроме того, токооседание на сетках и сложность изготовления и поддержания в процессе работы размеров и формы управляющих сеток, повторяющих поверхность катода, приводит, особенно в мощных коротковолновых приборах, к существенному снижению надежности таких приборов. However, the use of grids above the cathode significantly reduces the effective surface of the cathode and reduces the efficiency of the device due to current deposition on the grids and uneven density of the electron beam. In addition, the current subsidence on the grids and the complexity of manufacturing and maintaining during operation the size and shape of control grids repeating the cathode surface, especially in high-power short-wavelength devices, significantly reduce the reliability of such devices.

Поэтому в мощных и сверхмощных коротководновых приборах электронные пушки с сеточным управлением находят весьма ограниченное применение. Therefore, in high-power and heavy-duty short-water devices, electron guns with grid control find very limited use.

Известны также электронные пушки со сходящимся электронным пучком без управляющих сеток, создающие цилиндрический электронный поток, обеспечивающие высокий первеанс и большую плотность тока в пучке при достаточно низкой плотности тока катода. Also known are electron guns with a converging electron beam without control grids, creating a cylindrical electron stream, providing a high perveance and a high current density in the beam at a sufficiently low cathode current density.

Катодный узел в таких пушках состоит из термоэмиссионного катода с торцевой поверхностью сферической формы, внутри которого расположен подогреватель, фокусирующего электрода и анода, имеющего выступ, направленный в сторону катода [2]
Эти электронные пушки нашли широкое применение, особенно в мощных и сверхмощных приборах, благодаря высокому первеансу и возможности получать электронные пучки большой плотности при сравнительно небольшой плотности тока с катода, что обеспечивает высокую надежность и долговечность приборов.The cathode assembly in such guns consists of a thermionic cathode with a spherical end surface, inside of which there is a heater, a focusing electrode and an anode having a protrusion directed toward the cathode [2]
These electron guns are widely used, especially in high-power and heavy-duty devices, due to the high perveance and the ability to receive electron beams of high density at a relatively low current density from the cathode, which ensures high reliability and durability of the devices.

Однако, обладая целым рядом преимуществ по сравнению с пушками с управляющими сетками над катодом, эти пушки не позволяют осуществлять низковольтное управление электронным потоком, что является их недостатком. However, having a number of advantages in comparison with guns with control grids above the cathode, these guns do not allow low-voltage control of the electron beam, which is their drawback.

Кроме того, общим недостатком пушек с управляющими сетками и без них является необходимость разогрева катода, имеющего значительную поверхность и массу, до рабочей температуры, что ограничивает возможность уменьшения времени готовности и повышения полного (с учетом накала) КПД приборов, в которых используются такие пушки. In addition, a common drawback of guns with and without control grids is the need to heat the cathode, which has a significant surface and mass, to operating temperature, which limits the possibility of reducing the readiness time and increasing the total (taking into account the heat) efficiency of devices in which such guns are used.

Целью данного изобретения является обеспечение низковольтного управления электронным потоком и сокращение времени готовности прибора при сохранении надежности, технологичности и КПД такими же, как у приборов с электронными пушками со сферическим катодом без управляющих сеток. The aim of this invention is to provide low-voltage control of the electron flow and reduce the availability of the device while maintaining reliability, manufacturability and efficiency are the same as for devices with electron guns with a spherical cathode without control grids.

Указанная цель достигается в каждом из двух конструктивных вариантов. The specified goal is achieved in each of the two design options.

Первый вариант состоит в том, что в известной электронной пушке, содержащей анод, фокусирующий электрод и катодный узел, катодный узел состоит из кольца с внутренней поверхностью, выполненной из вторично-эмиссионного материала, имеющий радиус, монотонно увеличивающийся к аноду и превышающий радиус отверстия в аноде; внутри кольца расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца катода. The first option is that in a known electron gun containing an anode, a focusing electrode and a cathode assembly, the cathode assembly consists of a ring with an inner surface made of secondary emission material having a radius that increases monotonically to the anode and exceeds the radius of the hole in the anode ; inside the ring there is a direct-heating thermal cathode or an auto-electronic cathode, the working surface of which is directed towards the inner surface of the cathode ring.

Второй вариант состоит в том, что в той же известной электронной пушке, содержащей анод, фокусирующий электрод и катодный узел, катодный узел состоит из нескольких расположенных вдоль оси пушки изолированных колец с внутренней поверхностью, выполненной из вторично-эмиссионного материала, имеющей радиус, превышающий радиус отверстия в аноде, осевая длина каждого кольца превышает расстояние между соседними кольцами, внутри наиболее удаленного от анода кольца катода, расположен прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца. The second option is that in the same known electron gun containing an anode, a focusing electrode and a cathode assembly, the cathode assembly consists of several isolated rings located along the axis of the gun with an inner surface made of secondary emission material having a radius exceeding the radius holes in the anode, the axial length of each ring exceeds the distance between adjacent rings, inside the cathode ring farthest from the anode, there is a direct-heating thermal cathode or an auto-electronic cathode, working whose surface is directed towards the inner surface of the ring.

Замена торцевого сферического термоэмиссионного катода на кольцевой вторично-эмиссионный или, во втором варианте, на несколько кольцевых вторично-эмиссионных, и прямонакальный термокатод или автоэлектронный катод позволяет осуществлять запуск пушки и низковольтное управление электронным потоком путем подачи на прямонакальный катод или автокатод потенциала 20-100 В при максимальных потенциалах мощных электронных пушек 5-50 кВ. Replacing the end spherical thermionic emission cathode with an annular secondary emission cathode or, in the second embodiment, with several annular secondary emission cathodes, and a direct-heating thermal cathode or field-electron cathode allows gun launch and low-voltage electron flow control by applying a potential of 20-100 V to the direct-heating cathode or autocathode at the maximum potentials of powerful electron guns of 5-50 kV.

Кроме того, такая замена исключает необходимость разогрева всего катода и, благодаря этому, существенно снижает время готовности пушки и повышает ее экономичность. In addition, this replacement eliminates the need for heating the entire cathode and, due to this, significantly reduces the gun’s availability time and increases its efficiency.

При использовании прямонакального катода можно получить время готовности прибора 1-2 с и в несколько раз уменьшить подводимую мощность накала, а при использовании автоэлектронного катода можно получить время готовности прибора практически равным нулю и совсем исключить источник накала. When using a direct-heating cathode, it is possible to obtain a readiness time of the device of 1-2 s and several times reduce the supplied glow power, and when using an autoelectronic cathode, you can obtain a readiness time of the device almost equal to zero and completely exclude the source of heat.

Пушка с вторично-эмиссионным катодом позволяет получить как цилиндрический, так и трубчатый электронный поток. Создание трубчатого потока достигается с помощью фокусирующих электродов специальной формы (или использованием магнитной фокусировки). A gun with a secondary emission cathode makes it possible to obtain both cylindrical and tubular electron flux. The creation of a tubular flow is achieved using focusing electrodes of a special shape (or using magnetic focusing).

На фиг. 1 изображена электронная пушка (вариант I) с одним кольцом из вторично-эмиссионного материала; на фиг. 2 электронная пушка (вариант 2) с несколькими кольцами из вторично-эмиссионного материала. In FIG. 1 shows an electron gun (option I) with one ring of secondary emission material; in FIG. 2 electron gun (option 2) with several rings of secondary emission material.

Электронная пушка (фиг. 1) содержит катод 1, выполненный в виде кольца; внутри кольца расположен прямонакальный термокатод 2 (или автоэлектронный катод), рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности 3 кольца катода; фокусирующий электрод 4, анод 5. Внутренняя поверхность кольца катода выполнена из вторично-эмиссионного материала и имеет радиус, мотонно увеличивающийся к аноду и превышающий радиус отверстия в аноде. The electron gun (Fig. 1) contains a cathode 1 made in the form of a ring; inside the ring there is a direct-heating thermal cathode 2 (or auto-electronic cathode), the working surface of which is directed towards the inner surface 3 of the cathode ring; focusing electrode 4, anode 5. The inner surface of the cathode ring is made of secondary emission material and has a radius that increases motonically to the anode and exceeds the radius of the hole in the anode.

Высокая плотность тока в пучке достигается благодаря тому, что вторично-эмиссионный катод расположен снаружи прямонакального термокатода, что позволяет увеличить радиус рабочей поверхности вторично-эмиссионного катода и этим снизить плотность тока с него, а также за счет увеличения к аноду радиуса внутренней поверхности вторично-эмиссионного катода и оптимизации таким образом угла падения электронов на вторично-эмиссионный катод, а также исключения экранировки вторично-эмиссионного катода прямонакальным термокатодом. A high current density in the beam is achieved due to the fact that the secondary-emission cathode is located outside the direct-heating thermal cathode, which allows to increase the radius of the working surface of the secondary-emission cathode and thereby reduce the current density from it, as well as by increasing the radius of the inner surface of the secondary-emission cathode the cathode, and thus optimizing the angle of incidence of the electrons on the secondary emission cathode, as well as eliminating the screening of the secondary emission cathode by a direct-heating thermal cathode.

Электроды пушки укреплены на каркасе пушки, состоящем из ряда металлических дисков 7, укрепленных на керамических стержнях 6. The electrodes of the gun are mounted on the frame of the gun, consisting of a number of metal disks 7 mounted on ceramic rods 6.

Электронная пушка, показанная на фиг. 2, содержит несколько расположенных вдоль оси пушки изолированных колец 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной из вторично-эмиссионного материала и имеющей радиус, превышающий радиус отверстия в аноде 5, при этом осевая длина каждого кольца превышает расстояние между соседними кольцами, внутри наиболее удаленного от анода кольца катода расположен автоэлектронный катод 3, рабочая поверхность которого направлена в сторону внутренней поверхности кольца, фокусирующий электрод 4, анод 5. The electron gun shown in FIG. 2, contains several isolated rings 1 located along the axis of the gun with an inner surface 2 made of secondary-emission material and having a radius greater than the radius of the hole in the anode 5, while the axial length of each ring exceeds the distance between adjacent rings inside the most distant from the anode the cathode ring is located autoelectronic cathode 3, the working surface of which is directed towards the inner surface of the ring, the focusing electrode 4, the anode 5.

Высокая плотность тока в пучке достигается в этом случае благодаря тому, что, как и в первом варианте, кольца из вторично-эмиссионного материала расположены снаружи прямокального термокатода или автоэлектронного катода и радиус внутренней поверхности колец больше радиуса отверстия в аноде, а также благодаря тому, что имеется несколько расположенных последовательно колец, обеспечивающих нарастание тока пучка вдоль пушки, а так как осевая длина колец превышает расстояние между соседними кольцами, электроны попадают на каждый последующий вторично-эмиссионный катод. A high current density in the beam is achieved in this case due to the fact that, as in the first embodiment, the rings from the secondary-emission material are located outside the direct thermal cathode or the cathode and the radius of the inner surface of the rings is larger than the radius of the hole in the anode, and also because there are several rings arranged in series, providing an increase in the beam current along the gun, and since the axial length of the rings exceeds the distance between adjacent rings, the electrons fall on each subsequent Second emission cathode.

Электроды пушки, как и в варианте 1, укреплены на каркасе пушки, состоящем из ряда металлических дисков 7, укрепленных на керамических стержнях 6. The gun electrodes, as in option 1, are mounted on the gun frame, consisting of a number of metal disks 7, mounted on ceramic rods 6.

Использование в электронных пушках мощных ламп бегущей волны или клистронов катодных узлов, состоящих из вторично-эмиссионных катодов и прямонакальных термокатодов или автоэлектронных катодов, позволяет создавать приборы с низковольтным управлением и многорежимные приборы без ухудшения таких важных параметров как надежность, КПД, технологичность. The use of powerful traveling-wave tubes or klystrons of cathode assemblies in electron guns, consisting of secondary-emission cathodes and direct-heating thermal cathodes or auto-electronic cathodes, allows the creation of low-voltage control devices and multi-mode devices without compromising such important parameters as reliability, efficiency, and processability.

Кроме того, создание электронных пушек с такими катодными узлами позволяет в 5-10 раз снизить время готовности электронной пушки и прибора, в котором она используется, в несколько раз сократить расход энергии при эксплуатации приборов импульсного действия и на 5-30% приборов непрерывного действия, а при использовании вторично-эмиссионного катода с автоэлектронным катодом позволяет исключить источник питания накала. In addition, the creation of electronic guns with such cathode assemblies can reduce the readiness time of the electron gun and the device in which it is used by a factor of 5-10, reduce the energy consumption during operation of pulsed devices, and by 5-30% of continuous devices, and when using a secondary-emission cathode with an auto-electronic cathode, it eliminates the heat source.

Claims

1. ELECTRON GUN for TWO and klystron, forming a converging electron stream, containing an anode, a focusing electrode and a cathode assembly, characterized in that, in order to provide low-voltage control of the electron flow and reduce the availability of the device, the cathode assembly consists of a ring with an inner surface of secondary-emission material, the radius of which increases monotonically to the anode and exceeds the radius of its hole, a direct-heating thermal cathode or an auto-electronic cathode is located inside the ring, working on top awn which faces the inner surface of the cathode ring.

2. An electronic gun for LBVO and klystron, forming a converging electron stream, containing an anode, a focusing electrode and a cathode assembly, characterized in that, in order to provide low-voltage control of the electron beam and reduce the readiness of the device, the cathode assembly consists of several located along the axis of the gun isolated rings with an inner surface of secondary emission material, the radius of which exceeds the radius of the hole in the anode, and the axial length of each ring exceeds the distance between the rings and, and inside the outermost rings from the anode cathode is directly heated thermionic cathode or a field-emission cathode working surface which faces the inner surface of the cathode ring.