RU2289867C1 - Electron gun - Google Patents
Electron gun Download PDFInfo
- Publication number
- RU2289867C1 RU2289867C1 RU2005126026/28A RU2005126026A RU2289867C1 RU 2289867 C1 RU2289867 C1 RU 2289867C1 RU 2005126026/28 A RU2005126026/28 A RU 2005126026/28A RU 2005126026 A RU2005126026 A RU 2005126026A RU 2289867 C1 RU2289867 C1 RU 2289867C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- gun
- control
- anode
- grid
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронным пушкам с низковольтным управлением тока пучка для электровакуумных СВЧ-приборов О-типа импульсного действия, например, для мощных импульсных ЛБВ и клистронов.The invention relates to electronic equipment, in particular to electron guns with low voltage control of the beam current for O-type microwave electric devices of pulse type, for example, for powerful pulse TWT and klystrons.
Уровень техникиState of the art
Известна электронная пушка для формирования трубчатого электронного потока с низковольтным управлением [1]. Она содержит кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, управляющий электрод, содержащий центральный штырь, проходящий через отверстие в центре катода, и наружный электрод, расположенный над поверхностью катода. Центральный штырь и наружный электрод соединены между собой в одну электрическую цепь и изолированы от катода.Known electron gun for forming a tubular electron beam with low voltage control [1]. It contains an annular cathode with a concave spherical emitting surface, a control electrode comprising a central pin passing through an opening in the center of the cathode, and an external electrode located above the cathode surface. The central pin and the outer electrode are interconnected into one electrical circuit and isolated from the cathode.
Недостатки этой пушки связаны с наличием в ней центрального штыря, размещенного внутри катода. Это усложняет конструкцию катодного узла, увеличивает вероятность электрического пробоя внутри катодного узла между центральным штырем и катодом. Под воздействием бомбардировки центрального штыря ионами, генерируемыми внутри электронного потока и движущимися в сторону катода, происходит распыление материала штыря, ухудшение вакуума, отравление катода продуктами испарения и снижение долговечности его работы. Под влиянием совокупного воздействия этих факторов снижаются электрическая прочность электронной пушки и надежность ее эксплуатации. Под воздействием теплового излучения с катода происходит разогрев центрального штыря, вследствие чего увеличивается потребляемая мощность накала и возникает опасность паразитной термоэмиссии с нагретой поверхности центрального штыря. Указанные недостатки ограничивают область применения этой пушки в мощных приборах длинноволнового диапазона СВЧ с относительно большими поперечными размерами катодных узлов и пролетных каналов. Кроме того, управляющее напряжение в пушке с центральным штырем в несколько раз выше по сравнению с пушкой с сеточным управлением, что увеличивает массу и габариты модулятора.The disadvantages of this gun are related to the presence of a central pin located inside the cathode. This complicates the design of the cathode assembly, increases the likelihood of electrical breakdown inside the cathode assembly between the central pin and the cathode. Under the influence of the bombardment of the central pin by ions generated inside the electron beam and moving towards the cathode, the pin material is sprayed, the vacuum is degraded, the cathode is poisoned by evaporation products and its working life is reduced. Under the influence of the combined effect of these factors, the electric strength of the electron gun and the reliability of its operation are reduced. Under the influence of thermal radiation from the cathode, the central pin heats up, as a result of which the consumed power of the filament increases and there is a danger of spurious thermal emission from the heated surface of the central pin. These shortcomings limit the scope of this gun in high-power microwave devices with relatively large transverse dimensions of the cathode nodes and span channels. In addition, the control voltage in the cannon with a central pin is several times higher compared to a cannon with a grid control, which increases the mass and dimensions of the modulator.
Известна электронная пушка для мощных импульсных СВЧ-приборов О-типа с сеточным управлением [2]. Она содержит цилиндрический катод с вогнутой торцевой эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, повторяющие форму катода, и анод. Для повышения токопрохождения путем улучшения внутренней структуры электронного потока центральная часть управляющей сетки выполнена в виде цельнометаллического выступа в форме усеченного конуса, обращенного в сторону анода, а для увеличения первеанса пучка в анодном отверстии в геометрической тени теневой и управляющей сеток установлена дополнительная анодная сетка радиального типа, электрически и конструктивно соединенная с анодом.Known electronic gun for high-power pulsed microwave O-type devices with grid control [2]. It contains a cylindrical cathode with a concave end emitting surface, a shadow and a control grid of the radial type, repeating the shape of the cathode, and the anode. To increase current transmission by improving the internal structure of the electron beam, the central part of the control grid is made in the form of an all-metal protrusion in the form of a truncated cone facing the anode, and to increase the perveance of the beam in the anode hole in the geometric shadow of the shadow and control grids, an additional radial type anode grid is installed, electrically and structurally connected to the anode.
Недостаток этой пушки состоит в том, что центральная выступающая в сторону анода поверхность управляющей сетки также подвергается ионной бомбардировке со всеми отмеченными выше отрицательными последствиями для работы пушки. Второй недостаток связан с тем, что вследствие возмущения внутренней структуры электронного потока сетками, находящимися вблизи катода, дополнительная сетка, установленная в анодном отверстии, перехватывает часть тока пучка. Это ограничивает уровень средней импульсной мощности приборов СВЧ.The disadvantage of this gun is that the central surface of the control grid protruding toward the anode is also subjected to ion bombardment with all the negative consequences noted above for the operation of the gun. The second disadvantage is due to the fact that due to the perturbation of the internal structure of the electron beam by grids located near the cathode, an additional grid installed in the anode hole intercepts part of the beam current. This limits the average pulse power level of the microwave devices.
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является электронная пушка с сеточным управлением для импульсной ЛБВ [3]. Она содержит кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, разделенной на восемь равных по площади эмитирующих секторов, впрессованную в тело катода теневую сетку радиального типа с центральным сквозным отверстием и восьмью тонкими радиальными перемычками, электрически изолированный от катода фокусирующий электрод, снабженный на торце проводящей пластиной с центральным отверстием и охватывающий снаружи кольцевой катод, центральный штырь, обращенная в сторону анода часть которого выполнена в виде полого цилиндра, изолированную от катода и электрически соединенную с фокусирующим электродом управляющую сетку радиального типа с центральным сквозным отверстием, а также анод с центральным сквозным отверстием. Радиальные перемычки управляющей сетки расположены в геометрической тени перемычек теневой сетки на поверхности сферы, концентричной сферической эмитирующей поверхности катода. Периферийная часть управляющей сетки расположена в центральном отверстии проводящей пластины фокусирующего электрода и прикреплена к фокусирующему электроду, а центральная часть управляющей сетки соединена с обращенным в строну анода торцом центрального штыря.The closest in technical essence (prototype) is an electron gun with a grid control for a pulsed TWT [3]. It contains an annular cathode with a concave spherical emitting surface divided into eight equal-sized emitting sectors, a radial-type shadow grid pressed into the cathode body with a central through hole and eight thin radial jumpers, a focusing electrode electrically isolated from the cathode, equipped with a conductive plate with a central hole and an annular cathode enveloping the outside, a central pin facing a side of the anode part of which is made in the form of a hollow cylinder, a radial-type control grid isolated from the cathode and electrically connected to the focusing electrode with a central through hole, as well as an anode with a central through hole. The radial jumpers of the control grid are located in the geometric shadow of the jumpers of the shadow grid on the surface of the sphere, concentric spherical emitting surface of the cathode. The peripheral part of the control grid is located in the central hole of the conducting plate of the focusing electrode and is attached to the focusing electrode, and the central part of the control grid is connected to the end face of the central pin facing the anode.
Конструкция этой пушки имеет следующие недостатки. При эксплуатации пушки увеличивается вероятность электрических пробоев внутри катодного узла между центральным штырем и катодом, что снижает электрическую прочность и надежность пушки. Необходимая электрическая изоляция центрального штыря от катодного узла достигается за счет усложнения конструкции пушки. Вследствие разогрева центрального штыря под воздействием интенсивного теплового излучения с внутренней поверхности центрального отверстия кольцевого катода создаются условия для появления паразитной термоэмиссии с его нагретой поверхности, ухудшается температурный режим теплонагруженных электродов пушки, увеличивается потребляемая мощность накала катодно-подогревательного узла.The design of this gun has the following disadvantages. During operation of the gun, the probability of electrical breakdowns inside the cathode assembly between the central pin and the cathode increases, which reduces the electric strength and reliability of the gun. The necessary electrical isolation of the central pin from the cathode assembly is achieved by complicating the design of the gun. Due to the heating of the central pin under the influence of intense thermal radiation from the inner surface of the central hole of the annular cathode, conditions are created for the appearance of spurious thermal emission from its heated surface, the temperature regime of heat-loaded gun electrodes worsens, and the consumed heating power of the cathode-heating unit increases.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Актуальной задачей в настоящее время является создание электронных пушек для мощных импульсных электровакуумных СВЧ-приборов О-типа, в том числе работающих в коротковолновом диапазоне СВЧ, с низковольтным управлением и защитой катода от ионной бомбардировки, с высокой электрической прочностью и надежностью в эксплуатации, большим сроком службы.An urgent task at present is the creation of electronic guns for high-power pulsed microwave O-type microwave devices, including those operating in the short-wave microwave range, with low-voltage control and protection of the cathode from ion bombardment, with high electric strength and reliability in operation, long life service.
Для решения этой задачи предлагается конструкция электронной пушки с кольцевым катодом, но без центрального штыря, с низковольтным сеточным управлением, с повышенной электрической прочностью и надежностью в эксплуатации, уменьшенной мощностью накала катода, улучшенным тепловым режимом теплонагруженных электродов пушки и более благоприятными условиями для подавления паразитной термоэмиссии с поверхности окружающих катод электродов.To solve this problem, an electron gun design with a ring cathode, but without a central pin, with low-voltage grid control, with increased electric strength and operational reliability, reduced cathode glow power, improved thermal regime of heat-loaded gun electrodes and more favorable conditions for suppressing spurious thermal emission is proposed. from the surface of the electrodes surrounding the cathode.
Предлагается электронная пушка, содержащая размещенные вдоль оси пушки кольцевой катод с вогнутой сферической эмитирующей поверхностью, теневую и управляющую сетки радиального типа, сферические поверхности которых расположены концентрично эмитирующей поверхности кольцевого катода, фокусирующий электрод, электрически изолированный от кольцевого катода и соединенный с управляющей сеткой, и анод с центральным сквозным отверстием, при этом теневая и управляющая сетки выполнены с центральными сквозными отверстиями, а периферийная часть управляющей сетки расположена в центральном сквозном отверстии проводящей пластины фокусирующего электрода, расположенной перпендикулярно оси пушки между теневой сеткой и анодом, центральная часть управляющей сетки снабжена двумя выступами, первый из которых обращен в сторону анода, а второй выступ обращен в сторону катода, выступы выполнены в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами, при этом расстояние H1 от обращенной в сторону анода и примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца первого выступа, расстояние Н2 от обращенной в сторону катода и примыкающей к основанию второго выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца второго выступа, наружный диаметр d выступов, внутренний диаметр D кольцевого катода, выбраны в соответствии с условиями:An electron gun is proposed comprising a ring cathode arranged along the axis of the gun with a concave spherical emitting surface, radial-type shadow and control grids, spherical surfaces of which are concentrically emitting the surface of the ring cathode, a focusing electrode electrically isolated from the ring cathode and connected to the control grid, and the anode with a central through hole, while the shadow and control grids are made with central through holes, and the peripheral hour l the control grid is located in the central through hole of the conducting plate of the focusing electrode located perpendicular to the axis of the gun between the shadow grid and the anode, the central part of the control grid is provided with two protrusions, the first of which is facing the anode, and the second protrusion is facing the cathode, the protrusions are made in in the form of hollow cylinders arranged coaxially with the cannon with equal external and equal internal diameters, with the distance H 1 from the anode facing the side and adjacent to the base of the first the stupa of the spherical surface of the control grid to the end face of the first protrusion, the distance H 2 from the spherical surface of the control grid adjacent to the base of the second protrusion to the end of the second protrusion, the outer diameter d of the protrusions, the inner diameter D of the annular cathode, are selected in accordance with the conditions:
H1≤L,H 1 ≤L,
Н2≤S,H 2 ≤S,
(D-d)/2≥S,(D-d) / 2≥S,
где L - расстояние от примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до обращенной в сторону анода поверхности проводящей пластины фокусирующего электрода;where L is the distance from the spherical surface of the control grid adjacent to the base of the first protrusion to the surface of the conducting plate of the focusing electrode facing the anode;
S - ширина зазора между обращенными друг к другу концентрично расположенными поверхностями теневой и управляющей сеток.S is the width of the gap between the concentrically located surfaces of the shadow and control grids facing each other.
Применение управляющей сетки, снабженной в центральная части двумя выступами в виде расположенных соосно пушке полых цилиндров с равными наружными и равными внутренними диаметрами, один из которых обращен в сторону анода, а другой - в сторону катода, позволяет упростить конструкцию и повысить электрическую прочность пушки за счет исключения из конструкции пушки центрального штыря и связанного с ним повышения вероятности электрических пробоев внутри катодного узла, обеспечить низковольтное сеточное управление током пучка, исключить ионную бомбардировку эмитирующей поверхности катода путем отвода ионного потока через центральное сквозное отверстие управляющей сетки (сквозь полые цилиндрические выступы управляющей сетки) и центральные сквозные отверстия теневой сетки и кольцевого катода на удаленные от эмитирующей поверхности катода элементы конструкции пушки.The use of a control grid equipped in the central part with two protrusions in the form of hollow cylinders arranged coaxially with the cannon with equal external and equal internal diameters, one of which faces the anode and the other toward the cathode, simplifies the design and increases the electric strength of the gun due to exceptions from the design of the gun of the central pin and the associated increase in the probability of electrical breakdowns inside the cathode assembly, to ensure low-voltage grid control of the beam current, to exclude and nnuyu bombardment by emitting surface of the cathode discharge ion flow through the central through hole of the control grid (through a hollow cylindrical control grid tabs) and the central through holes of the shadow grid and an annular cathode to the emitting surface remote from the cathode gun structure elements.
Выбор расстояния H1 от обращенной в сторону анода и примыкающей к основанию первого выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца первого выступа в соответствии с условием H1≤L позволяет обеспечить необходимую сходимость электронного потока по радиусу, ограничить разброс поперечных скоростей электронов в пучке в области анода для последующей фокусировки электронного потока в пролетном канале прибора с малыми пульсациями границы потока.The choice of the distance H 1 from the spherical surface of the control grid adjacent to the base of the first protrusion and adjacent to the base of the first protrusion to the end of the first protrusion in accordance with the condition H 1 ≤L allows us to provide the necessary convergence of the electron flux in radius, to limit the spread of transverse electron velocities in the beam in the region of the anode for subsequent focusing of the electron beam in the passage channel of the device with small ripples of the flow boundary.
Выбор расстояния Н2 от обращенной в сторону катода и примыкающей к основанию второго выступа сферической поверхности управляющей сетки до торца второго выступа в соответствии с условием Н2≤2S позволяет обеспечить оптимальные условия для формирования внутренней границы трубчатого электронного потока в области между катодом и управляющей сеткой без применения центрального штыря в катодном узле пушки.The choice of the distance Н 2 from the spherical surface of the control grid facing the cathode and adjacent to the base of the second protrusion to the end of the second protrusion in accordance with the condition Н 2 ≤2S allows optimal conditions for the formation of the inner boundary of the tubular electron flow in the region between the cathode and the control grid without the use of a central pin in the cathode assembly of the gun.
Выбор наружного диаметра d выступов и внутреннего диаметра D кольцевого катода в соответствии с условием (D-d)/2≥S позволяет снизить величину напряженности электрического поля в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью кольцевого катода и наружной цилиндрической поверхностью второго выступа управляющей сетки, и тем самым обеспечить электрическую прочность катодно-сеточного узла и электронной пушки в целом.The choice of the outer diameter d of the protrusions and the inner diameter D of the annular cathode in accordance with the condition (Dd) / 2≥S reduces the electric field strength in the annular gap between the inner surface of the annular cathode and the outer cylindrical surface of the second protrusion of the control grid, and thereby provide an electric the strength of the cathode-grid unit and the electron gun as a whole.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 показано схематическое изображение электронной пушки согласно изобретению.Figure 1 shows a schematic illustration of an electron gun according to the invention.
На фиг.2 показан конструктивный сборочный чертеж одного из возможных вариантов выполнения пушки.Figure 2 shows a structural assembly drawing of one of the possible embodiments of the gun.
На фиг.3 показан один из возможных конструктивных вариантов выполнения теневой сетки радиального типа.Figure 3 shows one of the possible structural options for the implementation of the shadow mesh radial type.
На фиг.4 показан один из возможных конструктивных вариантов выполнения управляющей сетки радиального типа.Figure 4 shows one of the possible structural embodiments of the control grid of the radial type.
На фиг.5 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки на основе двумерной модели электронного потока и электродов пушки.Figure 5 shows the results of computer simulation of an electron gun based on a two-dimensional model of electron flow and gun electrodes.
На фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки на основе трехмерной модели электронного потока и электродов пушки.Figure 6 shows the results of computer simulation of an electron gun based on a three-dimensional model of electron flow and gun electrodes.
На фиг.7 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока на участке сферической поверхности катода, ограниченном радиальными перемычками теневой сетки.Figure 7 presents the results of computer simulation of the distribution of current density on a portion of the spherical surface of the cathode bounded by radial jumpers of the shadow grid.
На фиг.8 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока по поперечному сечению электронного потока в плоскости анода (Z=10.6 мм).On Fig presents the results of computer simulations of the distribution of current density over the cross section of the electron beam in the plane of the anode (Z = 10.6 mm).
На фиг.9 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока по поперечному сечению электронного потока на выходе потока из электронной пушки (Z=24 мм).Figure 9 presents the results of computer simulation of the distribution of current density over the cross section of the electron stream at the exit of the stream from the electron gun (Z = 24 mm).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг.1 показаны следующие основные элементы предлагаемой электронной пушки:Figure 1 shows the following main elements of the proposed electronic gun:
1 - кольцевой катод;1 - ring cathode;
2 - теневая сетка радиального типа, расположенная на поверхности катода 1;2 - a shadow grid of a radial type located on the surface of the
3 - управляющая сетка радиального типа;3 - control grid of the radial type;
4, 5 - полые цилиндрические выступы в центральной части управляющей сетки 3;4, 5 - hollow cylindrical protrusions in the Central part of the
6 - фокусирующий электрод;6 - focusing electrode;
7 - проводящая пластина фокусирующего электрода 6 с центральным отверстием для размещения управляющей сетки 3;7 - a conductive plate of the focusing
8 - тепловой экран, электрически соединенный с катодом 1;8 - a heat shield electrically connected to the
9 - анод с центральным отверстием, переходящим в пролетный канал.9 - anode with a Central hole passing into the passage channel.
Электронная пушка, показанная на фиг.1, может быть реализована в конструкции, представленной на фиг.2. Пушка содержит следующие отдельно изготавливаемые основные узлы:The electron gun shown in figure 1, can be implemented in the design shown in figure 2. The gun contains the following separately manufactured main components:
10 - металлокерамический высоковольтный изолятор;10 - cermet high-voltage insulator;
11 - катодно-подогревательный узел, включающий катод 1, теневую сетку 2 и тепловой экран 8;11 - cathode-heating unit, including
12 - узел фокусирующего электрода, включающий фокусирующий электрод 6, проводящую пластину 7 фокусирующего электрода 6 и соединенную с ним управляющую сетку 3;12 is a focusing electrode assembly including a focusing
13 - накальная траверза;13 - incandescent beam;
14 - изолятор накальной траверзы;14 - insulator filament traverse;
15 - торцевая крышка.15 - end cover.
Узлы и отдельные детали пушки, показанной на фиг.2, могут быть изготовлены следующим образом.The nodes and individual parts of the gun shown in figure 2, can be made as follows.
Теневую и управляющую сетки, конструкции которых показаны на фиг.3 и фиг.4 соответственно, выполняют штамповкой. В центральной части управляющей сетки 3 устанавливают проводящий полый цилиндр, который припаивают к сеточному полотну медным или медно-золотым припоем, при этом расположенные над сеточным полотном части проводящего полого цилиндра образуют выступы 4, 5 управляющей сетки 3. Сквозные окна в сетках (образующие ячейки сеток) прорезают лазерным лучом на лазерной установке с высокой точностью и производительностью. Сетки покрывают пленкой антиэмиттера, например, гафния, толщиной 2 мкм. Теневую сетку фиксируют на катоде с помощью лазерной сварки. Управляющую сетку спаивают с фокусирующим электродом с последующим покрытием антиэмиттером, например, гафнием.Shadow and control grids, the designs of which are shown in FIG. 3 and FIG. 4, respectively, are stamped. In the central part of the
Сборку узлов электронной пушки проводят в следующем порядке.The assembly of the electron gun nodes is carried out in the following order.
В изоляторе 10 фиксируют с помощью точечной сварки катодно-подогревательный узел 11 на определенной высоте по отношению к аноду 9. Устанавливают узел фокусирующего электрода 12 с управляющей сеткой и фиксируют лазерной сваркой с необходимыми зазорами между катодом 1 и управляющей сеткой 3. Подсоединяют накальную траверзу 13 к катодно-подогревательному узлу 11 и затем электронную пушку герметизируют торцевой крышкой 15 посредством аргоно-дуговой сварки.In the
Электронная пушка, показанная на фиг.1 и фиг.2, работает следующим образом.The electronic gun shown in figure 1 and figure 2, operates as follows.
Между катодом 1 и анодом 9 подают постоянное высокое анодное напряжение. Между катодом 1 и фокусирующим электродом 6, соединенным с управляющей сеткой 3, подают небольшое постоянное отрицательное по отношению к катоду (запирающее) напряжение и переменное импульсное модулирующее напряжение от импульсного источника питания (модулятора). При отсутствии модулирующего импульса (в паузе между импульсами) на катоде 1 создается тормозящее электрическое поле, препятствующее вылету электронов (режим запирания пушки). При подаче положительного модулирующего импульса, амплитуда которого превышает величину напряжения запирания пушки, на поверхности катода 1 создается ускоряющее электрическое поле (режим отпирания пушки). Под воздействием электрического поля электроны стартуют с эмитирующей поверхности катода, проходят сквозь ячейки управляющей сетки в сквозное отверстие анода, сопряженное с протяженным пролетным каналом (областью взаимодействия) СВЧ-прибора. Путем выбора геометрических размеров электродов управляющей сетки 3, фокусирующего электрода 6 с проводящей пластиной 7, анода 9 и установки оптимальных межэлектродных зазоров в пушке создается распределение электрического поля, обеспечивающее формирование электронного потока с требуемыми параметрами: первеансом (током), напряжением, диаметром потока на выходе из пушки, допустимым разбросом поперечных скоростей электронов по поперечному сечению потока. Благодаря наличию теневой сетки на катоде и расположению управляющей сетки в геометрической тени теневой сетки на небольшом расстоянии от поверхности катода электронный поток после прохождения сквозь ячейки управляющей сетки представляет собой совокупность пространственно разделенных парциальных пучков (электронных струй). Форма поперечного сечения и количество парциальных пучков отображают конфигурацию и количество ячеек теневой и управляющей сеток. В дальнейшем под воздействием собственного поля пространственного заряда по мере прохождения потока в анодное отверстие и пролетный канал все парциальные пучки сливаются в один сплошной электронный поток, в котором геометрическая структура сеток проявляется в характере распределении плотности тока по поперечному сечению потока. В частности, наличие радиальных перемычек сеток проявляется в виде слабого ореола плотности тока на периферии электронного потока.Between the
Для защиты управляющей сетки 3 от попадания на нее электронов перемычки управляющей сетки 3 располагаются в геометрической тени перемычек теневой сетки 2. Конструктивно сетки радиального типа могут содержать только радиальные перемычки (как показано на фиг.3 и фиг.4) или радиальные перемычки с поддерживающими их одной или несколькими кольцевыми перемычками. Увеличение количества перемычек сеток приводит к снижению величины модулирующего напряжения и одновременному уменьшению эффективной эмитирующей поверхности катода и, следовательно, увеличению плотности тока на катоде и снижению долговечности катода. Компромиссное решение относительно количества радиальных и кольцевых перемычек сеток принимается с учетом требований, предъявляемых в каждом конкретном случае к величине тока электронного потока, плотности тока на катоде, величине модулирующего напряжения и др. Вблизи перемычек теневой сетки 2, расположенной на катоде 1 и выступающей над сферической поверхностью катода, появляется неоднородность электрического поля, под воздействием которой стартующие из этой области электроны приобретают поперечную составляющую скорости. Эти электроны вносят возмущение во внутреннюю структуру электронного потока и ухудшают прохождение электронного потока на коллектор СВЧ-прибора. Возмущающее действие теневой сетки ослабляется при уменьшении толщины полотна этой сетки. Для защиты управляющей сетки от попадания на нее электронов ширина перемычек управляющей сетки не должна превышать ширину перемычек теневой сетки.To protect the
Выполнение в центральной части управляющей сетки 3 на ее противоположных сторонах двух полых цилиндрических выступов 4 и 5 позволяет исключить из конструкции пушки центральный штырь и в то же время решить задачу фокусировки электронного потока в пушке с кольцевым катодом аналогично тому, как это реализуется в пушке с кольцевым катодом с центральным штырем. Исключение из конструкции пушки центрального штыря устраняет опасность электрических пробоев внутри катодно-подогревательного узла, приводит к снижению массы катодно-подогревательного узла, потребляемой мощности накала, улучшению теплового режима пушки, подавлению паразитной термоэмиссии вследствие снижения температуры разогрева теплонагруженных электродов пушки. Выполнение выступов 4 и 5 управляющей сетки в виде полых цилиндров позволяет отвести ионный поток через их сквозные отверстие, а затем через центральные сквозные отверстия теневой сетки 2 и кольцевого катода 1 на удаленные от эмитирующей поверхности катода 1 элементы конструкции пушки. Выполнение полых цилиндрических выступов 4 и 5 с равными друг другу внутренними и равными наружными диаметрами упрощает конструкцию и технологию изготовления управляющей сетки 3. Таким образом, одновременно упрощается конструкция пушки, улучшается ее тепловой режим, устраняется опасность ионной бомбардировки катода, повышается электрическая прочность пушки и ее надежность в эксплуатации.The implementation in the Central part of the
Выступ 4 управляющей сетки 3, расположенный со стороны анода, вместе с проводящей пластиной 7 фокусирующего электрода 6 образуют электрическую линзу, которая обеспечивает фокусировку (компрессию) трубчатого электронного потока по радиусу и регулирует величину разброса поперечных скоростей электронов на выходе электронного потока из пушки. Выполнение высоты H1 выступа 4 в соответствии с условием H1≤L, обеспечивает условия для достижения оптимальной фокусировки электронного потока и минимального разброса поперечных скоростей электронов в области анода. В том случае, когда плоскость торца выступа 4 выходит за пределы плоскости, обращенной в сторону анода поверхности пластины 7 фокусирующего электрода, нарушается симметрия электрического поля фокусирующей линзы относительно центра формируемого трубчатого потока и, как следствие, происходит расфокусировка электронного потока на выходе его из электронной пушки.The
Ширина S зазора между обращенными друг к другу концентрично расположенными поверхностями теневой и управляющей сеток является базовой величиной, задаваемой при разработке проекта электронной пушки прежде всего из условия обеспечения электрической прочности межэлектродного промежутка между теневой и управляющей сетками, а также целого ряда других требований к параметрам пушки и формируемого потока по величине первеанса, компрессии (сходимости по площади) потока, величинам анодного и модулирующего напряжений, плотности тока на катоде, долговечности катода и др. Исходя из требования обеспечения электрической прочности в межэлектродном промежутке между катодом и управляющей сеткой, внутренний диаметр D кольцевого катода и наружный диаметр d выступов выбирают, в соответствии с условием, когда ширина (D-d)/2 кольцевого зазора между внутренней цилиндрической поверхностью кольцевого катода 1 и наружной цилиндрической поверхностью выступа 5 управляющей сетки 3 равна или превышает базовую ширину зазора S между теневой и управляющей сеткам. Следует отметить, что при одинаковых параметрах электронного потока (по первеансу и анодному напряжению) в пушке с кольцевым катодом вследствие меньшей ширины катода условия запирания катода значительно облегчаются по сравнению с аналогичной пушкой со сплошным сферическим катодом. Поэтому применение конструкции пушки с кольцевым катодом и сетками позволяет либо дополнительно снизить величину модулирующего напряжения по сравнению с сеточными пушками со сплошным сферическим катодом, либо при сохранении уровня модулирующего напряжения увеличить ширину зазора S и увеличить запас по электрической прочности пушки.The width S of the gap between the concentrically located surfaces of the shadow and control grids facing each other is the basic value set during the development of the design of the electron gun, primarily from the condition of ensuring the electric strength of the interelectrode gap between the shadow and control grids, as well as a number of other requirements for the gun parameters and formed flow in terms of perveance, compression (area convergence) of flow, values of anode and modulating voltages, current density at the cathode , durability of the cathode, etc. Based on the requirement of ensuring electric strength in the interelectrode gap between the cathode and the control grid, the inner diameter D of the annular cathode and the outer diameter d of the protrusions are selected in accordance with the condition when the width (Dd) / 2 of the annular gap between the inner cylindrical the surface of the
Цилиндрический выступ 5 управляющей сетки 3, расположенный со стороны кольцевого катода 1, формирует электрическое поле на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода. Высота Н2 выступа 5 выбирается с учетом необходимости выполнения двух противоречивых условий. Первое условие связано с необходимостью минимального разогрева выступа 5 под воздействием теплового излучения с внутренней цилиндрической поверхности кольцевого катода. Для выполнения этого условия необходимо уменьшить глубину погружения торца выступа внутрь центрального цилиндрического отверстия кольцевого катода. Второе условие связано с необходимостью обеспечения оптимального для фокусировки внутренней границы трубчатого потока распределения электрического поля на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода, для чего выступ 5 по своей высоте должен перекрывать ширину зазора S между теневой и управляющей сетками и входить в центральное цилиндрическое отверстие кольцевого катода примерно на такое же расстояние для того, чтобы неоднородность электрического поля на торце выступа не оказывала влияния на распределение электрического поля на внутреннем участке сферической поверхности кольцевого катода. Компромиссное решение достигается при выборе высоты Н2 выступа 5 в соответствии с условием Н2≤2S.The cylindrical protrusion 5 of the
Таким образом, в предлагаемой электронной пушке, по сравнению с прототипом, отсутствует центральный штырь, при этом повышается электрическая прочность и надежность эксплуатации электронной пушки, уменьшается потребляемая мощность накала, облегчается тепловой режим теплонагруженных электродов пушки. Конструктивное выполнение управляющей сетки с центральной частью в виде проводящего полого цилиндра, образующего два выступа над сеточным полотном и соединенного посредством радиальных перемычек с фокусирующим электродом, позволяет устранить ионную бомбардировку катода, обеспечить фокусировку электронного потока в пространстве между катодом и управляющей сеткой и в пространстве между управляющей сеткой и анодом. Путем выбора оптимального количества радиальных перемычек обеспечивается низкий уровень управляющего напряжения.Thus, in the proposed electron gun, in comparison with the prototype, there is no central pin, while the electric strength and reliability of the electron gun are increased, the consumed power of the filament is reduced, the thermal mode of the heat-loaded gun electrodes is facilitated. The constructive implementation of the control grid with a central part in the form of a conducting hollow cylinder, which forms two protrusions above the grid web and connected by means of radial jumpers with a focusing electrode, makes it possible to eliminate ion bombardment of the cathode, to ensure focusing of the electron beam in the space between the cathode and the control grid and in the space between the control grid and anode. By choosing the optimal number of radial jumpers, a low level of control voltage is ensured.
Возможность реализации изобретения подтверждена методом компьютерного моделирования электронной пушки. Результаты компьютерного моделирования одного из конструктивных вариантов пушки представлены на фиг.5-9. В пушке использован кольцевой катод с внутренним и наружным диаметрами 3.0 мм и 10.4 мм соответственно. На сферической поверхности катода с радиусом сферы 8.5 мм расположена теневая сетка радиального типа с толщиной полотна 0.1 мм и шестью радиальными перемычками шириной 0.2 мм. Управляющая сетка расположена на расстоянии 0.7 мм от поверхности теневой сетки (S=0.7 мм). Толщина полотна управляющей сетки составляет 0.2 мм, ширина ее радиальных перемычек равна 0.15 мм. Расположенный в центре управляющей сетки проводящий полый цилиндр имеет наружный диаметр 1.4 мм и внутренний диаметр 1.0 мм, при этом высоты выступов, расположенных со стороны катода и анода, выбраны равными Н2=0.7 мм и H1=0.8 мм соответственно. Управляющая сетка расположена в отверстии фокусирующего электрода диаметром 11 мм. Толщина пластины фокусирующего электрода 1.5 мм, а расположенный перпендикулярно этой пластине и соосно катоду цилиндр фокусирующего электрода имеет внутренний диаметр 17 мм, и толщину стенки 1 мм. Между катодом и цилиндром фокусирующего электрода коаксиально расположен подсоединенный к катоду цилиндрический тепловой экран 8 с внутренним и наружным диаметрами 12.5 мм и 13.3 мм соответственно, при этом торец теплового экрана 8 совмещен с торцевой плоскостью наружного края катода. Расстояние между фокусирующим электродом и анодом составляет 3.6 мм. Потенциал анода равен Ua=16 кВ, потенциал управляющей сетки в открытом состоянии пушки равен Uc=380 В (относительная величина потенциала управляющей сетки Uc/Ua=0.02). Ток пучка в этом режиме составляет 1.43 А (микропервеанс равен 0.706 мкА/В3/2).The possibility of implementing the invention is confirmed by computer simulation of an electron gun. The results of computer simulation of one of the constructive variants of the gun are presented in figure 5-9. The cannon used an annular cathode with inner and outer diameters of 3.0 mm and 10.4 mm, respectively. On a spherical cathode surface with a sphere radius of 8.5 mm, there is a radial-type shadow grid with a web thickness of 0.1 mm and six radial bridges 0.2 mm wide. The control grid is located at a distance of 0.7 mm from the surface of the shadow grid (S = 0.7 mm). The thickness of the web of the control grid is 0.2 mm, the width of its radial bridges is 0.15 mm. The conductive hollow cylinder located in the center of the control grid has an outer diameter of 1.4 mm and an inner diameter of 1.0 mm, while the heights of the protrusions located on the side of the cathode and anode are chosen to be H 2 = 0.7 mm and H 1 = 0.8 mm, respectively. The control grid is located in the hole of the focusing electrode with a diameter of 11 mm The thickness of the focusing electrode plate is 1.5 mm, and the cylinder of the focusing electrode located perpendicular to this plate and coaxial to the cathode has an inner diameter of 17 mm and a wall thickness of 1 mm. Between the cathode and the cylinder of the focusing electrode, a
На фиг.5 приведены результаты компьютерного моделирования электронной пушки согласно предлагаемому изобретению, выполненные на основе двумерной математической модели электронного потока. Расстояния вдоль продольной оси Z и по радиусу R пушки заданы в миллиметрах. На чертеже показаны траектории электронов электронного потока 16 и ход в межэлектродном пространстве электронной пушки эквипотенциальных линий электрического поля с относительными величинами потенциалов: U/Ua=0.0201 (кривая A), U/Ua=0.05 (кривая Б), U/Ua=0.1 (кривая В), U/Ua=0.3 (кривая Г), U/Ua=0.5 (кривая Д), U/Ua=0.7 (кривая Е) и U/Ua=0.95 (кривая Ж) в меридиональной плоскости, проходящей между радиальными перемычками сеток на равноудаленном от них расстоянии. Ход эквипотенциальных линий иллюстрирует фокусирующее действие на электронный поток 16 электрической линзы, создаваемой электродами пушки.Figure 5 shows the results of computer simulation of an electron gun according to the invention, made on the basis of a two-dimensional mathematical model of the electron beam. The distances along the longitudinal axis Z and the radius R of the gun are given in millimeters. The drawing shows the electron paths of the
На фиг.6 представлены результаты компьютерного моделирования на основе трехмерной модели электронного потока и пространственной конфигурации электродов теневой и управляющей сеток. Из чертежа видно, что при выбранных размерах поперечного сечения радиальных перемычек сеток вносимое сетками возмущение электрического поля слабо влияет на прохождение электронного потока сквозь ячейки управляющей сетки и обеспечивает качественную фокусировку электронного потока.Figure 6 presents the results of computer simulation based on a three-dimensional model of the electron beam and the spatial configuration of the electrodes of the shadow and control grids. It can be seen from the drawing that for the selected cross-sectional dimensions of the radial jumpers of the grids, the perturbation of the electric field introduced by the grids weakly affects the passage of the electron beam through the cells of the control grid and ensures high-quality focusing of the electron beam.
На фиг.7 представлены результаты компьютерного моделирования распределения плотности тока на участке сферической поверхности катода, ограниченном радиальными перемычками теневой сетки. Изображенные в нижней части чертежа точки I, II, III и IV являются угловыми для рассматриваемой области эмитирующей поверхности катода. Распределение плотности тока J (А/см2) представлено в виде рельефной поверхности, развернутой по сторонам прямоугольника с указанными выше угловыми точками. Относительно равномерная и низкая плотность тока на катоде (J=2-2,5 А/см2) обеспечивает высокую долговечность катода ~10000 часов.Figure 7 presents the results of computer simulation of the distribution of current density on a portion of the spherical surface of the cathode bounded by radial jumpers of the shadow grid. The points I, II, III, and IV shown in the lower part of the drawing are angular for the considered region of the emitting surface of the cathode. The distribution of current density J (A / cm 2 ) is presented in the form of a relief surface unfolded on the sides of the rectangle with the above corner points. The relatively uniform and low current density at the cathode (J = 2-2.5 A / cm 2 ) provides high cathode durability of ~ 10,000 hours.
На фиг.8 представлено распределение плотности тока по поперечному сечению потока в анодной плоскости Z=10.6 мм. Рельеф поверхности распределения плотности тока отображает влияние на внутреннюю структуру электронного потока радиальных перемычек теневой сетки. Максимальная величина плотности тока в анодном сечении составляет 16 А/см2 . В нижней части чертежа показаны проекции на анодную плоскость Z=10.6 мм теневой сетки и анодного отверстия, а также след электронного потока на анодной плоскости в выделенном квадрате с угловыми точками I, II, III и IV, в пределах которого определялось распределение плотности тока.On Fig presents the distribution of current density over the cross section of the flow in the anode plane Z = 10.6 mm The relief of the surface of the current density distribution reflects the effect on the internal structure of the electron flow of the radial jumpers of the shadow grid. The maximum current density in the anode section is 16 A / cm 2 . The projection on the anode plane Z = 10.6 mm of the shadow grid and the anode hole, as well as the trace of the electron beam on the anode plane in the selected square with corner points I, II, III, and IV, within which the current density distribution was determined, are shown in the lower part of the drawing.
На фиг.9 приведены аналогичные данные о распределении плотности тока по сечению потока в плоскости Z=24 мм на выходе из электронной пушки. Из них следует, что парциальные пучки со всех эмитирующих участков катода сливаются в один электронный поток. Распределение плотности тока по сечению потока имеет колоколообразный характер с максимальной плотностью тока в центре потока (J~160 А/см2).Figure 9 shows similar data on the distribution of current density over the flow cross section in the plane Z = 24 mm at the exit of the electron gun. It follows from them that the partial beams from all emitting sections of the cathode merge into one electron stream. The distribution of current density over the flow cross section has a bell-shaped character with a maximum current density at the center of the flow (J ~ 160 A / cm 2 ).
Расчетная величина запирающего напряжения в рассматриваемом варианте выполнения электронной пушки равнялась -400 В, а величина модулирующего напряжения (с учетом положительного потенциала управляющей сетки +380 В при открытом состоянии пушки) не превышала 5% от анодного напряжения. Расчеты показали, что при уменьшении площади ячеек сеток путем увеличения количества перемычек величина модулирующего напряжения снижается до 2-3%.The calculated value of the blocking voltage in the considered embodiment of the electron gun was –400 V, and the value of the modulating voltage (taking into account the positive potential of the control grid +380 V with the gun open) did not exceed 5% of the anode voltage. Calculations showed that with a decrease in the area of mesh cells by increasing the number of jumpers, the magnitude of the modulating voltage decreases to 2-3%.
Усредненная величина напряженности электрического поля в зазоре между катодом и управляющей сеткой в открытом и закрытом состоянии пушки в паузе между импульсами входного сигнала составляет около 0.5 кВ/мм, что гарантирует высокую электрическую прочность и надежность работы пушки.The average value of the electric field strength in the gap between the cathode and the control grid in the open and closed state of the gun in the pause between the pulses of the input signal is about 0.5 kV / mm, which ensures high electric strength and reliability of the gun.
Таким образом, предлагается более простая по конструкции, электрически прочная и надежная в эксплуатации, защищенная от ионной бомбардировки электронная пушка с кольцевым катодом и низковольтным сеточным управлением для мощных импульсных ЛБВ и клистронов, в том числе работающих в области коротковолнового диапазона СВЧ.Thus, a simpler in design, electrically strong and reliable in operation, ring-cathode-protected electron gun with low-voltage grid control for high-power pulsed TWTs and klystrons, including those operating in the microwave short-wave range, is proposed.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №2943234, НКИ: 315-30, 28.06.1960 г.1. US patent No. 2943234, NKI: 315-30, 06/28/1960
2. Патент РФ №1466576, МКИ6: H 01 J 23/06, 10.04.1995 г.2. RF patent No. 1466576, MKI 6 : H 01 J 23/06, 04/10/1995
3. И.И.Голеницкий, Л.А.Сапрынская, Я.И.Местечкин, А.В.Шишов, В.И.Юданов. - Электронно-оптическая система с сеточным управлением. - Серия 1, Электроника СВЧ. - Выпуск 8 (432). - 1990. - с.36-41.3. I.I. Golenitsky, L. A. Saprynskaya, Y. I. Mestechkin, A. V. Shishov, V. I. Yudanov. - Electron-optical system with grid control. -
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005126026/28A RU2289867C1 (en) | 2005-08-16 | 2005-08-16 | Electron gun |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005126026/28A RU2289867C1 (en) | 2005-08-16 | 2005-08-16 | Electron gun |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2289867C1 true RU2289867C1 (en) | 2006-12-20 |
Family
ID=37666944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005126026/28A RU2289867C1 (en) | 2005-08-16 | 2005-08-16 | Electron gun |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2289867C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102938969A (en) * | 2012-11-25 | 2013-02-20 | 中国原子能科学研究院 | Energy regulation method for traveling wave electron linear accelerator |
| RU2652590C2 (en) * | 2016-08-29 | 2018-04-27 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Рязанское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова" Министерства обороны Российской Федерации | Electron-beam storage |
| CN109065428A (en) * | 2018-08-16 | 2018-12-21 | 电子科技大学 | A kind of double-gated standard cold-cathode gun and preparation method thereof |
-
2005
- 2005-08-16 RU RU2005126026/28A patent/RU2289867C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Голеницкий И.И. и др. Электронно-оптическая система с сеточным управлением. Электроника СВЧ. Серия 1, выпуск 8(432), 1990, с.36-41. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102938969A (en) * | 2012-11-25 | 2013-02-20 | 中国原子能科学研究院 | Energy regulation method for traveling wave electron linear accelerator |
| RU2652590C2 (en) * | 2016-08-29 | 2018-04-27 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Рязанское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова" Министерства обороны Российской Федерации | Electron-beam storage |
| CN109065428A (en) * | 2018-08-16 | 2018-12-21 | 电子科技大学 | A kind of double-gated standard cold-cathode gun and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4350926A (en) | Hollow beam electron source | |
| US3453482A (en) | Efficient high power beam tube employing a fly-trap beam collector having a focus electrode structure at the mouth thereof | |
| RU2289867C1 (en) | Electron gun | |
| CA1201471A (en) | Electron gun with improved cathode and shadow grid configuration | |
| US3780336A (en) | High power beam tube having depressed potential collector containing field-shaping probe | |
| Lee et al. | A fifty megawatt klystron for the stanford linear collider | |
| US5109179A (en) | Electron gun provided with a device producing a magnetic field in the neighborhood of a cathode | |
| US2967260A (en) | Electron tube | |
| EP0154623B1 (en) | Dual-mode electron gun with improved shadow grid arrangement | |
| US3903450A (en) | Dual-perveance gridded electron gun | |
| KR101584411B1 (en) | X-ray tube | |
| RU2654494C1 (en) | Vacuum spark discharger | |
| RU2331135C1 (en) | Multi-beam electron gun | |
| EP1129465B1 (en) | High voltage standoff, current regulating, hollow electron beam switch tube | |
| US20100177874A1 (en) | X-ray tube and method of voltage supplying of an ion deflecting and collecting setup of an x-ray tube | |
| US6495953B1 (en) | Cold cathode electron gun | |
| US4977348A (en) | Electron discharge tube with bipotential electrode structure | |
| US5045749A (en) | Electron beam generator and electronic devices using such a generator | |
| RU2686454C1 (en) | Cathode-mesh assembly with spatially-developed axially symmetric field-emission cathode | |
| KR0141604B1 (en) | Method for spot knocking an electron gun mount assembly of a crt | |
| RU2306683C1 (en) | Plasma electron source | |
| US4745324A (en) | High power switch tube with Faraday cage cavity anode | |
| RU2562798C1 (en) | Klystron-type superpower uhf instrument | |
| EP0863535B1 (en) | Switch tube | |
| US3801854A (en) | Modulator circuit for high power linear beam tube |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200817 |