RU2765773C1 - Неадиабатическая электронная пушка для мазера на циклотронном резонансе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике вакуумных СВЧ электронных приборов. Технический результат - повышение устойчивости и эффективности работы пушки. Неадиабатическая электронная пушка для мазера на циклотронном резонансе (МЦР) включает расположенные на спадающем участке магнитного поля основного соленоида катод, содержащий отдельные идентичные по форме эмитирующие участки числом от двух и более, равноудаленные от оси магнитного поля основного соленоида, расположенные в углублениях катода, и анод с отверстиями, каждое из которых соответствует одному из эмитирующих участков катода. Расстояние между катодом и анодом при заданных напряженностях электрического и магнитного полей выполнено таким, что время пролета его электронами значительно меньше периода циклотронных колебаний электронов в нем, а угол между направлениями электрического и магнитного полей на поверхности каждого эмитирующего участка находится в пределах от 10 до 30°. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к технике вакуумных СВЧ электронных приборов, а именно к электронно-оптическим системам мазеров на циклотронном резонансе (МЦР).

МЦР являются источниками высокочастотного электромагнитного излучения при взаимодействии потоков электронов, вращающихся с циклотронной частотой в постоянном магнитном поле, с незамедленными электромагнитными волнами (см. Прибор для генерации электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн: А.с. СССР 223931: МПК H01J 25/00 / А.В. Гапонов, А.Л. Гольденберг, М.И. Петелин, В.К. Юлпатов; Правообладатель Научно-исследовательский радиофизический институт. - Заявка 1142861/26-25; приор. 24.03.1967; публ. 25.03.1976, бюл. №9. - 2 илл.).

На частотах от нескольких гигагерц до нескольких сотен гигагерц МЦР способны излучать в непрерывном режиме недостижимые для других электронных приборов мощности. Наиболее распространены следующие приборы типа МЦР: гиротроны (генераторы), гироклистроны и гироЛБВ (усилители). Они используются для создания, поддержания и нагрева плазмы, бесконтактного нагрева конденсированных сред, а также в радиолокации и диагностике. Например, гиротроны на частотах примерно от 100 до 170 ГГц с мощностью излучения, достигающей 1 МВт, являются одними из основных источников нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

Важнейшие задачи при разработке новых МЦР заключаются в повышении мощности и КПД, обеспечении их стабильной работы и продвижении в область более высоких частот. В значительной мере решение этих задач зависит от конструкции их электронно-оптических систем, в частности электронных пушек, которые в общем случае включают по меньшей мере катод и анод, расположенные в магнитном поле основного соленоида, создающего максимальное магнитное поле в рабочем пространстве МЦР. Рассмотрим известные и предлагаемые электронные пушки применительно к гиротронам, имея в виду, что аналогичные конструкции пушек могут использоваться и в других МЦР.

Известные электронные пушки наиболее мощных и высокоэффективных МЦР создают в рабочем пространстве (например, в резонаторе гиротрона) трубчатый электронный поток, в котором электроны движутся по винтовым траекториям с радиусами вращения r значительно меньшими, чем радиус электронного потока R. На фиг. 1 изображен упрощенный вид трубчатого электронного потока в рабочем пространстве с одинаковыми радиусами ведущих центров электронных орбит R₀; в действительности радиусы ведущих центров имеют значения от R₀ + ΔR₀ до R₀ - ΔR₀, где AR₀ << R₀. Движение электронов происходит в постоянном магнитном поле, создаваемом, по меньшей мере, одним основным соленоидом. Пушка располагается в области спадания поля основного соленоида симметрично относительно его оси.

Во всех электронных пушках МЦР формирование электронного потока происходит в два этапа: сначала электроны приобретают сравнительно небольшие осцилляторные скорости ν_⊥ в магнитном поле B_g значительно меньшем, чем максимальное поле В₀ в рабочем пространстве, а затем по мере приближения к рабочему пространству в плавно нарастающем магнитном поле, в котором имеет место адиабатический инвариант

их осцилляторные скорости возрастают в соответствии с выражением

где ν_⊥g - начальная скорость вращательного движения электронов; в (1) и (2) релятивистский эффект предполагается пренебрежимо малым. Плавность изменения электрического и магнитного полей, являющаяся условием сохранения адиабатического инварианта, имеет место, когда поля слабо меняются в масштабе характерных размеров электронной орбиты, а именно, ее шага h (продвижения электрона вдоль магнитного поля за период циклотронных колебаний) и радиуса вращения r_⊥ (амплитуды колебаний относительно ведущего центра электронной орбиты). Формирование потока электронов завершается на входе в рабочее пространство прибора с однородным магнитным полем В₀, где скорость вращательного (осцилляторного) движения частиц достигает максимальной величины ν_⊥0, а скорость их поступательного движения ν_||0 минимальна. Степень преобразования энергии электронного потока во вращательное движение характеризуется питч-фактором

где ν_⊥0 и ν_||0 - средние скорости вращения и поступательного движения электронов соответственно. Типичная величина питч-фактора в мощных гиротронах находится в интервале от 1,3 до 2.

В рабочем пространстве МЦР только энергия вращательного движения электронов преобразуется в энергию излучения и потому она должна составлять преобладающую часть их полной энергии. Например, современные мощные гиротроны имеют довольно высокий КПД, близкий к 50%, однако при большем отношении средних осцилляторных скоростей электронов к их поступательным скоростям он может быть еще выше. Этому препятствует разброс компонент скоростей, который характеризуется относительным разбросом осцилляторных скоростей

4)

Типичная величина относительного разброса скоростей δν_⊥ в мощных гиротронах близка к 20%. Из-за разброса скоростей электроны, имеющие первоначально максимальные осцилляторные скорости, при движении в нарастающем магнитном поле отражаются от магнитной пробки, то есть от того места, где их осцилляторные скорости сравниваются с полной скоростью, а направление движения вдоль магнитного поля меняется на обратное. Отраженные электроны могут накапливаться в ловушке между катодом и магнитной пробкой, что приводит к возникновению низкочастотной неустойчивости электронного потока, нарушающей работу прибора, в частности, из-за бомбардировки катода отраженными электронами. Качество электронной пушки МЦР определяется в основном качеством сформированного электронного потока (малостью разброса компонент скоростей электронов) и стабильностью работы в режимах с максимальным КПД.

Известна магнетронно-инжекторная пушка (МИП) (Электронная пушка магнетронного типа: А.с. СССР 226044: МПК H01J 3/02 / А.Л. Гольденберг, Т.Б. Панкратова Т.Б., М.И. Петелин; Правообладатель Научно-исследовательский радиофизический институт. - Заявка 1164031/26-25; 1164151/26-25; приор. 16.06.1967; публ. 24.02.1972, бюл. №6. - 2 илл), которая используется для формирования электронных потоков в подавляющем большинстве современных гиротронов и других МЦР. Ее устройство схематически показано на фиг.2. МИП свойственна полная аксиальная симметрия. Активная часть катода 1 выполнена в виде конуса, на поверхности которого имеется эмитирующий участок 2 в виде кольцевого пояска. Внутренней поверхности анода 3, обращенной к катоду 1, придается такая форма, чтобы на катоде вблизи эмитирующего участка 2 электрическое поле было возможно более близким к однородному. Поверхности катода 1 и анода 3 сглажены так, чтобы в местах нахождения электронных траекторий электрическое поле удовлетворяло условию адиабатического приближения. Плавно изменяющееся магнитное поле в МИП создается основным соленоидом 4 с максимальным полем В₀ в рабочем пространстве прибора (например, в резонаторе гиротрона) и дополнительным соленоидом 5, используемым для коррекции и регулировки поля на катоде. Движение электронов от катода до рабочего пространства прибора происходит в металлической трубке дрейфа 6. Часть ее может быть изолирована от анода 3; на нее может подаваться напряжение U₀, повышающее мощность электронного потока. В МИП электроны имеют начальную осцилляторную скорость ν_⊥g в скрещенном электрическом и магнитном поле непосредственно в момент вылета с катода 1, а компонента электрического поля параллельная магнитному придает электронам поступательное движение по направлению к рабочему пространству прибора. Характерная величина угла Ψ между векторами электрического и магнитного полей на катоде 1 обычно превышает 45°. Движение электронов в МИП происходит в плавно меняющихся электрических и магнитных полях так, что вдоль всей электронной траектории, начиная с момента вылета электрона с катода 1, сохраняется адиабатический инвариант, по крайней мере, когда собственный пространственный заряд электронов невелик и не оказывает значительного влияния на распределение скоростей электронов. Гиротроны с МИП имеют выходные мощности от нескольких десятков ватт до 1 МВт в непрерывном режиме работы. В мощных гиротронах КПД достигает 45-55%.

Однако МИП имеет недостатки, не позволяющие достигнуть в МЦР более высоких мощностей и КПД, а также снижающие стабильность их работы. В первую очередь, они связаны с ограничением тока электронного потока, обусловленным тем, что увеличение пространственного заряда на катоде 1 МИП приводит к росту разброса компонент скоростей электронов. Преодолеть это ограничение и достигнуть режима полного пространственного на катоде можно только путем усложнения конструкции пушки. При этом по качеству пучка и мощности МИП с полным пространственным зарядом на катоде уступает МИП, работающим в режиме температурного ограничения тока эмиссии. По этой причине все современные МИП работают в режиме температурного ограничения тока эмиссии. Кроме того, конструкция МИП такова, что в ней электроны, отраженные магнитной пробкой, накапливаются в пространстве между магнитной пробкой и катодом. При превышении некоторой пороговой доли отраженных электронов в МИП возникает неустойчивость электронного потока. Это приводит к бомбардировке катода 1, повышению его температуры и, в результате, к лавинообразному нарастанию тока эмиссии, то есть к пробою. Количество отраженных электронов и вероятность пробоя тем выше, чем ближе режим работы МЦР к режиму с максимальным КПД.

В связи с недостатками МИП были предложены конструкции пушек, в которых электроны приобретают начальную осцилляторную скорость ν_⊥g в условиях, когда в определенной части электронной траектории условия сохранения адиабатического инварианта (1) нарушены. В неадиабатических пушках ограничения плотности тока эмиссии, свойственные МИП, могут быть преодолены. В принципе, они могут работать в режиме полного пространственного заряда на катоде, что способствует их более стабильной работе, чем МИП.

Известна конструкция электронной пушки для МЦР, в которой электроны начинают свое движение в составе прямолинейного потока, а затем приобретают начальные осцилляторные скорости, проходя участок неоднородного магнитного поля, на котором нарушены условия адиабатического приближения (Manuilov V.N., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Klimov A. V., Leshcheva K. A. Cusp Guns for Helical-Waveguide Gyro-TWTs of a High-Gain High-Power W-Band Amplifier Cascade // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2018. V. 39. P. 447-455). Магнитная система такой пушки состоит из основного соленоида, создающего максимальное поле в рабочем пространстве МЦР, и дополнительных соленоидов для создания сильно неоднородного магнитного поля на пути движения электронов к рабочему пространству МЦР. Недостатками таких пушек является то, что в них начальная осцилляторная скорость, приобретаемая электронами, критически сильно зависит от радиальной координаты входа электрона в неоднородное поле, а также от нарушений аксиальной симметрии. Это накладывает ограничение на поперечный размер электронного потока, а следовательно, и на его ток. По сравнению с МИП разброс скоростей электронов в этих неадиабатических пушках выше, а энергия, переносимая их электронными потоками, значительно меньше.

Известна неадиабатическая электронная пушка с кольцевым катодом (Гольденберг А.Л., Глявин М.Ю., Лещева К.А., Мануйлов В.Н. Неадиабатическая электронно-оптическая система технологического гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2017. Т. 60, №5. С. 442) схематически изображенная на фиг. 3. Как и МИП, она обладает полной аксиальной симметрией. В этой пушке с кольцевым катодом 1 электроны приобретают осцилляторную скорость благодаря тому, что они инжектируются под углом к магнитному полю, создаваемому основным соленоидом 4, и пролетают область действующего на них электрического поля между катодом 1 и анодом 3 за время значительно меньшее периода циклотронных колебаний, т.е. при нарушении условия адиабатического приближения. Для коррекции и регулировки поля в прикатодной области используется один или два дополнительных соленоида 5. Первоначальное направление движения эмитированных электронов составляет с осью соленоида угол значительно меньший 45°. Это позволяет выполнить анод 3 пушки из двух частей: одна его часть охватывает катод 1 с эмитирующим участком 2 в виде кольцевой полосы, а другая находится внутри кольца катода 1. Путем подбора формы электродов анода 3 в прикатодной области (до прохода электронов через щель между частями анода 3) поля пространственного заряда на внутренней и внешней границах электронного потока выравниваются, благодаря чему начальный разброс скоростей электронов может быть уменьшен. Это делает возможной работу пушки в режиме повышенной плотности тока эмиссии, вплоть до полного пространственного заряда на катоде 1. Расчеты данной пушки подтвердили, что в ней разброс скоростей может быть достаточно низким. По своему принципу работы эта пушка наиболее близка к техническому решению, представленному в предлагаемом изобретении.

Недостатком этой неадиабатической пушки с кольцевым катодом является то, что ее конструкция сложнее, чем МИП, поскольку в ней требуется дополнительный изолятор для внутреннего анода и она имеет более длинные элементы поддержки катода и внутреннего анода; из-за этого не удается предложить конструкцию пушки, в которой исключены риски электрического пробоя между элементами поддержки и перегрева внутреннего анода из-за сложности подвода к нему охлаждающей жидкости. Поэтому неадиабатическая пушка с кольцевым катодом не была реализована.

Целью данного изобретения является создание неадиабатической электронной пушки для мощных МЦР, позволяющей достигнуть большей устойчивости и эффективности работы по сравнению с МИП.

Положительный эффект достигается тем, что неадиабатическая электронная пушка для мазера на циклотронном резонансе (МЦР), формирующая поток электронов, движущихся по винтовым траекториям в аксиально-симметричном магнитном поле, создаваемом основным соленоидом, содержащая катод и анод, расположенные на спадающем участке магнитного поля основного соленоида, а также трубку дрейфа для транспортировки электронов в рабочее пространство МЦР, и по меньшей мере один дополнительный соленоид для регулировки поля на катоде, причем расстояние между катодом и анодом при заданных напряженностях электрического и магнитного полей выполнено таким, что время пролета его электронами значительно меньше периода циклотронных колебаний электронов в нем.

Новым является то, что катод содержит отдельные идентичные по форме эмитирующие участки числом от двух и более, равноудаленные от оси магнитного поля основного соленоида, расположенные в углублениях катода и создающие двух- или многолучевой поток электронов, причем угол Ψ между направлениями электрического и магнитного полей на поверхности каждого эмитирующего участка находится в пределах от 10° до 30°, а каждому эмитирующему участку катода соответствует отверстие в аноде для прохождения луча, исходящего из данного эмитирующего участка катода.

В частном случае реализации изобретения в соответствии с п. 2 формулы новым является то, что эмитирующие участки катода и отверстия анода имеют круглую форму.

В частном случае реализации изобретения в соответствии с п. 3 формулы новым является то, что эмитирующие участки катода и отверстия анода имеют форму сегментов кольца.

В частном случае реализации изобретения в соответствии с п. 4 формулы новым является то, что анод оборудован каналами для жидкостного охлаждения.

В частном случае реализации изобретения в соответствии с п. 5 формулы новым является то, что электронная пушка содержит два дополнительных соленоида для регулировки поля на катоде со встречными магнитными полями.

В частном случае реализации изобретения в соответствии с п. 6 формулы новым является то, что электронная пушка для регулировки поля на катоде дополнительно включает ферромагнитное кольцо.

Устройство и работа предлагаемой электронной пушки поясняется фиг. 4-9, на которых используются следующие цифровые обозначения: 1 - катод, 2 -эмитирующие участки, 3 - анод, 4 - основной соленоид, 5 - по меньшей мере один дополнительный соленоид, 6 - трубка дрейфа, 7 - отверстия в аноде 3, 8 - ферромагнитное кольцо, Ψ - угол между силовыми линиями электрического и магнитного полей на поверхности одного из эмитирующих участков 2, ζ - угол наклона катода 1 и анода 3 относительно оси основного соленоида 4 в местах расположения их активных зон.

На фиг. 4 схематически изображены возможные варианты предлагаемой неадиабатической электронной пушки: активные зоны катода 1 и анода 3 расположены перпендикулярно оси магнитного поля основного соленоида 4 (а); активные зоны катода 1 и анода 3 наклонены под острым углом ζ к оси магнитного поля основного соленоида 4 (б); активные зоны катода 1 и анода 3 наклонены под тупым углом ζ к оси магнитного поля основного соленоида 4 (в).

На фиг. 5 показано положение эмитирующих участков 2 круглой формы на катоде 1 (а), и соответствующих им отверстий 7 анода 3 (б), а также расчетное поперечное сечение электронного потока (в).

На фиг.6 проиллюстрировано положение эмитирующих участков 2 в форме сегментов кольца катода 1 (а) и соответствующих им отверстий 7 анода 3 (б) и расчетное поперечное сечение электронного потока (в).

На фиг. 7 схематически показан один из вариантов предлагаемой пушки в случае ее реализации с использованием зависимых п. 5 и п. 6 формулы: с двумя дополнительными соленоидами 5 и ферромагнитным кольцом 8 для регулировки магнитного поля на катоде 1.

На фиг. 8 показано рассчитанное изображение парциального круглого электронного луча, электроны которого проходят через одно из отверстий 7 анода 3 и трубку дрейфа 6 при одинаковом потенциале анода 3 и трубки дрейфа 6.

На фиг. 9 приведено сравнение результатов расчета питч-фактора g электронного потока и разброса скоростей электронов δν_⊥ в прототипе (неадиабатической пушке с кольцевым катодом) и предлагаемом устройстве с различными размерами эмитирующих участков 2 в форме сегментов кольца.

Предлагаемая электронная пушка имеет существенные принципиальные и конструктивные отличия от других известных пушек МЦР. От адиабатической МИП, применяемой во всех мощных гиротронах, она отличается не только своей конструкцией, но и принципом начальной накачки осцилляторной энергии электронов, а от прототипа - неадиабатической пушки с кольцевым катодом - конструктивными особенностями катода и анода, позволяющими устранить недостатки прототипа.

В общем случае реализации изобретения в соответствии с п. 1 формулы предлагаемое устройство состоит из катода 1, на котором имеются эмитирующие участки 2, анода 3, в котором имеются отверстия 7 для прохода электронов, трубки дрейфа 6, основного соленоида 4, на спадающем участке магнитного поля которого находятся катод 1 и анод 3, и по меньшей мере одного из дополнительных соленоидов 5 для регулировки магнитного поля в пушке.

Для того чтобы иметь возможность нарушить условия адиабатического приближения, расстояние между катодом 1 и анодом 2 при заданных напряженностях электрического и магнитного полей выполнено таким, что время пролета его электронами значительно меньше периода циклотронных колебаний электронов в нем.

Трубка дрейфа 6 либо непосредственно соединяет анод 3 с рабочим пространством МЦР, либо имеет разрыв для подачи ускоряющего потенциала U₀, повышающего мощность электронного потока.

Эмитирующие участки 2 числом от двух и более являются идентичными по форме, находятся в углублениях катода 1, необходимых для уменьшения разлета электронов под действием пространственного заряда, и равноудалены от оси магнитного поля основного соленоида 4, совпадающей с осью симметрии пушки, причем угол Ψ между направлениями электрического и магнитного полей на поверхности каждого из эмитирующих участков 2 находится в пределах от 10° до 30°. Эмитирующие участки 2 в совокупности создают двух- или многолучевой поток электронов, причем каждому из эмитирующих участков 2 катода 1 соответствует одно из отверстий 7 в аноде 3 для прохождения исходящего из него луча, поэтому отверстия 7 также являются идентичными по форме и равноудаленными от оси магнитного поля основного соленоида 4.

К эмитирующим участкам 2 и отверстиям 7 примыкают активные зоны катода 1 и анода 3, влияющие на разброс скоростей электронов. Размеры этих зон в промежутке между катодом 1 и анодом 3 примерно равны расстоянию между ними. На внешней, не обращенной к катоду 1 стороне анода 3, активные зоны практически совпадают с краями отверстий 7.

В общем случае реализации изобретения катод 1 и анод 3 могут быть выполнены с разными углами наклона ζ относительно оси магнитного поля основного соленоида 4 в местах расположения их активных зон (см. фиг. 4).

Вне активных зон форма электродов не регламентируется. Однако на электродах пушки и других элементах конструкции не должно быть углов, на которых возможно усиление электрического поля до величины близкой к пробойной.

В наилучшем варианте реализации изобретения активные части катода 1 и анода 3, а также формируемый пушкой электронный поток обладают поворотной симметрией порядка n - числа эмитирующих участков 2 катода 1 и, соответственно, числа отверстий 7 анода 3 для прохода электронов в рабочее пространство МЦР. Вообще говоря, поворотная симметрия не является обязательной. Но нарушение ее может служить причиной снижения КПД из-за усиления связи между модами рабочего пространства МЦР, что приведет к переизлучению части мощности рабочей моды в паразитные моды.

Предложенное устройство осуществляет работу следующим образом.

После того как эмитирующие участки 2 катода 1 нагреты до рабочей температуры и между катодом 1 и анодом 3 приложено напряжение U_a, эмитированные электроны начинают свое движение вдоль силовой линии электрического поля, составляющей угол с силовой линией магнитного поля. Промежуток между катодом 1 и анодом 3 электроны пролетают за время τ меньшее половины периода циклотронных колебаний в магнитном поле B_g вблизи катода; их начальная осцилляторная скорость

где η - отношение заряда электрона к его массе. Эта оценка тем точнее, чем меньше время пролета τ. Угол Ψ, под которым силовая линия магнитного поля пересекает поверхность каждого из эмитирующих участков 2 в его центре, не должен быть слишком мал или слишком велик. Исходя из результатов траекторного анализа и принимая во внимание ряд технических ограничений, целесообразно задавать угол Ψ в интервале от 10° до 30°.

В предлагаемой неадиабатической пушке, как и в прототипе, разлет электронов под действием сил пространственного заряда, преобразующийся в дальнейшем движении электронов в разброс их компонент скоростей, может быть минимизирован благодаря тому, что в промежутке между катодом 1 и анодом 3 можно выровнять электрические поля на границах отдельных электронных лучей. Это способствует повышению КПД МЦР, т.е. повышению эффективности работы предлагаемой пушки по сравнению с МИП.

Действие пространственного заряда также частично ослаблено тем, что эмитирующие участки 2 находятся в углублениях керна катода 1, благодаря чему вблизи каждого из эмитирующих участков 2 образуется сходящееся электрическое поле, препятствующее разлету электронов. Эти особенности конструкции пушки позволяют работать при большей плотности тока, чем в МИП, вплоть до режима полного пространственного заряда на катоде 1, что способствует более устойчивой работе предлагаемой пушки по сравнению с МИП.

После прохождения анода 3 электроны движутся в трубке дрейфа 6 в плавно нарастающем магнитном поле, где их осцилляторные скорости увеличиваются в соответствии с адиабатическим инвариантом (1).

В предлагаемом устройстве уменьшение апертуры анода 3 по сравнению с МИП, связанное с разделением потока электронов на отдельные лучи, позволяет значительно уменьшить число электронов, возвращающихся к катоду 1 после отражения магнитной пробкой. Преобладающая часть отраженных электронов оседает на внешней поверхности анода 3 и не попадает в отверстия 7. Это также способствует более устойчивой работе предлагаемой пушки по сравнению с МИП.

В конечном итоге в пушке формируется электронный поток, разделенный на части, занимающие в поперечном сечении геометрическое место кольца.

По сравнению с прототипом, в предлагаемом устройстве не нужен дополнительный изолятор, что упрощает конструкцию пушки и позволяет исключить высокие риски электрического пробоя между элементами поддержки катода 1 и анода 3.

Таким образом, предложенная пушка позволяет достигнуть большей устойчивости и эффективности работы, нежели аналоги и прототип.

В соответствии с частными случаями реализации предлагаемого изобретения по п. 2 и п. 3 формулы, эмитирующие участки 2 катода 1 и соответствующие им отверстия 7 анода 3 являются либо круглыми, либо имею форму сегментов кольца, как показано на фиг. 5 и фиг. 6. Выбор круглой или сегментированной формы эмитирующих участков 2 и анодных отверстий 7 дает дополнительную возможность формировать в промежутке между катодом 1 и анодом 3 электрическое поле, при котором в электронном луче, исходящем из каждого из эмитирующих участков 2, разброс компонент скоростей электронов может быть минимизирован. При выборе формы учитывается влияние пространственного заряда электронного потока и уклонение электронов от прямолинейных траекторий под действием магнитного поля.

Уклонение траекторий электронов от прямолинейного движения в радиальном и азимутальном направлениях происходит под действием магнитного поля. Оно будет тем большим, чем больше время пролета электронов от эмитирующих участков 2 катода 1 до отверстий 7 анода 3. Соответственно, центры круглых отверстий 7 анода 3 могут быть смещены относительно перпендикуляров, восстановленных из середин круглых эмитирующих участков 2; смещения анодных отверстий 7 в форме сегментов кольца относительно проекций эмитирующих участков 2 указанной формы на поверхность анода 3 не требуется.

Размеры и положение отверстий 7 анода 3 определяются из численного расчета с учетом следующих частично противоречивых требований: полного токопрохождения, минимального разброса компонент скоростей электронов и наибольшего перехвата анодом 3 электронов, отраженных магнитной пробкой, на их возвратном движении к катоду 1.

Предлагаемую неадиабатическую пушку с круглыми эмитирующими участками 2 катода 1 и круглыми отверстиями 7 анода 3 предпочтительно использовать в гиротронах с мощностью порядка нескольких десятков киловатт. Пушку с эмитирующими участками 2 в форме сегментов кольца и аналогичными отверстиями 7 анода 3, в которой возможны большие токи электронного потока и сравнительно меньшие локальные нагрузки коллектора МЦР, предполагается использовать в приборах различной мощности излучения, достигающей и превышающей 100 кВт.

В соответствии с частным случаем реализации предлагаемого изобретения по п. 4 формулы, анод 3 оборудован каналами для жидкостного охлаждения. Поскольку на внешней, не обращенной к катоду 1 стороне анода 3 активные зоны, отвечающие за прохождение электронов, практически совпадают с краями отверстий 7, предпочтительно располагать указанные каналы для жидкостного охлаждения именно с этой стороны в промежутках между отверстиями 7. В отличие от прототипа, в предложенной конструкции пушки подвод охлаждающей жидкости к аноду 3 не вызывает затруднений.

В соответствии с п. 5 формулы изобретения для формирования заданного распределения магнитного поля в пушке используют два идентичных дополнительных соленоида 5 с противоположными направлениями магнитных полей. Такое устройство позволяет изменять только радиальную компоненту магнитного поля на поверхности катода 1, то есть угол Ψ, от которого зависит начальная скорость вращения электронов согласно (5).

Если мощность питания дополнительных соленоидов 5 слишком велика, то к ним, согласно п. 6 формулы изобретения, может быть добавлено ферромагнитное кольцо 8 (см. фиг. 7). Наличие ферромагнитного кольца 8 особенно актуально для обеспечения заданного угла Ψ в варианте реализации изобретения, когда активные зоны катода 1 и анода 3 расположены перпендикулярно оси магнитного поля основного соленоида 4.

Мощность дополнительных соленоидов 5 может быть значительно уменьшена в случае вариантов реализации изобретения, когда активные зоны катода 1 и анода 3 наклонены по отношению к оси магнитного поля основного соленоида 4.

Расчеты параметров пучка предлагаемой пушки выполнялись на основе программы CST Studio Suite. Их результаты представлены на фиг. 5, 6 и 9. Фиг. 5 (в) и фиг. 6 (в) показывают расчетные поперечные сечения электронных потоков пушек с десятью круглыми и двумя сегментированными эмитирующими участками 2 соответственно. Как показывают расчеты, в пушке с круглыми эмитирующими участками 2 практически все отраженные электроны перехватываются анодом 3 на их первом обратном пролете; в пушке с эмитирующими участками 2 в форме сегментов кольца перехват составляет около 90% отраженных электронов. На фиг. 8 схематически показано прохождение парциального круглого электронного луча через одно из отверстий 7 анода 3 и трубку дрейфа 6 при одинаковом потенциале анода 3 и трубки дрейфа 6. При расчете разброса компонент скоростей электронов в пушке с эмитирующими участками 2 в форме сегментов кольца в качестве базы сравнения были использованы результаты расчета прототипа - аксиально-симметричной неадиабатической пушки с кольцевым катодом. Расчеты, результаты которых приведены на фиг. 9, показали, что в предлагаемой пушке с двумя с эмитирующими участками 2 в форме сегментов кольца и аналогичными отверстиями 7 анода 3 на разброс скоростей электронов существенное влияние оказывает неоднородное электрическое поле вблизи краев отверстий 7 анода 3. При углах сектора сегментов кольца, не превышающих 80…90°, разброс скоростей электронов практически совпадает с разбросом в аксиально-симметричной неадиабатической пушке с кольцевым катодом.

Claims (6)

1. Неадиабатическая электронная пушка для мазера на циклотронном резонансе (МЦР), формирующая поток электронов, движущихся по винтовым траекториям в аксиально-симметричном магнитном поле, создаваемом основным соленоидом, содержащая катод и анод, расположенные на спадающем участке магнитного поля основного соленоида, а также трубку дрейфа для транспортировки электронов в рабочее пространство МЦР и по меньшей мере один дополнительный соленоид для регулировки поля на катоде, причем расстояние между катодом и анодом при заданных напряженностях электрического и магнитного полей выполнено таким, что время пролета его электронами значительно меньше периода циклотронных колебаний электронов в нем, отличающаяся тем, что катод содержит отдельные идентичные по форме эмитирующие участки числом от двух и более, равноудаленные от оси магнитного поля основного соленоида, расположенные в углублениях катода и создающие двух- или многолучевой поток электронов, причем угол Ψ между направлениями электрического и магнитного полей на поверхности каждого эмитирующего участка находится в пределах от 10 до 30°, а каждому эмитирующему участку катода соответствует отверстие в аноде для прохождения луча, исходящего из данного эмитирующего участка катода.

2. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что эмитирующие участки катода и отверстия анода имеют круглую форму.

3. Электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что эмитирующие участки катода и отверстия анода имеют форму сегментов кольца.

4. Электронная пушка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что анод оборудован каналами для жидкостного охлаждения.

5. Электронная пушка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что содержит два дополнительных соленоида для регулировки поля на катоде со встречными магнитными полями.

6. Электронная пушка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что для регулировки поля на катоде дополнительно включает ферромагнитное кольцо.

Images