RU2766565C1 - Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun - Google Patents

Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun Download PDF

Info

Publication number
RU2766565C1
RU2766565C1 RU2021114827A RU2021114827A RU2766565C1 RU 2766565 C1 RU2766565 C1 RU 2766565C1 RU 2021114827 A RU2021114827 A RU 2021114827A RU 2021114827 A RU2021114827 A RU 2021114827A RU 2766565 C1 RU2766565 C1 RU 2766565C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
hot cathode
electron beam
forming electrode
wall
Prior art date
Application number
RU2021114827A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Александрович Сыровой
Валерий Александрович Лавринович
Михаил Александрович Завьялов
Original Assignee
Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Наука И Инновации" filed Critical Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority to RU2021114827A priority Critical patent/RU2766565C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2766565C1 publication Critical patent/RU2766565C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/48—Electron guns

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: electronic engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, namely to cathode assemblies for powerful electron beam guns, and can be used, in particular, in the design of the cathode assembly of a powerful electron beam gun for melting refractory metals. The cathode assembly of the electron beam gun contains a hot cathode with a front emitting surface, a heating block and a forming electrode installed with a gap relative to the lateral surface of the hot cathode. The hot cathode is made with a flat emitting surface and has a zero potential ϕ = 0. The forming electrode has a negative potential with respect to the hot cathode, and the gap is formed by the inner wall of the forming electrode and the lateral surface of the hot cathode making an angle of 67.5 degrees with its front surface. The position of the inner wall of the forming electrode relative to the lateral surface of the hot cathode is determined by the distance d set along the beam at an angle of 135 degrees from the direction of the electron beam flow. The shape of the inner wall of the forming electrode is set by two straight lines and a circular arc that connects them
EFFECT: increasing the reliability of work, increasing the resource of the cathode assembly and the powerful electron beam gun as a whole.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов.The invention relates to electronic engineering, namely, to cathode units for high-power electron beam guns and can be used, in particular, in the design of the cathode unit of a high-power electron beam gun for melting refractory metals.

Традиционно принято считать катодный узел сердцем электровакуумного прибора. Для мощных электровакуумных приборов СВЧ это представляет особый смысл в связи с тем, что основные электродинамические и эксплуатационные параметры приборов находятся в тесной связи с параметрами катодных узлов. Катодный узел оказывает определяющее влияние на получение высоких параметров, надежности и долговечности электровакуумных приборов.It is traditionally accepted to consider the cathode assembly as the heart of an electrovacuum device. For powerful electrovacuum microwave devices, this is of particular importance due to the fact that the main electrodynamic and operational parameters of the devices are closely related to the parameters of the cathode units. The cathode unit has a decisive influence on obtaining high parameters, reliability and durability of electrovacuum devices.

Катодный узел любого устройства с мощным электронным пучком и термоэмиссионным катодом состоит собственно из катода, подогревательного блока и формирующих электродов, образующих электронно-оптическую систему (ЭОС) электронной пушки. Нагретая до высокой температуры поверхность катода должна быть изолирована от формирующих электродов с тем, чтобы исключить перегрев последних, приводящий к тепловым деформациям, которые нарушают работу ЭОС, а также приводят к расходу дополнительной мощности на паразитный нагрев электродов. Устранение упомянутых нежелательных эффектов достигается за счет выполнения теплового зазора между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода. Однако такой тепловой зазор в принятой практике реализуется не на основании теоретических расчетов, а волюнтаристским образом, обычно в виде горизонтальной щели постоянной ширины, параллельной оси прибора.The cathode unit of any device with a powerful electron beam and a thermionic cathode consists of the cathode itself, a heating unit and forming electrodes that form the electron-optical system (EOS) of the electron gun. The cathode surface heated to a high temperature must be isolated from the forming electrodes in order to exclude overheating of the latter, leading to thermal deformations that disrupt the operation of the EOS, and also lead to the consumption of additional power for parasitic heating of the electrodes. The elimination of the mentioned undesirable effects is achieved by providing a thermal gap between the cathode and the forming electrode with the potential of the cathode. However, such a thermal gap in the accepted practice is implemented not on the basis of theoretical calculations, but in a voluntaristic way, usually in the form of a horizontal slot of constant width, parallel to the axis of the device.

Известна конструкция электронной пушки, защищенной патентом США №10475618 «Электронная пушка, способная подавлять влияние электронной эмиссии с боковой поверхности катода», H01J 29/48, H01J 37/075, опубл. 12.11.2019. Известная электронная пушка включает в себя: катод, способный испускать электроны при нагревании; сетку, контролирующую эмиссию электронов катода; и катодный экран, выполненный из электропроводящего материала, включающий в себя поверхность, расположенную вблизи боковой поверхности катода и обращенную, по меньшей мере, к части боковой поверхности через вакуумный зазор либо прослойку из теплоизоляционного материала. Известная электронная пушка способна несколько подавлять влияние эмиссии электронов с боковой поверхности катода. Однако тепловой зазор между катодом и формирующим электродом в катодном узле известной электронной пушки организован без учета результатов теории, а задача исключения паразитной эмиссии электронов не в полной мере решается противопоставленным боковой поверхности электродом с потенциалом катода.Known design of the electron gun, protected by US patent No. 10475618 "Electron gun capable of suppressing the effect of electron emission from the side surface of the cathode", H01J 29/48, H01J 37/075, publ. 11/12/2019. Known electron gun includes: a cathode capable of emitting electrons when heated; a grid that controls the emission of cathode electrons; and a cathode screen made of an electrically conductive material, including a surface located near the side surface of the cathode and facing at least a part of the side surface through a vacuum gap or a layer of heat-insulating material. Known electron gun is able to somewhat suppress the effect of electron emission from the side surface of the cathode. However, the thermal gap between the cathode and the forming electrode in the cathode unit of the known electron gun is organized without taking into account the results of the theory, and the problem of eliminating parasitic electron emission is not fully solved by the electrode with the cathode potential opposed to the side surface.

Широко известны научные работы, содержащие расчетные данные, направленные на обоснование необходимости применения в катодных узлах электронно-лучевых пушек профилированных, переменных по ширине тепловых зазоров между катодом и формирующим электродом с потенциалом катода.Widely known are scientific works containing calculated data aimed at substantiating the need to use profiled, variable in width thermal gaps between the cathode and the forming electrode with the cathode potential in cathode assemblies of electron-beam guns.

Так, в статье Данилова В.Н., Сырового В.А «К расчету электронных пушек с тепловым зазором по методу синтеза», «Радиотехника и электроника», 1976, Т. 40, №2, с. 418-421, сформулирована концепция профилированного теплового зазора, не нарушающего принятую гидродинамическую модель потока, на примере цилиндрического электронного пучка. В результате решения упомянутых в известной статье уравнений в частных производных теоретически рассчитана конфигурация эквипотенциалей, определяющих сложные криволинейные границы теплового зазора. Однако расчетные исследования, представленные в известной статье, не дают возможности определения практической конструктивной формы профилированного теплового зазора при его практической реализации в катодных узлах современных мощных электровакуумных приборов.So, in the article by Danilov V.N., Syrovoy V.A. “On the calculation of electron guns with a thermal gap using the synthesis method”, “Radio Engineering and Electronics”, 1976, V. 40, No. 2, p. 418-421, the concept of a profiled thermal gap that does not violate the accepted hydrodynamic flow model is formulated using the example of a cylindrical electron beam. As a result of solving the partial differential equations mentioned in the well-known article, the configuration of equipotentials is theoretically calculated, which determine the complex curvilinear boundaries of the thermal gap. However, the computational studies presented in a well-known article do not make it possible to determine the practical constructive form of a profiled thermal gap in its practical implementation in cathode assemblies of modern high-power electrovacuum devices.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является катодный узел электронно-лучевой пушки, конструктивное исполнение которого защищено патентом SU №1393214 «Электронно-лучевая пушка», H01J 29/48, опубл. 10.06.2000. Известная электронно-лучевая пушка содержит секционированную цилиндрическую вакуумную камеру, одна из секций которой выполнена из электроизоляционного материала, а на ее оси размещен катодный узел с вогнутым сферическим катодом, формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности катода, и анод. Корпус катода выполнен коническим, а формирующий электрод закреплен между секциями вакуумной камеры, каждая из которых выполнена из электроизоляционного материала и образует с конической поверхностью корпуса катода конусообразный зазор, отношение а величины которого к радиусу эмитирующей поверхности выбрано из выражения

Figure 00000001
Применение известного катодного узла в электронно-лучевой пушке позволяет несколько повысить однородность потока электронов, однако, грубая аппроксимация теоретических результатов и отсутствие конструктивной конфигурации фронтальной поверхности формирующего электрода не позволяет обеспечить надежную работу известного катодного узла, допуская перегрев и тепловые деформации формирующего электрода.The closest in technical essence to the achieved result is the cathode node of the electron beam gun, the design of which is protected by patent SU No. 1393214 "Electron beam gun", H01J 29/48, publ. 06/10/2000. The known electron-beam gun contains a sectioned cylindrical vacuum chamber, one of the sections of which is made of an electrically insulating material, and a cathode assembly with a concave spherical cathode is placed on its axis, forming an electrode installed with a gap relative to the side surface of the cathode, and an anode. The cathode body is made conical, and the forming electrode is fixed between sections of the vacuum chamber, each of which is made of an electrically insulating material and forms a cone-shaped gap with the conical surface of the cathode body, the ratio a of which to the radius of the emitting surface is selected from the expression
Figure 00000001
The use of a known cathode assembly in an electron beam gun makes it possible to slightly increase the uniformity of the electron flow, however, a rough approximation of the theoretical results and the absence of a constructive configuration of the front surface of the forming electrode does not allow reliable operation of the known cathode assembly, allowing overheating and thermal deformation of the forming electrode.

Актуальной задачей при разработке катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки является повышение его надежности и ресурса, повышающих, в свою очередь, надежность и ресурс в целом электроннолучевой пушки. Именно определение практической конструктивной формы и установление конструктивных очертаний профилированного, переменного по ширине теплового зазора между катодом и формирующим электродом, имеющим потенциал, отрицательный по отношению к катоду, позволяет полностью исключить паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, повышая качество электронного пучка, уменьшая токоперехват на элементы конструкции, существенно снижая тепловые деформации формирующего электрода, обеспечив тем самым надежную работу и высокий ресурс катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.An urgent task in the development of a cathode unit for a powerful electron beam gun is to increase its reliability and service life, which, in turn, increase the reliability and service life of the electron beam gun as a whole. It is the determination of the practical constructive form and the establishment of the constructive outlines of a profiled, variable in width thermal gap between the cathode and the forming electrode, which has a potential negative with respect to the cathode, which makes it possible to completely exclude parasitic electron emission from the lateral surface of the cathode, increasing the quality of the electron beam, reducing the current interception at structural elements, significantly reducing the thermal deformation of the forming electrode, thereby ensuring reliable operation and a high resource of the cathode unit and a powerful electron beam gun as a whole.

Задача изобретения - повышение надежности работы, увеличение ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.The objective of the invention is to increase the reliability of operation, increase the resource of the cathode assembly and a powerful electron beam gun as a whole.

Техническим результатом изобретения является разработка надежного, с высоким ресурсом, катодного узла для мощной электронно-лучевой пушки, исполненного с профилированным тепловым зазором между катодом и формирующим электродом, обеспечивающим высокое качество электронного пучка и полностью исключающим паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода.The technical result of the invention is the development of a reliable, high resource, cathode assembly for a powerful electron beam gun, made with a profiled thermal gap between the cathode and the forming electrode, which ensures high quality of the electron beam and completely excludes parasitic electron emission from the side surface of the cathode.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что катодный узел электронно-лучевой пушки содержит термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода. Термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод имеет отрицательный потенциал ϕ = -ϕ* по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов. Положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов, при этом, числовая величина расстояния d определяется значением потенциала ϕ и вычисляется в соответствии со следующими выражениями:The set task and the required technical result are achieved due to the fact that the cathode assembly of the electron beam gun contains a hot cathode with a front emitting surface, a heating block and a forming electrode installed with a gap relative to the side surface of the hot cathode. The hot cathode is made with a flat emitting surface and has a zero potential ϕ=0, the forming electrode has a negative potential ϕ = -ϕ * with respect to the hot cathode, and the gap is formed by the inner wall of the forming electrode and the side surface of the hot cathode, making an angle of 67 with its front surface, 5 degrees. The position of the inner wall of the forming electrode relative to the side surface of the hot cathode is determined by the distance d, which is set along the beam at an angle of 135 degrees from the direction of the electron beam flow, while the numerical value of the distance d is determined by the value of the potential ϕ and is calculated in accordance with the following expressions:

Figure 00000002
где:
Figure 00000002
where:

Figure 00000003
Figure 00000003

где:where:

I плотность тока,

Figure 00000004
I current density,
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

ϕА - потенциал анода, В;ϕ A - anode potential, V;

Figure 00000006
- удельный заряд электрона;
Figure 00000006
- specific charge of an electron;

E0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;E 0 - vacuum permittivity;

L* - расстояние анод-катод, м,L * - anode-cathode distance, m,

при этом ϕ* измеряется в долях потенциала анода ϕА, помимо этого, форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности термокатода, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода на расстоянии b от кромки термокатода, определяемом по формуле

Figure 00000007
in this case, ϕ * is measured in fractions of the anode potential ϕ A , in addition, the shape of the inner wall of the forming electrode is given by two straight lines and a circular arc conjugating them, the first straight line making an angle of 22.5 degrees with the plane of the frontal emitting surface of the thermal cathode, the second straight line is parallel to the side surface of the hot cathode, and the arc of the circle matches the first line at the intersection with the plane of the front emitting surface of the hot cathode at a distance b from the edge of the hot cathode, determined by the formula
Figure 00000007

В конструкции созданного катодного узла для мощной электроннолучевой пушки выполнен профилированный тепловой зазор между боковой поверхностью термокатода и внутренней стенкой формирующего электрода, имеющего потенциал, отрицательный по отношению к термокатоду. Теоретически обоснованная и технологичная конфигурация такого теплового зазора повышает качество электронного пучка, уменьшает токоперехват на элементы конструкции, что особенно важно для мощных установок, тем самым повышая ресурс и надежность работы плавильной электронно-лучевой пушки в целом.In the design of the created cathode unit for a powerful electron beam gun, a profiled thermal gap is made between the side surface of the hot cathode and the inner wall of the forming electrode, which has a potential negative with respect to the hot cathode. The theoretically substantiated and technological configuration of such a thermal gap improves the quality of the electron beam, reduces the current intercept to structural elements, which is especially important for high-power installations, thereby increasing the service life and reliability of the melting electron beam gun as a whole.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана технологичная конфигурация профилированного теплового зазора катодного узла, где:The present invention and its advantages will be better understood by reference to the following detailed description and the accompanying drawing. The drawing shows the technological configuration of the profiled thermal gap of the cathode assembly, where:

1 - термокатод,1 - thermal cathode,

2 - фронтальная эмитирующая поверхность термокатода 1,2 - frontal emitting surface of the hot cathode 1,

3 - формирующий электрод с отрицательным потенциалом,3 - forming electrode with a negative potential,

4 - поток электронов, исходящий от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1,4 - electron flow coming from the front emitting surface 2 of the thermal cathode 1,

5 - боковая поверхность термокатода 1,5 - side surface of the thermal cathode 1,

d - расстояние между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом в 135 градусов от направления потока 4 электронов,d is the distance between the inner wall of the forming electrode 3 and the side surface 5 of the thermal cathode 1, set along the beam at an angle of 135 degrees from the direction of the electron flow 4,

b - расстояние по вертикали от кромки термокатода 1, на котором находится точка сопряжения первой линии с дугой окружности, образующими форму внутренней стенки формирующего электрода 3.b is the vertical distance from the edge of the thermal cathode 1, at which the conjugation point of the first line with the arc of a circle is located, forming the shape of the inner wall of the forming electrode 3.

Катодный узел разработан для мощной электронно-лучевой пушки и содержит термокатод 1 с фронтальной эмитирующей поверхностью 2 и боковой поверхностью 5, параллельной внутренней стенке формирующего электрода 3, подогревательный блок (на чертеже не показан) и формирующий электрод 3 с отрицательным потенциалом. Катодный узел предназначен для формирования мощного электронного потока 4 электронов, используемого, например, при плавке металлов в вакуумной камере электронно-лучевого плавильного комплекса.The cathode assembly is designed for a powerful electron beam gun and contains a thermal cathode 1 with a front emitting surface 2 and a side surface 5 parallel to the inner wall of the forming electrode 3, a heating block (not shown in the drawing) and a forming electrode 3 with a negative potential. The cathode assembly is designed to form a powerful electron beam 4 electrons used, for example, in the melting of metals in the vacuum chamber of an electron beam melting complex.

Термокатод 1 имеет плоскую эмитирующую поверхность 2 и нулевой потенциал ϕ=0, формирующий электрод 3 имеет отрицательный потенциал ϕ =- ϕ* по отношению к термокатоду 1. Профилированный тепловой зазор в конструкции катодного узла формируется между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, составляющей с его фронтальной поверхностью угол в 67,5 градусов.The hot cathode 1 has a flat emitting surface 2 and zero potential ϕ=0, the forming electrode 3 has a negative potential ϕ =- ϕ* with respect to the hot cathode 1. A profiled thermal gap in the design of the cathode assembly is formed between the inner wall of the forming electrode 3 and the side surface 5 of the hot cathode 1 making an angle of 67.5 degrees with its front surface.

Задавая потенциал формирующего электрода 3, по соотношению

Figure 00000008
определяется расстояние d, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов, между внутренней стенкой формирующего электрода 3 и боковой поверхностью 5 термокатода 1, устанавливаемое вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка 4 электронов, исходящего от фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, необходимое для формирования плотного потока 4 электронов. При этом:By setting the potential of the forming electrode 3, according to the ratio
Figure 00000008
the distance d necessary for the formation of a dense flow 4 of electrons is determined between the inner wall of the forming electrode 3 and the side surface 5 of the thermal cathode 1, which is set along the beam at an angle of 135 degrees from the direction of the flow of the electron beam 4 emanating from the front emitting surface 2 of the thermal cathode 1, necessary for formation of a dense flow of 4 electrons. Wherein:

Figure 00000009
Figure 00000009

где:where:

I плотность тока,

Figure 00000010
I current density,
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

ϕA - потенциал анода, В;ϕ A - anode potential, V;

Figure 00000012
- удельный заряд электрона;
Figure 00000012
- specific charge of an electron;

E0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;E 0 - vacuum permittivity;

L* - расстояние анод-катод, м,L * - anode-cathode distance, m,

Потенциал ϕ* формирующего электрода 3 измеряется в долях потенциала анода ϕА. Форма внутренней стенки формирующего электрода 3 задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22.5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности 5 термокатода 1, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности 2 термокатода 1 на расстоянии b от кромки термокатода 1, определяемом по формуле

Figure 00000013
The potential ϕ * of the forming electrode 3 is measured in fractions of the anode potential ϕ A . The shape of the inner wall of the forming electrode 3 is given by two straight lines and a circular arc conjugating them, the first straight line making an angle of 22.5 degrees with the plane of the front emitting surface 2 of the hot cathode 1, the second straight line is parallel to the side surface 5 of the hot cathode 1, and the circular arc conjugates the first line on intersection with the plane of the front emitting surface 2 of the hot cathode 1 at a distance b from the edge of the hot cathode 1, determined by the formula
Figure 00000013

Профилированный тепловой зазор обеспечивает реализацию решения уравнений в частных производных, включающих уравнение движения заряженной частицы в самосогласованном электромагнитном поле и уравнения Максвелла для этого поля. Упомянутые уравнения описывают математическую модель, адекватную физической природе явления, состоящего в эмиссии и формировании плотного электронного пучка.Profiled thermal gap provides the implementation of the solution of equations in partial derivatives, including the equation of motion of a charged particle in a self-consistent electromagnetic field and Maxwell's equations for this field. The above equations describe a mathematical model adequate to the physical nature of the phenomenon consisting in the emission and formation of a dense electron beam.

Теоретически рассчитанная конфигурация боковой поверхности термокатода и отрицательной эквипотенциали, образующих профилированный тепловой зазор, легко поддается модификациям с целью придания ей технологичных очертаний без существенного возмущения электронного потока.The theoretically calculated configuration of the lateral surface of the hot cathode and the negative equipotential, which form a profiled thermal gap, can be easily modified in order to give it a technological shape without significant perturbation of the electron flow.

Практическое использование теоретически обоснованного профилированного теплового зазора повышает качество мощного электронного пучка, исключает возможность токоперехвата элементами конструкции пушки и паразитную эмиссию с боковой поверхности катода.The practical use of a theoretically substantiated profiled thermal gap improves the quality of a powerful electron beam, eliminates the possibility of current interception by the gun construction elements and parasitic emission from the side surface of the cathode.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании данного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates that the following set of conditions is met when using this invention:

- средство, воплощающее данное изобретение при его осуществлении, относится к электронной технике, а именно, к катодным узлам для мощных электронно-лучевых пушек и может найти применение, в частности, в конструкции катодного узла мощной электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов;- means embodying the present invention in its implementation relates to electronic engineering, namely, to cathode units for powerful electron beam guns and can be used, in particular, in the design of the cathode unit of a powerful electron beam gun for melting refractory metals;

- для вышеприведенного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его практического осуществления;- for the above device in the form as it is characterized in the independent claim, the possibility of its practical implementation is confirmed;

- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении обеспечивает высокое качество электронного пучка, полностью исключает паразитную электронную эмиссию с боковой поверхности катода, что способствует повышению надежности работы, увеличению ресурса катодного узла и мощной электронно-лучевой пушки в целом.- the means embodying the invention during its implementation ensures high quality of the electron beam, completely excludes parasitic electron emission from the side surface of the cathode, which improves the reliability of operation, increases the resource of the cathode assembly and a powerful electron beam gun as a whole.

Следовательно, данное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, this invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (11)

Катодный узел электронно-лучевой пушки, содержащий термокатод с фронтальной эмитирующей поверхностью, подогревательный блок и формирующий электрод, установленный с зазором относительно боковой поверхности термокатода, отличающийся тем, что термокатод выполнен с плоской эмитирующей поверхностью и имеет нулевой потенциал ϕ = 0, формирующий электрод имеет отрицательный потенциал ϕ = -ϕ* по отношению к термокатоду, а зазор образован внутренней стенкой формирующего электрода и боковой поверхностью термокатода, составляющей с его фронтальной поверхностью угол 67,5 градусов, причем положение внутренней стенки формирующего электрода относительно боковой поверхности термокатода определяется расстоянием d, устанавливаемым вдоль луча под углом 135 градусов от направления потока пучка электронов, при этом числовая величина расстояния d определяется значением потенциала ϕ и вычисляется в соответствии со следующими выражениями:Cathode unit of an electron beam gun, containing a hot cathode with a front emitting surface, a heating block and a forming electrode installed with a gap relative to the side surface of the hot cathode, characterized in that the hot cathode is made with a flat emitting surface and has a zero potential ϕ = 0, the forming electrode has a negative potential ϕ = -ϕ * with respect to the hot cathode, and the gap is formed by the inner wall of the forming electrode and the side surface of the hot cathode, making an angle of 67.5 degrees with its front surface, and the position of the inner wall of the forming electrode relative to the side surface of the hot cathode is determined by the distance d, set along beam at an angle of 135 degrees from the direction of the electron beam flow, while the numerical value of the distance d is determined by the value of the potential ϕ and is calculated in accordance with the following expressions:
Figure 00000014
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000015
 где:where: I - плотность тока,
Figure 00000016
I - current density,
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000017
 ϕA - потенциал анода, В;ϕ A - anode potential, V;
Figure 00000018
- удельный заряд электрона;
Figure 00000018
- specific charge of an electron; E0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;E 0 - vacuum permittivity; L* - расстояние анод-катод, м,L * - anode-cathode distance, m, при этом ϕ* измеряется в долях потенциала анода ϕА, помимо этого, форма внутренней стенки формирующего электрода задана двумя прямыми линиями и сопрягающей их дугой окружности, причем первая прямая линия составляет угол 22,5 градуса с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода, вторая прямая линия параллельна боковой поверхности термокатода, а дуга окружности сопрягает первую линию на пересечении с плоскостью фронтальной эмитирующей поверхности термокатода на расстоянии b от кромки термокатода, определяемом по формуле
Figure 00000019
in this case, ϕ * is measured in fractions of the anode potential ϕ A , in addition, the shape of the inner wall of the forming electrode is given by two straight lines and a circular arc conjugating them, the first straight line making an angle of 22.5 degrees with the plane of the front emitting surface of the hot cathode, the second straight line is parallel to the side surface of the hot cathode, and the circular arc mates with the first line at the intersection with the plane of the front emitting surface of the hot cathode at a distance b from the edge of the hot cathode, determined by the formula
Figure 00000019
RU2021114827A 2021-05-25 2021-05-25 Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun RU2766565C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021114827A RU2766565C1 (en) 2021-05-25 2021-05-25 Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021114827A RU2766565C1 (en) 2021-05-25 2021-05-25 Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2766565C1 true RU2766565C1 (en) 2022-03-15

Family

ID=80736695

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021114827A RU2766565C1 (en) 2021-05-25 2021-05-25 Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2766565C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1572328A1 (en) * 1988-02-19 1995-01-09 Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина Electron gun
SU1393214A1 (en) * 1986-02-25 2000-06-10 Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина ELECTRON-BEAM GUN
RU2238602C1 (en) * 2000-12-26 2004-10-20 Международный центр электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е.О. Патона Electron gun with linear hot cathode for electron-beam heating
US20060091776A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-04 Nec Microwave Tube, Ltd. Electron gun
WO2012055458A1 (en) * 2010-10-25 2012-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for producing an electron beam
US10475618B2 (en) * 2017-07-24 2019-11-12 Nec Network And Sensor Systems, Ltd. Electron gun capable of suppressing the influence of electron emission from the cathode side surface

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1393214A1 (en) * 1986-02-25 2000-06-10 Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина ELECTRON-BEAM GUN
SU1572328A1 (en) * 1988-02-19 1995-01-09 Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина Electron gun
RU2238602C1 (en) * 2000-12-26 2004-10-20 Международный центр электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е.О. Патона Electron gun with linear hot cathode for electron-beam heating
US20060091776A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-04 Nec Microwave Tube, Ltd. Electron gun
WO2012055458A1 (en) * 2010-10-25 2012-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for producing an electron beam
US10475618B2 (en) * 2017-07-24 2019-11-12 Nec Network And Sensor Systems, Ltd. Electron gun capable of suppressing the influence of electron emission from the cathode side surface

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Grigoriev et al. Broad beam source of fast atoms produced as a result of charge exchange collisions of ions accelerated between two plasmas
CN111385956B (en) Radio frequency particle source
KR20130121078A (en) Arc deposition source having a defined electric field
RU2766565C1 (en) Cathode assembly with profiled thermal gap for high-power electron beam gun
US9177753B2 (en) Radiation generating tube and radiation generating apparatus using the same
Belchenko et al. Inductively driven surface-plasma negative ion source for N-NBI use
Burdovitsin et al. On the connection between secondary electron emission yield and the potential of an electron-beam-irradiated target
Shchukin et al. High-efficiency electron source with a hollow cathode in technologies of thin film deposition and surface treatment under forevacuum pressures
EP2124243B1 (en) Electron beam focusing electrode and electron gun using the same
Bakeev et al. Double-coil magnetic focusing of the electron beam generated by a plasma-cathode electron source
RU2581833C1 (en) Source of electrons with auto electronic emitter and x-ray tube with said electron source
Thakur et al. High power, high uniformity strip electron gun design, simulation and performance
CN105118761A (en) Secondary electron bombardment shielding method for X-ray tubes
Gruzdev et al. Electron-optical characteristics of the beam generated by the electron plasma sources
TW202305857A (en) Ion source and shaped repeller for an indirectly heated cathode ion source
EP3333878B1 (en) Gas-discharge electron gun
US12051560B2 (en) Ion gun and ion milling machine
Zhu et al. Simulation of a High-convergence Electron Optics System for an X-band High-impedance Relativistic Klystron.
Shcherbakov et al. Development of an electron-beam welding unit for small-size pieces
Lamar et al. Ion Beams in High Voltage Tubes Using Differential Pumping
RU2598857C2 (en) Small-size autoemissive electron gun
Aban’shin et al. Mechanism of ion loading of point emitters in planar edge field emission structures
Bakeev et al. A fore-vacuum plasma electron source of a focused electron beam
Singh et al. High-Voltage Breakdown Study: Possibilities and Precautions
Alvi et al. Confined focused sheet beam flow of a thermionic linear electron source