RU73124U1

RU73124U1 - ELECTRON GUN

Info

Publication number: RU73124U1
Application number: RU2006135143/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Евдокимов; Татьяна Васильевна Муравьева
Original assignee: Юрий Владимирович Евдокимов; Татьяна Васильевна Муравьева
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-05-10

Abstract

Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники, в частности, к приборам СВЧ типа-0 (ЛБВ, ЛОВ, клистрон и др.) и может быть применено с целью расширения полосы усиливаемого или генерируемого сигнала за счет многоскоростного потока, формируемого электронной пушкой, которая содержит аксиально-симметричные кольцевые катодно-подогревательные узлы (КПУ), вставленные друг в друга с зазором, управляющие электроды и анод. КПУ имеют различные потенциалы относительно анода. Напряжения, подаваемые на катоды, размеры катодов определяются параметрами СВЧ прибора. Величины зазоров между КПУ должны обеспечивать электрическую прочность.The alleged invention relates to the field of electronic engineering, in particular, to microwave devices of type-0 (TWT, BWT, klystron, etc.) and can be applied to expand the band of an amplified or generated signal due to the multi-speed stream generated by an electron gun, which contains axially symmetric ring cathode-heating units (KPUs) inserted into each other with a gap, control electrodes and anode. CPUs have different potentials relative to the anode. The voltages supplied to the cathodes, the dimensions of the cathodes are determined by the parameters of the microwave device. The gaps between the CPU should provide electrical strength.

Технический результат - использование электронной пушки позволяет расширить полосу усиливаемого или генерируемого сигнала.EFFECT: use of an electron gun allows expanding the band of an amplified or generated signal.

Description

1. Наименование изобретения.1. The name of the invention.

Электронная пушка.Electron gun.

2. Область техники, к которой относится изобретение.2. The technical field to which the invention relates.

Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники, к приборам СВЧ типа О. Электронная пушка может быть применена в лампах бегущей волны, лампах обратной волны, клистронах и др.The alleged invention relates to the field of electronic engineering, to microwave devices of type O. An electron gun can be used in traveling wave tubes, backward wave tubes, klystrons, etc.

3. Уровень техники.3. The prior art.

В настоящее время ЛБВ и клистроны, как усилители СВЧ сигнала, находят широкое применение в наземной и бортовой радиолокации, системах спутниковой связи и других информационных системах. ЛБВ со спиральными замедляющими системами имеют наиболее широкую полосу частот усиливаемого сигнала, однако существенно ограничены по величине выходной мощности из-за низкой теплорассеивающей способности спирали. Развитие микроволновой электроники больших мощностей привело к созданию мощных приборов на резонансных замедляющих системах, например, ЛБВ на цепочке связанных резонаторов. Они позволяют получить значения выходной мощности существенно превышающие величины мощности в случае спиральных ЛБВ. Однако, мощные ЛБВ имеют меньшую полосу усиления. Клистроны - наиболее мощные СВЧ усилители, но наименее широкополосные.At present, TWT and klystrons, as microwave signal amplifiers, are widely used in ground and airborne radar, satellite communication systems, and other information systems. TWTs with spiral moderators have the widest frequency band of the amplified signal, however, they are significantly limited in terms of output power due to the low heat dissipation ability of the spiral. The development of high-power microwave electronics has led to the creation of powerful devices on resonant moderators, for example, TWTs on a chain of coupled resonators. They make it possible to obtain output power values significantly exceeding the power values in the case of spiral TWTs. However, powerful TWTs have a smaller gain band. Klystrons are the most powerful microwave amplifiers, but the least broadband ones.

Для генерации мощного микроволнового излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн нашли применение лампы обратной волны, релятивистские генераторы поверхностной волны, также многоволновые черепковские генераторы, где полосы генерируемых частот To generate high-power microwave radiation in the centimeter and millimeter wavelength ranges, backward-wave lamps, relativistic surface-wave generators, and multi-wave Cerenkov oscillators, where the frequency bands are generated, have been used

также ограничены конструктивными возможностями резонансных замедляющих систем.also limited by the design capabilities of resonant moderators.

4. Раскрытие изобретения.4. Disclosure of the invention.

Актуальной проблемой в настоящее время является создание мощных СВЧ усилителей с широкой полосой усиливаемого сигнала. Расчеты ЛБВ [1] показывают, что расширить полосу усиления можно используя разноскоростной пучок. При взаимодействии пучка с полем замедляющей системы возникают полосы усиления таких частот сигнала, фазовые скорости волн которых находятся в синхронизме с каждой скоростной составляющей электронного пучка. Увеличение взаимодействия между пучком и полем приводит к заметному увеличению и перекрытию отдельных полос усиления и образованию единой широкой полосы усиления сигнала. Одновременно происходит взаимодействие полей разноскоростного модулированного пучка в пространстве дрейфа электронов [2] и передача энергии между слоями пучка, что может быть использовано в клистронах.An urgent problem at present is the creation of powerful microwave amplifiers with a wide band of the amplified signal. The TWT calculations [1] show that it is possible to expand the gain band using a different-speed beam. When the beam interacts with the field of the slow-wave system, amplification bands of such signal frequencies appear whose phase wave velocities are in synchronism with each velocity component of the electron beam. An increase in the interaction between the beam and the field leads to a noticeable increase and overlap of individual gain bands and the formation of a single wide signal gain band. At the same time, the fields of a different-speed modulated beam interact in the electron drift space [2] and the energy is transferred between the layers of the beam, which can be used in klystrons.

Для расширения полосы ЛБВ необходимо на входе замедляющей системы иметь многоскоростной пучок. Такой пучок должна сформировать электронная пушка. Известные пушки типа Пирса, состоящие из катода, анода и фокусирующего электрода, пушки с управлением или модуляцией пучка по фокусирующему электроду, пушки с сеткой, пушки с кольцевым катодом и управлением по штырю и фокусирующему электроду, пушки с промежуточным анодом, а также многолучевые пушки с единым потенциалом эмитирующих поверхностей, не позволяют сформировать многоскоростной электронный пучок [3].To expand the TWT band, it is necessary to have a multi-speed beam at the input of the slowing system. Such a beam should form an electron gun. Known Pierce-type guns consisting of a cathode, anode, and a focusing electrode, guns with beam control or modulation on the focusing electrode, guns with a grid, guns with a ring cathode and pin-focusing electrode control, guns with an intermediate anode, and multi-beam guns with single potential emitting surfaces, do not allow the formation of a multi-speed electron beam [3].

Многоскоростной пучок можно реализовать используя эмитирующие поверхности катодов с различными потенциалами относительно анода, тем самым обеспечить различные напряжения ускорения для слоев пучка. Для получения многоскоростного пучка необходимо несколько электрически изолированных катодно-подогревательных узлов (КПУ), при этом A multi-speed beam can be realized using emitting surfaces of the cathodes with different potentials relative to the anode, thereby providing different acceleration voltages for the beam layers. To obtain a multi-speed beam, several electrically isolated cathode-heating units (KPUs) are required, while

потенциалы КПУ относительно анода и соотношение площадей эмитирующих поверхностей катодов определяются, соответственно, фазовыми скоростями волн, для которых обеспечивается условие синхронизма со скоростью слоев электронов и величинами требуемых токов, которые должны обеспечить расширение полосы усиления по сравнению с односкоростным пучком. Зазоры между КПУ должны обеспечивать необходимую электрическую прочность. Внутренний КПУ с наименьшим диаметром может быть выполнен со сплошным катодом или кольцевым, во внутреннем отверстии которого расположен штыревой управляющий электрод, электрически связанный с другим управляющим электродом или изолированный от него, для обеспечения бессеточного управления электронным пучком. Вариант со сплошным внутренним катодом может быть использован в случае, если нет ограничения по напряжению управляющих электродов или в пушках с анодной модуляцией. За катодами расположен фокусирующий - управляющий электрод и анод.the potentials of the CPU relative to the anode and the ratio of the areas of the emitting surfaces of the cathodes are determined, respectively, by the phase velocities of the waves, for which the condition of synchronism with the speed of the electron layers and the values of the required currents, which should provide an extension of the gain band compared to a single-speed beam, is ensured. The gaps between the control must provide the necessary electrical strength. The inner CPU with the smallest diameter can be made with a solid cathode or ring, in the inner hole of which there is a pin control electrode, electrically connected to or isolated from another control electrode, to ensure grid-free electron beam control. The option with a solid internal cathode can be used if there is no restriction on the voltage of the control electrodes or in guns with anode modulation. Behind the cathodes is a focusing - control electrode and anode.

Электроны, вылетающие из катодов с различными потенциалами относительно анода, попадают в ускоряющие поля пространства катоды - анод. Траектория движения электронов при этом формируется формой анода, фокусирующих и управляющих электродов, потенциалы которых могут иметь потенциал одного из катодов или отличный от них с целью управления, модуляции пучка или использования других особенностей электронной пушки. Для получения электронного пучка требуемой пространственной и временной конфигурации расчетным путем подбираются геометрические размеры электродов пушки при заданных потенциалах электродов, обеспечивая на входе в резонаторную систему требуемые размеры пучка, углы сходимости и распределение скоростей электронов.Electrons emitted from the cathodes with different potentials relative to the anode fall into the accelerating fields of the cathode - anode space. In this case, the electron trajectory is formed by the shape of the anode, focusing and control electrodes, the potentials of which may have the potential of one of the cathodes or different from them for the purpose of controlling, modulating the beam, or using other features of the electron gun. To obtain an electron beam of the required spatial and temporal configuration, the geometrical sizes of the gun electrodes are selected by calculation at given electrode potentials, providing the required beam sizes, convergence angles, and electron velocity distribution at the entrance to the resonator system.

5. Перечень фигур.5. The list of figures.

Фиг.1. Электронная пушка с кольцевыми КПУ.Figure 1. Electronic gun with ring CPU.

Фиг.2. Электронная пушка с кольцевыми КПУ без центрального отверстия внутреннего КПУ.Figure 2. An electron gun with ring KPUs without a central opening of the internal KPU.

6. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.6. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Электронная пушка, показанная на фиг.1 состоит из катодно-подогревательных узлов кольцевого типа (1), штыря (управляющего электрода) (3), управляющего (фокусирующего) электрода (4), анода (5).The electron gun shown in Fig. 1 consists of cathode-heating units of the ring type (1), a pin (control electrode) (3), a control (focusing) electrode (4), anode (5).

Электронная пушка, показанная на фиг.2 состоит из катодно-подогревательных узлов кольцевого типа (1), катодно-подогревательного узла без центрального отверстия (2), штыря (управляющего электрода) (3), управляющего (фокусирующего) электрода (4), анода (5).The electron gun shown in figure 2 consists of a cathode-heating unit of the ring type (1), a cathode-heating unit without a central hole (2), a pin (control electrode) (3), a control (focusing) electrode (4), anode (5).

КПУ пушки имеют различные потенциалы относительно анода, которые определяются напряжением взаимодействия слоев пучка (6) с полями резонансной замедляющей системы. Поэтому:The gun’s CPUs have different potentials relative to the anode, which are determined by the interaction voltage of the beam layers (6) with the fields of the resonant moderator. Therefore:

- каждый КПУ имеет свой подогреватель (для термоэлектронных катодов), вывод подогревателя и источник питания подогревателя,- each KPU has its own heater (for thermionic cathodes), heater output and heater power supply,

- зазоры между КПУ должны обеспечивать достаточную электрическую прочность для исключения пробоев.- the gaps between the CPU should provide sufficient dielectric strength to avoid breakdowns.

Площади эмитирующих поверхностей КПУ определяются допустимой плотностью токоотбора и величиной тока, необходимого для получения выходных параметров прибора. Допустимая нагрузка на катоды (удельная плотность токоотбора) выбирается исходя из режимов работы пушки: непрерывный, квазинепрерывный, импульсный.The area of the emitting surfaces of the control unit is determined by the permissible current collection density and the amount of current required to obtain the output parameters of the device. The permissible load on the cathodes (specific current collection density) is selected based on the operating modes of the gun: continuous, quasi-continuous, pulsed.

Формы эмитирующих поверхностей КПУ, управляющих электродов и анода определяются в результате расчета пушки. Изменяя геометрические размеры и электрические потенциалы электродов пушки, выбираются требуемые размеры и ток пучка, ламинарность потока, зазоры между электродами, обеспечивающие электрическую прочность.The shapes of the emitting surfaces of the CPU, the control electrodes and the anode are determined by calculating the gun. By changing the geometric dimensions and electric potentials of the gun’s electrodes, the required sizes and beam current, laminar flow, and gaps between the electrodes, providing electric strength, are selected.

Модуляция пучка электронов может осуществляться как с помощью катодно-анодного напряжения, так и с помощью напряжения, подаваемого на Modulation of the electron beam can be carried out using either the cathode-anode voltage or the voltage applied to

штырь (3) и фокусирующий электрод (4), которые в этом случае называются управляющими электродами. Запирающее напряжение подается на электроды 3, 4.a pin (3) and a focusing electrode (4), which in this case are called control electrodes. The locking voltage is applied to the electrodes 3, 4.

В случае, когда нет необходимости в низковольтном управлении пучком, можно использовать внутренний КПУ пушки без центрального отверстия.In the case where there is no need for low-voltage beam control, you can use the internal gun control gear without a central hole.

7. Библиографические данные.7. Bibliographic data.

1. Евдокимов Ю.В., Мозговой Ю.Д., Тисов И.Н., Хриткин С.А. Исследование усиления в мощных ЛБВ на резонансных замедляющих системах. Труды VII межвузовской научной школы «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, НИЯФ, МГУ, 2006.1. Evdokimov Yu.V., Mozgovoy Yu.D., Tisov I.N., Khritkin S.A. The study of amplification in powerful TWTs on resonant moderators. Proceedings of the VII inter-university scientific school "Concentrated energy flows in space technology, electronics, ecology and medicine." Moscow, NRNP, Moscow State University, 2006.

2. Труды VI межвузовской научной школы «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, НИЯФ, МГУ, 2005.2. Proceedings of the VI inter-university scientific school "Concentrated energy flows in space technology, electronics, ecology and medicine." Moscow, NNPI, Moscow State University, 2005.

3. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. Л., 1972 г.3. Molokovsky S. I., Sushkov A. D. Intense electron and ion beams. L., 1972

Claims

1. An electron gun containing a cathode, a control electrode, an anode, characterized in that it contains several axially symmetric ring cathodes inserted into each other with gaps, the inner cathode with the smallest diameter is solid, while the axis of symmetry of all cathodes coincide.

2. An electron gun containing a ring cathode, control electrodes, an anode, characterized in that it contains several axially symmetric ring cathodes inserted into each other with gaps, while the axis of symmetry of all the cathodes coincide.