RU213253U1

RU213253U1 - Magnetron electron gun cathode

Info

Publication number: RU213253U1
Application number: RU2022103692U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Вячеславович Воронин; Артем Николаевич Максимов; Артем Юрьевич Романов
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2022-08-31

Abstract

Полезная модель относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использована при разработке мощных источников радиочастотного излучения и ускорителей заряженных частиц. Для этих применений актуальной является задача формирования интенсивных трубчатых электронных пучков, обладающих высокой однородностью тока по сечению. Технический результат достигается тем, что в отличие от известного катода магнетронной электронной пушки, находящегося в магнитном поле и подключенного к источнику высокого напряжения и имеющего вид усеченного конуса, боковая поверхность которого является источником электронов, в предложенном катоде магнетронной электронной пушки боковая поверхность катода, являющаяся источником электронов и имеющая вид усеченного конуса, образована набором неравномерно расположенных эмиттеров, геометрия и взаимное положение которых обеспечивает равенство напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров. Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение равномерности тока с поверхности катода и, как следствие, однородности тока по сечению электронного пучка, 1 ил.

The utility model relates to high-voltage pulse technology and can be used in the development of powerful sources of radio frequency radiation and charged particle accelerators. For these applications, the problem of forming intense tubular electron beams with a high current uniformity over the cross section is topical. The technical result is achieved by the fact that, unlike the known magnetron electron gun cathode, located in a magnetic field and connected to a high voltage source and having the form of a truncated cone, the side surface of which is a source of electrons, in the proposed magnetron electron gun cathode, the side surface of the cathode, which is a source electrons and having the form of a truncated cone, formed by a set of unevenly located emitters, the geometry and mutual position of which ensures the equality of the electric field strength at the tops of the emitters. The expected technical result of the proposed solution is to increase the uniformity of the current from the cathode surface and, as a result, the uniformity of the current over the cross section of the electron beam, 1 fig.

Description

Полезная модель относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использована при разработке мощных источников радиочастотного излучения и ускорителей заряженных частиц. Для этих применений актуальной является задача формирования интенсивных трубчатых электронных пучков, обладающих высокой однородностью тока по сечению.The utility model relates to high-voltage pulse technology and can be used in the development of powerful sources of radio frequency radiation and charged particle accelerators. For these applications, the problem of forming intense tubular electron beams with a high current uniformity over the cross section is topical.

Одним из устройств, позволяющих формировать такие пучки, является магнетронная пушка. В основе функционирования такой пушки лежит движение эмитируемых катодом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. При этом катод, как правило, делается конусным, за счет чего электрическое поле у поверхности катода имеет составляющую, направленную вдоль оси катода. За счет этой составляющей эмитируемые электроны вытягиваются из электронной пушки.One of the devices that make it possible to form such beams is a magnetron gun. The operation of such a gun is based on the movement of electrons emitted by the cathode in crossed electric and magnetic fields. In this case, the cathode, as a rule, is made conical, due to which the electric field near the cathode surface has a component directed along the cathode axis. Due to this component, the emitted electrons are pulled out of the electron gun.

В качестве источника электронов в магнетронных пушках классических (промышленных) мощных СВЧ-приборов используется термокатод, который обеспечивает плотность тока с поверхности на уровне 5…10 А/см². Имеются сообщения, что пушки такого типа в составе мощных клистронов формировали пучки с первеансом до 9×10^-6А/В^3/2. Однако дальнейшее продвижение в сторону увеличения интенсивности трубчатых пучков ограничивается эмиссионной способностью термокатода. Для дальнейшего увеличения тока пучка, а значит и первеанса, который является мерой его интенсивности, необходимо либо существенно увеличивать площадь боковой эмитирующей поверхности, либо переходить к другим явлениям, лежащими в основе эмиссии электронов. Увеличение длины конусного катода в термоэмиссионных магнетронных пушках является нецелесообразным, поскольку в этом случае конусность катода становится недопустимо малой, либо при сохранении конусности оптимальной, недопустимо большой становится радиальная толщина пучка. Кроме того, чрезмерное увеличение эмитируемой поверхности с неизбежностью увеличивает неоднородность эмиссии электронов.As a source of electrons in magnetron guns of classical (industrial) powerful microwave devices, a thermal cathode is used, which provides a current density from the surface at a level of 5...10 A/cm ² . There are reports that guns of this type in the composition of powerful klystrons formed beams with perveance up to 9×10 ^-6 A/B ^3/2 . However, further progress towards increasing the intensity of tubular beams is limited by the emissivity of the hot cathode. To further increase the beam current, and hence the perveance, which is a measure of its intensity, it is necessary either to significantly increase the area of the lateral emitting surface, or to move on to other phenomena underlying electron emission. An increase in the length of the cone cathode in thermionic magnetron guns is impractical, since in this case the cathode taper becomes unacceptably small, or while maintaining the optimal taper, the radial beam thickness becomes unacceptably large. In addition, an excessive increase in the emitted surface inevitably increases the inhomogeneity of the electron emission.

Данную проблему повышения тока (интенсивности) электронного пучка, формируемого магнетронной пушкой, можно решить за счет использования явления взрывной электронной эмиссии, которая обеспечивает плотность тока электронов с поверхности на несколько порядков выше, чем термоэмиссия. Это позволяет формировать тонкие в радиальном направлении пучки при относительно небольшой эмитирующей поверхности. Однако наличие конусности, и участков, не являющихся эмитирующими, приводит к неоднородности напряженности ускоряющего поля на поверхности катода. (Электронные пучки и электронные пушки./ И.В. Алямовский.- Советское радио. М - 1966, с. 299). Это, в свою очередь, ведет к неравномерности эмиссии электронов с поверхности катода и плотности тока электронного пучка по сечению. Другим негативным следствием неоднородности эмиссии является неравномерность эрозии катода.This problem of increasing the current (intensity) of the electron beam generated by the magnetron gun can be solved by using the phenomenon of explosive electron emission, which provides the electron current density from the surface by several orders of magnitude higher than thermal emission. This makes it possible to form radially thin beams with a relatively small emitting surface. However, the presence of a taper and areas that are not emitting leads to inhomogeneity of the accelerating field strength on the cathode surface. (Electron beams and electron guns. / I.V. Alyamovsky. - Soviet radio. M - 1966, p. 299). This, in turn, leads to uneven emission of electrons from the cathode surface and the electron beam current density over the cross section. Another negative consequence of the inhomogeneity of emission is the non-uniformity of cathode erosion.

За прототип, наиболее близкий к решаемой задаче, выбрана конструкция магнетронной высокопервеансной электронной пушки, представленная в патенте РФ №2562798 (А.А. Борисов и др. Сверхмощный СВЧ прибор клистронного типа//Опубл. 10.09.2015 г. бюлл. №25). Эмитирующая поверхность термокатода электронной пушки выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида, в котором пушка расположена.For the prototype closest to the problem being solved, the design of a magnetron high-perveance electron gun, presented in the patent of the Russian Federation No. 2562798 (A.A. Borisov et al. Heavy-duty microwave device of the klystron type / / Published on September 10, 2015, bull. No. 25) was chosen . The emitting surface of the hot cathode of the electron gun is made in the form of a lateral surface of a truncated cone, the axis of which is parallel to the axis of the solenoid in which the gun is located.

Недостатком катода электронной пушки, выбранного в качестве прототипа, является неравномерность напряженности электрического поля на его поверхности, ведущая к неравномерности тока эмиссии по площади катода.The disadvantage of the cathode of the electron gun, selected as a prototype, is the non-uniformity of the electric field strength on its surface, leading to non-uniformity of the emission current over the area of the cathode.

Техническая проблема состоит в совершенствовании конструкции катода магнетронной пушки, причем в качестве перспективного направления развития выбрано совершенствование конструкции катода на основе явления взрывной электронной эмиссии.The technical problem is to improve the design of the cathode of the magnetron gun, and as a promising direction of development, the improvement of the design of the cathode based on the phenomenon of explosive electron emission has been chosen.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение равномерности тока с поверхности катода и, как следствие, однородности тока по сечению электронного пучка.The expected technical result of the proposed solution is to increase the uniformity of the current from the cathode surface and, as a consequence, the uniformity of the current over the cross section of the electron beam.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного катода магнетронной электронной пушки, находящегося в магнитном поле и подключенного к источнику высокого напряжения и имеющего вид усеченного конуса, боковая поверхность которого является источником электронов, в предложенном катоде магнетронной электронной пушки боковая поверхность катода, являющаяся источником электронов и имеющая вид усеченного конуса, образована набором неравномерно расположенных эмиттеров, геометрия и взаимное положение которых обеспечивает равенство напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров.The technical result is achieved by the fact that, unlike the known magnetron electron gun cathode, located in a magnetic field and connected to a high voltage source and having the form of a truncated cone, the side surface of which is a source of electrons, in the proposed magnetron electron gun cathode, the side surface of the cathode, which is a source electrons and having the form of a truncated cone, formed by a set of unevenly located emitters, the geometry and mutual position of which ensures the equality of the electric field strength at the tops of the emitters.

Выбор в качестве обоснованного направления развития -усовершенствования катода на основе явления взрывной эмиссии -обусловлено следующим. Достижение повышения тока (интенсивности) электронного пучка, формируемого магнетронной пушкой, за счет использования явления взрывной электронной эмиссии возможно, так как взрывная эмиссия обеспечивает плотность тока электронов с поверхности на несколько порядков выше, чем термоэмиссия, имеющая место в прототипе. При взрывной эмиссии эмитирующую поверхность чаще всего образует набор острий или лезвий (эмиттеров), протекание автоэмиссионного тока через которые приводит к микровзрывам их вершин. При этом образуется плазменная поверхность, которая и служит источником электронов. Для получения однородной эмиссии должно быть обеспечено равенство напряженности электрического поля на их вершинах.The choice as a reasonable direction of development - improvement of the cathode based on the phenomenon of explosive emission - is due to the following. Achieving an increase in the current (intensity) of the electron beam generated by the magnetron gun, by using the phenomenon of explosive electron emission, is possible, since explosive emission provides an electron current density from the surface several orders of magnitude higher than thermal emission that occurs in the prototype. During explosive emission, the emitting surface is most often formed by a set of points or blades (emitters), the flow of field emission current through which leads to microexplosions of their tips. In this case, a plasma surface is formed, which serves as a source of electrons. To obtain uniform emission, the electric field strength at their peaks must be equal.

При выборе параметров набора нерегулярно расположенных на поверхности катода эмиттеров необходимо руководствоваться следующим. Известно, что напряженность поля на вершине эмиттера взрывоэмиссионного катода Е определяется прикладываемым от источника напряжением U, зазором анод-катод d, и коэффициентом усиления поля μ на вершине эмиттера. Таким образом, приближенно E=μU/d. Так как катод магнетронной пушки является конусным, то напряженность электрического поля от внешнего источника (E=U/d) на поверхности катода не является постоянной. В свою очередь, коэффициент усиления является функцией диаметра (толщины для лезвия) эмиттера, его высоты над поверхностью катода, к которой он крепится, и расстояния между соседними эмиттерами (Электронные пучки большого сечения. / С.П. Бугаев, Ю.Е. Крейнпель, П.М. Шанин. - Энергоатомиздат. М 1984, с. 80). В итоге, за счет изменения формы (геометрии) и взаиморасположения эмиттеров на конусной поверхности катода, можно обеспечить постоянство напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров, что автоматически ведет к равномерной эмиссии электронов по площади и, как следствие, однородности по сечению тока электронного пучка.When choosing the parameters of a set of emitters irregularly located on the cathode surface, one should be guided by the following. It is known that the field strength at the top of the emitter of the explosive cathode E is determined by the voltage U applied from the source, the anode-cathode gap d, and the field gain μ at the top of the emitter. Thus, approximately E=μU/d. Since the cathode of the magnetron gun is conical, the electric field strength from an external source (E=U/d) on the cathode surface is not constant. In turn, the gain is a function of the diameter (thickness for the blade) of the emitter, its height above the cathode surface to which it is attached, and the distance between adjacent emitters (Large-section electron beams. / S.P. Bugaev, Yu.E. Kreinpel , P. M. Shanin - Energoatomizdat M 1984, p. 80). As a result, by changing the shape (geometry) and mutual arrangement of the emitters on the conical surface of the cathode, it is possible to ensure the constancy of the electric field strength at the tops of the emitters, which automatically leads to uniform electron emission over the area and, as a consequence, uniformity over the cross section of the electron beam current.

Таким образом, для повышения равномерности тока с поверхности катода необходимо обеспечить возможность регулировки напряженности электрического поля на вершинах эмиттеров. Эта регулировка может осуществляться как за счет изменения плотности размещения эмиттеров по поверхности катода, так и высоты эмиттеров над поверхностью.Thus, to increase the uniformity of the current from the cathode surface, it is necessary to provide the possibility of adjusting the electric field strength at the tops of the emitters. This adjustment can be carried out both by changing the density of the emitters on the cathode surface and the height of the emitters above the surface.

На фиг. представлена схема взрывоэмиссионного катода магнетронной пушки, выполненного в соответствии с предложенной конструкцией, гдеIn FIG. the scheme of the explosive emission cathode of the magnetron gun is presented, made in accordance with the proposed design, where

1 - катод;1 - cathode;

2 - боковая поверхность катода;2 - side surface of the cathode;

3 - эмиттеры;3 - emitters;

4 - источник высокого напряжения;4 - high voltage source;

5 - источник магнитного поля;5 - source of magnetic field;

6 - анод.6 - anode.

Электронная магнетронная пушка с заявляемым катодом реализована следующим образом. Конусная поверхность катода 1 состоит из набора чередующихся дистанционных не эмитирующих колец с конусной боковой частью, между которыми размещаются эмиттеры 3. Высота дистанционных колец, образующих боковую поверхность катода 2, различна и увеличивается с ростом диаметра катода (в направлении подключенного источника питания). Эмиттеры представляют собой круглые диски, изготовленные из вольфрамовой сетки с толщиной проволок 50 мкм, при этом эмиссия электронов осуществляется с вершин проволок сетки, направленных в промежуток анод-катод. Плоскость сетки и, соответственно, вершины проволок сетки ориентированы перпендикулярно оси катода. Диаметр дисков-эмиттеров меняется таким образом, что расстояние от вершины острия до конусной поверхности катода остается одинаковым и составляет 3 мм. Таким образом, регулировка напряженности поля на вершинах эмиттеров осуществляется за счет нерегулярного размещения эмиттеров на поверхности катода, что приводит к изменению коэффициента усиления поля. Катод пушки окружен цилиндрическим анодом 6, между анодом и катодом от источника напряжения 4 прикладывается высоковольтный импульс. Вся конструкция помещается в магнитное поле, источником 5 которого служит соленоид.Electronic magnetron gun with the proposed cathode is implemented as follows. The conical surface of cathode 1 consists of a set of alternating spacer non-emitting rings with a tapered side part, between which emitters 3 are placed. The height of the spacer rings forming the side surface of cathode 2 is different and increases with increasing cathode diameter (in the direction of the connected power source). The emitters are round disks made of a tungsten grid with a wire thickness of 50 µm, while the emission of electrons is carried out from the tops of the grid wires directed into the anode-cathode gap. The plane of the grid and, accordingly, the tops of the wires of the grid are oriented perpendicular to the cathode axis. The diameter of the emitter disks is changed in such a way that the distance from the top of the tip to the conical surface of the cathode remains the same and is 3 mm. Thus, the adjustment of the field strength at the tops of the emitters is carried out due to the irregular placement of the emitters on the cathode surface, which leads to a change in the field gain. The cathode of the gun is surrounded by a cylindrical anode 6, a high-voltage pulse is applied between the anode and the cathode from a voltage source 4. The entire structure is placed in a magnetic field, the source 5 of which is a solenoid.

Электронная пушка с заявляемым катодом работает следующим образом. При подаче на катод относительно анода высоковольтного импульса отрицательной полярности напряженность поля на вершинах проволочных эмиттеров увеличивается в соответствии с выбранным диаметром проволок, высотой их над поверхностью катода и расстоянием между соседними дисками до величины порядка 200 кВ/см. При данном уровне напряженности с вершин начинается автоэлектронная эмиссия, ток которой вызывает их быстрый нагрев и взрыв. Плотность образующейся плазмы, а соответственно, и ток, который вытягивается с нее, определяется напряженностью электрического поля на вершине острия. Таким образом, выбор оптимального неравномерного размещения эмитирующих колец на поверхности катода позволяет компенсировать за счет переменного коэффициента усиления на вершинах эмиттеров неравномерность напряженности электрического поля на катоде от приложенного к промежутку анод-катод напряжения. В результате на поверхности катода образуется слой плазмы с равномерной по поверхности плотностью. Последнее обеспечивает однородность по сечению плотности тока электронного пучка.The electron gun with the inventive cathode works as follows. When a high-voltage pulse of negative polarity is applied to the cathode relative to the anode, the field strength at the tops of the wire emitters increases in accordance with the selected wire diameter, their height above the cathode surface, and the distance between adjacent disks to a value of the order of 200 kV/cm. At a given level of intensity, autoelectronic emission begins from the peaks, the current of which causes their rapid heating and explosion. The density of the resulting plasma, and, accordingly, the current that is drawn from it, is determined by the strength of the electric field at the top of the tip. Thus, the choice of the optimal non-uniform placement of the emitting rings on the cathode surface makes it possible to compensate, due to the variable gain at the tops of the emitters, the non-uniformity of the electric field strength at the cathode from the voltage applied to the anode-cathode gap. As a result, a plasma layer with a density uniform over the surface is formed on the cathode surface. The latter ensures uniformity of the electron beam current density over the cross section.

Claims

The cathode of a magnetron electron gun located in a magnetic field and connected to a high voltage source and having the form of a truncated cone, the side surface of which is the source of electrons, characterized in that the side surface of the cathode, which is the source of electrons and having the form of a truncated cone, is formed by a set of irregularly located emitters , the geometry and mutual position of which ensure the equality of the electric field strength at the tops of the emitters.