RU2485618C1 - Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection - Google Patents
Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection Download PDFInfo
- Publication number
- RU2485618C1 RU2485618C1 RU2011152844/07A RU2011152844A RU2485618C1 RU 2485618 C1 RU2485618 C1 RU 2485618C1 RU 2011152844/07 A RU2011152844/07 A RU 2011152844/07A RU 2011152844 A RU2011152844 A RU 2011152844A RU 2485618 C1 RU2485618 C1 RU 2485618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrons
- matrix
- gap
- channels
- electron
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронным электровакуумным генераторам с отражением электронного потока, работающим в коротковолновой части микроволнового диапазона.The invention relates to the field of electronic technology, in particular to microelectronic electro-vacuum generators with reflection of the electron beam, operating in the short-wave part of the microwave range.
Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.The prior art in this area is characterized by publications in the public literature, including the information below.
Известна конструкция электровакуумного генератора с отражением электронного потока, например отражательного клистрона [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.II. М.: издательство «Высшая школа», 1972, с.172].A known design of an electrovacuum generator with reflection of an electron stream, for example a reflective klystron [Lebedev I.V. Technique and instruments of superhigh frequencies. T.II. M .: publishing house "Higher School", 1972, p.172].
Этот прибор состоит из источника первичных электронов-термокатода, ускоряющего электрода-анода, объемного резонатора с сеточным зазором и отражателя, на который первичные электроны не попадают. Причем влияние вторичных электронов, выбиваемых первичными электронами из сетки, на общий ток пучка электронов невелико. Подобные устройства могут генерировать колебания дециметрового и сантиметрового диапазонов и позволяют получить мощность порядка долей ватта при электронном КПД до 2-3%.This device consists of a source of primary electrons — a thermal cathode, an accelerating electrode — anode, a cavity resonator with a grid gap, and a reflector onto which primary electrons do not fall. Moreover, the influence of secondary electrons knocked out by the primary electrons from the grid on the total current of the electron beam is small. Such devices can generate oscillations of the decimeter and centimeter ranges and make it possible to obtain power on the order of fractions of a watt with an electronic efficiency of up to 2-3%.
Однако при работе в коротковолновой части микроволнового диапазона выходная мощность таких устройств уменьшается пропорционально квадрату рабочей частоты, и электронный КПД в диапазоне 10-100 ГГц обычно не превышает одного процента.However, when operating in the short-wave part of the microwave range, the output power of such devices decreases in proportion to the square of the operating frequency, and the electronic efficiency in the range of 10-100 GHz usually does not exceed one percent.
При таком низком электронном КПД мощность накала термокатода становится сравнимой с выходной мощностью. Поэтому такие конструкции не нашли широкого применения.With such a low electronic efficiency, the thermal cathode glow power becomes comparable to the output power. Therefore, such designs are not widely used.
Можно, в известной степени, устранить этот недостаток, если выполнить отражательный клистрон по технологии вакуумных интегральных схем (ВИС). ВИС - это микроэлектронные вакуумные лампы с размерами, близкими к размерам полупроводниковых транзисторов. Из-за более высокой скорости электронов (106…107 м/с) они обладают лучшими частотными свойствами, чем кремниевые транзисторы, характеризуются более высокой радиационной стойкостью.To a certain extent, this drawback can be eliminated by performing a reflective klystron using vacuum integrated circuit technology (VIS). VIS are microelectronic vacuum tubes with dimensions close to those of semiconductor transistors. Due to the higher electron velocity (10 6 ... 10 7 m / s), they have better frequency properties than silicon transistors and are characterized by higher radiation resistance.
В ВИС используются матрицы холодных катодов, работающие на принципе электростатической (автоэлектронной) эмиссии.VIS uses cold cathode arrays operating on the principle of electrostatic (field emission) emission.
Известна ВИС-микроэлектронный отражательный клистрон с матричным автоэмиссионным источником первичных электронов, получившая название «наноклистрон» (Design and fadrication of a THZ nanoklystron, Harish M. Manohara, Peter H. Siegel, Colleen Marrese Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA 91109, USA Baohe Chang, Jimmy Xu Brown University, Division of Engineering, Providence, RI, USA). Этот прибор предназначен для генерации электромагнитных колебаний в терагерцовом диапазоне. Наноклистрон состоит из матричного автоэмиссионного источника первичных электронов, управляющей сетки, объемного резонатора с сетками, отражателя особой формы и устройства связи с нагрузкой, снабженного диафрагмой связи. Все эти узлы размещены монолитно на двух кремниевых пластинах.Known VIS-microelectronic reflective klystron with a matrix field emission source of primary electrons, called "nanoclistron" (Design and fadrication of a THZ nanoklystron, Harish M. Manohara, Peter H. Siegel, Colleen Marrese Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA 91109, USA Baohe Chang, Jimmy Xu Brown University, Division of Engineering, Providence, RI, USA). This device is designed to generate electromagnetic waves in the terahertz range. Nanoclistron consists of a matrix field emission source of primary electrons, a control grid, a cavity resonator with grids, a special-shaped reflector, and a communication device with a load equipped with a communication diaphragm. All these nodes are placed monolithically on two silicon wafers.
Однако, несмотря на матричное исполнение, автоэмиссионный источник подобного устройства не позволяет получить большую плотность тока катода, что ограничивает выходную мощность микроволнового прибора.However, despite the matrix design, the field emission source of such a device does not allow to obtain a high cathode current density, which limits the output power of the microwave device.
Известно, что можно увеличить ток автоэлектронной эмиссии за счет вторично-эмиссионного тока. В патенте (US №2010045158 А1, опубл. 25.02.2010 Electron density controllable field emission devices) описано устройство электронного эмиттера с автоэлектронной эмиссией и управляемой плотностью электронного потока. Устройство включает в себя автоэмиссионный источник первичных электронов, источник вторичных электронов, представляющий собой пленку материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии, расположенную на внутренней поверхности диэлектрической трубы, управляющий электрод, анод. Автоэмиссионный источник первичных электронов в этом устройстве изготовлен из углеродных нанотрубок. За ним располагается диэлектрическая труба в форме конуса, причем поперечное сечение выходного конца пролетной трубы меньше чем поперечное сечение входного конца пролетной трубы. На внешней поверхности пролетной трубы расположен управляющий электрод, изготовленный из проводящего материала. Недостатком подобного устройства является то, что он эмитирует однолучевой электронный поток, что ограничивает выходную мощность устройства.It is known that it is possible to increase the field emission current due to the secondary emission current. In the patent (US No. 201045158 A1, publ. February 25, 2010 Electron density controllable field emission devices), an electronic emitter device with field emission and controlled electron density is described. The device includes a field emission source of primary electrons, a source of secondary electrons, which is a film of material with a large coefficient of secondary electron emission located on the inner surface of the dielectric tube, a control electrode, an anode. The field emission source of primary electrons in this device is made of carbon nanotubes. Behind it is a cone-shaped dielectric pipe, the cross section of the outlet end of the span pipe being smaller than the cross section of the inlet end of the span pipe. A control electrode made of a conductive material is located on the outer surface of the span pipe. The disadvantage of this device is that it emits a single-beam electron stream, which limits the output power of the device.
Известен ВИС-микротриод с автоэмиссионным источником первичных электронов (Microscale vacuum tube device and method for making same Patent № US 6987027 B2, опубл. Jan. 17.01.2006). Это устройство содержит автоэмиссионный источник первичных электронов и дополнительный источник вторичных электронов, выполненный в виде пластины с отверстиями для пролета первичного электронного потока, расположенной между управляющей сеткой и анодом. Стенки отверстия покрыты пленкой материала, имеющего большой коэффициент вторично-электронной эмиссии. Это обеспечивает существенное повышение плотности тока по сравнению с существующими автоэмиссионными источниками. Однако такое устройство не предназначено для работы в качестве микроволнового электровакуумного генератора.Known VIS microtriode with field emission source of primary electrons (Microscale vacuum tube device and method for making the same Patent No. US 6987027 B2, publ. Jan. 17.01.2006). This device contains a field emission source of primary electrons and an additional source of secondary electrons, made in the form of a plate with holes for the passage of the primary electron stream located between the control grid and the anode. The walls of the hole are covered with a film of material having a large coefficient of secondary electron emission. This provides a significant increase in current density compared to existing field emission sources. However, such a device is not intended to operate as a microwave electrovacuum generator.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ВИС-микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока. [Patent WO 2007/142419 A1, Jeon, Seok Gy, Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method, опубл. 13.12.2007], содержащий подложку с расположенным на ней матричным автоэмиссионным источником первичных электронов, управляющую мелкоструктурную сетку с каналами для пролета электронов, первую и вторую мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора; отражатель с расположенным на его поверхности источником вторичных электронов в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.Closest to the proposed device is a VIS-microwave electric vacuum generator with reflection of the electron beam. [Patent WO 2007/142419 A1, Jeon, Seok Gy, Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method, publ. December 13, 2007] containing a substrate with a matrix field emission source of primary electrons located on it, a control fine-grained grid with channels for the passage of electrons, the first and second fine-grained grids, which are located in the longitudinal direction along the direction of the electrons and form the capacitive gap of the cavity; a reflector with a source of secondary electrons located on its surface in the form of a thin film of material with a large coefficient of secondary electron emission.
Однако эффект увеличения тока в этом устройстве сравнительно невелик, так как на вторично-эмиссионное покрытие на отражателе попадают только самые быстрые электроны, прошедшие ВЧ зазор в положительный полупериод модулирующего напряжения, (источник электронов для наноклистрона должен обеспечивать плотность тока, по крайней мере 100 А/см2). Кроме того, этот прибор, при работе его в терагерцовом диапазоне длин волн, имеет пониженный КПД. Уменьшение КПД в значительной мере связано с нарушением, так называемого, условия «квазистационарности» резонатора, так как поперечные размеры сеток резонатора сравнимы с длиной волны. При этом напряженность ВЧ электрического поля, действующего в емкостном зазоре резонатора между первой и второй сетками, уменьшается в радиальном направлении при движении от центра емкостного зазора к его краю.However, the effect of increasing current in this device is relatively small, since only the fastest electrons that pass the RF gap in the positive half-period of the modulating voltage fall on the secondary-emission coating on the reflector (the electron source for the nanoclistron must provide a current density of at least 100 A / cm 2 ). In addition, this device, when operating in the terahertz wavelength range, has a reduced efficiency. The decrease in efficiency is largely due to the violation of the so-called “quasi-stationary” conditions of the resonator, since the transverse dimensions of the resonator grids are comparable to the wavelength. In this case, the strength of the HF electric field acting in the capacitive gap of the resonator between the first and second grids decreases in the radial direction when moving from the center of the capacitive gap to its edge.
В результате электроны, проходящие по центру емкостного зазора, испытывают бóльшую скоростную модуляцию, чем электроны, проходящие емкостный зазор по его краю. В результате эффекта «расслоения» электронов ухудшается группировка и электронный КПД падает.As a result, electrons passing through the center of the capacitive gap experience greater velocity modulation than electrons passing through the capacitive gap along its edge. As a result of the “stratification” effect of electrons, the grouping worsens and the electronic efficiency decreases.
Этот микроволновый электровакуумный генератор взят нами за прототип.This microwave electrovacuum generator is taken by us as a prototype.
Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД и выходной мощности микроволнового электровакуумного генератора с отражением электронного потока путем значительного увеличения плотности общего тока электронов в приборе. Поставленная задача достигается за счет создания дополнительного источника вторичных электронов, а также за счет выполнения емкостного зазора в радиальном направлении неравномерным, так что величина зазора в его центре больше, чем величина зазора на его краю.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency and output power of the microwave electro-vacuum generator with reflection of the electron beam by significantly increasing the density of the total electron current in the device. The task is achieved by creating an additional source of secondary electrons, as well as by making the capacitive gap in the radial direction non-uniform, so that the gap in its center is larger than the gap at its edge.
Микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока содержит подложку с расположенным на ней матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов, управляющую сетку с каналами для пролета электронов, первую и вторую мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора; отражатель с расположенной на его поверхности пленкой, являющейся источником вторичных электронов. Новым является то, что матрица автоэмиссионных источников первичных электронов разделена на несколько групп матриц, при этом боковые матрицы симметрично расположены на подложке относительно центральной матрицы; каналы для пролета электронов в управляющей сетке имеют поперечное сечение со стороны первой мелкоструктурной сетки меньшее, чем со стороны матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов, при этом форма поперечного сечения на входе и выходе каждого из каналов повторяют форму отдельной матрицы; боковые поверхности каналов покрыты пленкой материала с высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии и представляют собой дополнительный источник вторичных электронов; емкостный зазор объемного резонатора выполнен в радиальном направлении неравномерным, так что величина емкостного зазора в центре больше, чем величина зазора в центре емкостного зазора.The microwave electron vacuum generator with reflection of the electron flux contains a substrate with a matrix of field emission sources of primary electrons located on it, a control grid with channels for the passage of electrons, the first and second fine-structure grids, which are located in the longitudinal direction along the direction of the electrons and form a capacitive gap of the volume resonator; reflector with a film located on its surface, which is a source of secondary electrons. What is new is that the matrix of field emission sources of primary electrons is divided into several groups of matrices, while the side matrices are symmetrically located on the substrate relative to the central matrix; the channels for the passage of electrons in the control grid have a cross section from the side of the first fine-structure grid smaller than from the side of the matrix of field emission sources of primary electrons, while the shape of the cross section at the input and output of each channel repeats the shape of a separate matrix; the lateral surfaces of the channels are covered with a film of material with a high coefficient of secondary electron emission and represent an additional source of secondary electrons; the capacitive gap of the cavity resonator is non-uniform in the radial direction, so that the magnitude of the capacitive gap in the center is greater than the gap in the center of the capacitive gap.
Кроме этого каждая отдельная матрица может иметь в поперечном сечении форму квадрата, при этом каналы для пролета электронов в управляющей сетке имеют форму четырехгранной усеченной пирамиды, грани которой наклонены к подложке под углом.In addition, each individual matrix can have a square shape in cross section, while the channels for the passage of electrons in the control grid have the shape of a tetrahedral truncated pyramid, the edges of which are inclined to the substrate at an angle.
Кроме этого каждая отдельная матрица может иметь в поперечном сечении форму круга, а каналы для пролета электронов в управляющей сетке при этом имеют форму усеченного конуса.In addition, each individual matrix can have a circle shape in cross section, and the channels for the passage of electrons in the control grid in this case have the shape of a truncated cone.
Кроме того, боковые матрицы могут имеет в поперечном сечении фасолеобразную форму и боковые каналы для пролета электронов в управляющей сетке также имеют фасолеобразную форму.In addition, the side matrices may have a bean-shaped shape in cross section and the side channels for the passage of electrons in the control grid also have a bean-shaped shape.
Первая мелкоструктурная сетка выполнена в радиальном направлении ступенчато-неравномерной, при этом величина зазора в центре емкостного зазора выбрана из условия:The first fine-grained mesh is made in the radial direction stepwise uneven, while the gap in the center of the capacitive gap is selected from the condition:
d1=d2+δd 1 = d 2 + δ
0<δ/а<1,0 <δ / a <1,
где d1 - величина зазора в центре емкостного зазора,where d 1 - the value of the gap in the center of the capacitive gap,
d2 - величина зазора на краю емкостного зазора,d 2 - the value of the gap at the edge of the capacitive gap,
δ - величина ступенчатого углубления в центре емкостного зазора, мкм.δ is the value of the stepped recess in the center of the capacitive gap, microns.
а - радиальный размер ступенчатого углубления, мкм.and - the radial size of the stepped recess, microns.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция микроволнового электровакуумного генератора, на фиг.2 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов в форме усеченного конуса, на фиг.3 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов фасолевидной формы и центральным отверстием в форме усеченного конуса, на фиг.4 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов в форме четырехгранной усеченной пирамиды, на фиг.5 показано радиальное распределение напряженности электрического поля в резонаторе для трех случаев: а) δ=0; б) δ=0.5а; в) δ=а. На фиг.6 показана конструкция канала в управляющей сетке: а) для канала в форме четырехгранной усеченной пирамиды и б) для канала в форме усеченного конуса.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the design of a microwave electrovacuum generator, Fig. 2 shows the construction of a control grid with channels for the passage of electrons in the form of a truncated cone, Fig. 3 shows the construction of a control grid with channels for the passage of electrons of a bean-shaped and central a truncated cone-shaped hole, FIG. 4 shows the construction of a control grid with channels for the passage of electrons in the form of a tetrahedral truncated pyramid, FIG. 5 shows a radial distribution e of the electric field in the resonator for three cases: a) δ = 0; b) δ = 0.5a; c) δ = a. Figure 6 shows the design of the channel in the control grid: a) for the channel in the form of a tetrahedral truncated pyramid and b) for the channel in the form of a truncated cone.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - подложка, 2 - матрица автоэмиссионных источников первичных электронов, 3 - управляющая сетка, 4 - каналы для пролета электронов, 5 - первая мелкоструктурная сетка, 6 - вторая мелкоструктурная сетка, 7 - емкостный зазор объемного резонатора, 8 - объемный резонатор, 9 - отражатель, 10 - пленка, являющаяся источником вторичных электронов, 11 - верхняя кремниевая пластина объемного резонатора, 12 - устройство связи с внешней нагрузкой, 13 - вакуумно-плотное окно, 14 - нижняя кремниевая пластина объемного резонатора, 15 - первый источник питания, 16 - второй источник питания, 17 - третий источник питания, 18 - внутреннее покрытие объемного резонатора, 19 - пленка материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.The positions in the drawings indicate: 1 - substrate, 2 - matrix of field emission sources of primary electrons, 3 - control grid, 4 - channels for the passage of electrons, 5 - first fine-grained grid, 6 - second fine-grained grid, 7 - capacitive gap of the cavity, 8 - volume resonator, 9 - reflector, 10 - film, which is the source of secondary electrons, 11 - upper silicon plate of the cavity resonator, 12 - communication device with external load, 13 - vacuum-tight window, 14 - lower silicon plate of the cavity resonator, 15 - first a power source, 16 is a second power source, 17 is a third power source, 18 is an internal coating of the cavity resonator, 19 is a film of material with a large secondary electron emission coefficient.
Микроволновый электровакуумный генератор (фиг.1), содержит подложку 1, с расположенным на ней матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2, управляющую сетку 3 с каналами для пролета электронов 4, первую 5 и вторую 6 мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора 8, отражатель 9 с расположенной на его поверхности пленкой 10, являющейся источником вторичных электронов. Согласно изобретению матрица автоэмиссионных источников первичных электронов 2 разделена на несколько отдельных матриц, группами расположенных на подложке. Боковые матрицы расположены симметрично на одинаковом расстоянии относительно центральной матрицы. Группы боковых матриц автоэмиссионных источников первичных электронов 2 могут также быть объединены в одну матрицу фасолеобразной формы.Microwave electric vacuum generator (figure 1), contains a
Каналы для пролета электронов 4 в управляющей сетке 3 имеют поперечное сечение со стороны первой мелкоструктурной сетки резонатора 5 меньшее, чем со стороны матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов 2, причем форма поперечного сечения на входе и выходе каждого из каналов повторяют форму отдельной матрицы; боковые поверхности каналов покрыты пленкой материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии 19 и представляют собой дополнительный источник вторичных электронов. В зависимости от форм используемых матриц каналы в управляющей сетке могут иметь форму усеченного конуса (Фиг.2), могут быть фасолевидной формы (Фиг.3), либо могут быть в форме четырехгранной усеченной пирамиды (Фиг.4).The channels for the passage of
Емкостный зазор объемного резонатора 7 выполнен в радиальном направлении неравномерным (Фиг.1), так что величина зазора d1 в центре зазора больше, чем величина зазора d2 на его краю.The capacitive gap of the cavity resonator 7 is non-uniform in the radial direction (FIG. 1), so that the gap d 1 in the center of the gap is larger than the gap d 2 at its edge.
Наиболее просто это можно реализовать в конструкции прибора, в котором первая мелкоструктурная сетка 5 выполнена в радиальном направлении ступенчато-неравномерной, причем величина зазора d1 в центре емкостного зазора выбрана из соотношенияThis can be most simply realized in the design of the device in which the first fine-
d1=d2+δd 1 = d 2 + δ
0<δ/а<1,0 <δ / a <1,
где δ - величина ступенчатого углубления в центре емкостного зазора, мкм,where δ is the value of the stepped recess in the center of the capacitive gap, μm,
а - радиальный размер ступенчатого углубления, мкм.and - the radial size of the stepped recess, microns.
Каналы 4 в управляющей сетке могут иметь в поперечном сечении форму четырехгранной усеченной пирамиды (Фиг.6а), грани которой наклонены к подложке под углом, а каждая отдельная матрица имеет в поперечном сечении форму квадрата.The
Возможно выполнение каналов в управляющей сетке 4 в форме усеченного конуса (Фиг.6б), при этом диаметр каждой матрицы 2 равен минимальному диаметру канала в управляющей сетке.It is possible to execute channels in the
Первый источник питания 15, подключенный между управляющей сеткой 3 и матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2, обеспечивает автоэлектронную эмиссию и формирование первичного потока электронов с энергией, соответствующей максимуму коэффициента вторично-электронной эмиссии дополнительного источника вторичных электронов. Второй источник питания 16, обеспечивающий дополнительное ускорение электронного потока перед входом его в модуляторную зону, включен между матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2 и внутренним металлизированным покрытием резонатора 18. Третий источник питания 17 подключен между внутренним металлизированным покрытием резонатора 18 и отражателем 9 с расположенным на его поверхности источником вторичных электронов 10 в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентов вторично-электронной эмиссии.The first power source 15, connected between the
Индуктивная часть объемного резонатора 8 образована за счет выполнения на нижней и верхней кремниевой пластинах 11, 14 металлизированного покрытия 18, электрически соединенного с первой и второй мелкоструктурными сетками 5, 6. Емкостная часть объемного резонатора 6 определяется величиной высокочастотного зазора 7 между первой 5 и второй 6 мелкоструктурной сетками. Нижняя и верхняя кремниевые пластины, включая вакуумно-плотное окно 13, герметично соединены, так что весь прибор находится в вакуумной оболочке. Вывод СВЧ энергии осуществляется через устройство связи с внешней нагрузкой 12.The inductive part of the
Прибор работает следующим образом.The device operates as follows.
Между матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2 и управляющей сеткой 3 приложено ускоряющее напряжение первого источника питания 15, в результате чего осуществляется автоэлектронная эмиссия с матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2. Электронный поток, эмитированный с матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов 2, ускоряется управляющей сеткой 3, выполняющей также роль умножителя-концентратора электронов. Каналы для пролета электронов 4 в управляющей сетке 3 сужаются по направлению движения электронного потока. Так как стенки каналов покрыты пленкой 19 поликристаллического проводящего алмаза или другим типом материала с высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии, то при попадании на стенки каналов первичных электронов происходит вторичная электронная эмиссия. Первичный поток электронов, который проникает с каждой матрицы автоэмиссионного источника первичных электронов 2 в отверстие управляющей сетки 3 с широкой части, попадает на стенки отверстия 4 и генерирует вторичные электроны во вторично-эмиссионной пленке. Алогичные процессы происходят и в других отверстиях, выполненных в управляющей сетке 3. Например, для алмазной пленки коэффициент умножения первичных электронов оказывается не менее 7, а плотность тока на выходе умножителя-концентратора электронов может возрастать почти в 30 раз, при анодном напряжении около 20 В. Полный коэффициент умножения зависит от числа лучей, определяемых количеством матриц автоэмиссионного источника первичных электронов 2.Accelerating voltage of the first power source 15 is applied between the matrix of field emission sources of
Далее, пройдя через отверстия первой мелкоструктурной сетки 5 объемного резонатора 8, электронный поток ускоряется напряжением второго источника питания 16.Further, after passing through the holes of the first fine-
При прохождении электронного потока через первую и вторую мелкоструктурные сетки 5 и 6 объемного резонатора 8 в прямом направлении происходит модуляция электронов по скорости, которая затем в пространстве между второй мелкоструктурной сеткой 6 и отражателем 9 переходит в модуляцию по плотности.When the electron beam passes through the first and second fine-structured
На отражатель 9 подается отрицательный потенциал относительно металлизированного покрытия 18 объемного резонатора 8 с помощью третьего источника питания 17, в результате этого после пролета второй мелеоструктурной сетки электроны двигаются сначала в сторону отражателя 9, затем возвращаются в зазор резонатора 8. Причем на вторично-эмиссионное покрытие на отражателе 10 попадают только самые быстрые электроны, прошедшие ВЧ зазор в положительный полупериод модулирующего напряжения. Эти электроны вызывают вторично-электронную эмиссию, увеличивая общий поток отраженных электронов.A negative potential is applied to the
При втором прохождении зазора объемного резонатора 8 электроны, взаимодействуя с полем высокочастотного зазора 7, отдают часть энергии СВЧ полю в моменты, когда на зазоре резонатора имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.During the second passage of the gap of the
Так как емкостный зазор 7 объемного резонатора 8 выполнен в радиальном направлении неравномерным, за счет того, что величина зазора d1 в центре зазора больше, чем величина зазора d2 на его краю, разность между ними определяет высоту емкостного выступа δ, величина которого определяет степень неоднородности поля. При δ=0 поле неоднородно и имеет максимальное значение в центре емкостного зазора 7, уменьшаясь по краям. При δ=а наблюдается уменьшение напряженности в центре емкостного зазора 7. При значении δ=0.5а в емкостном зазоре 7 поле имеет наиболее однородную форму.Since the capacitive gap 7 of the
За счет того, что напряженность ВЧ электрического поля, действующего в емкостном зазоре резонатора между первой и второй сетками, становится одинаковой по величине как в центре, так и на краю зазора (Фиг.5), электроны, проходящие по центру емкостного зазора, испытывают такую же скоростную модуляцию, как электроны, проходящие емкостный зазор по его краю. В результате эффект «расслоения» исчезает и электронный КПД возрастает.Due to the fact that the strength of the RF electric field acting in the capacitive gap of the resonator between the first and second grids becomes the same in magnitude both in the center and on the edge of the gap (Figure 5), the electrons passing through the center of the capacitive gap experience this the same high-speed modulation as electrons passing a capacitive gap along its edge. As a result, the “stratification” effect disappears and the electronic efficiency increases.
Таким образом, использование автоэмиссионного источника первичных электронов в виде отдельных матриц, управляющей сетки с функцией умножителя-концентратора электронов, ступенчато-неоднородной первой мелкоструктурной сетки позволяет увеличить плотность тока катода, что в свою очередь увеличивает КПД и выходную мощность прибора.Thus, the use of a field emission source of primary electrons in the form of separate matrices, a control grid with the function of an electron multiplier-concentrator, and a stepwise inhomogeneous first fine-grained grid makes it possible to increase the cathode current density, which in turn increases the efficiency and output power of the device.
Вывод СВЧ энергии из прибора в нагрузку осуществляется волноводным устройством связи с внешней нагрузкой 12.The output of microwave energy from the device to the load is carried out by a waveguide communication device with an external load 12.
Claims (5)
d1=d2+δ,
0<δ/а<1,
где d1 - величина зазора в центре емкостного зазора,
d2 - величина зазора на краю емкостного зазора,
δ - величина ступенчатого углубления в центре емкостного зазора, мкм,
а - радиальный размер ступенчатого углубления, мкм. 5. A microwave electrovacuum generator with reflection of the electron stream according to claim 1, characterized in that the first fine-grained mesh is made stepwise uneven in the radial direction, and the gap in the center is selected from the condition:
d 1 = d 2 + δ,
0 <δ / a <1,
where d 1 - the value of the gap in the center of the capacitive gap,
d 2 - the value of the gap at the edge of the capacitive gap,
δ is the value of the stepped recess in the center of the capacitive gap, μm,
and - the radial size of the stepped recess, microns.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152844/07A RU2485618C1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152844/07A RU2485618C1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2485618C1 true RU2485618C1 (en) | 2013-06-20 |
Family
ID=48786512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011152844/07A RU2485618C1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2485618C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2607462C1 (en) * | 2015-07-06 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Monotron microwave generator with matrix field emitter cathode |
| RU2656707C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040100484A1 (en) * | 2002-11-25 | 2004-05-27 | Barrett Peter T. | Three-dimensional television viewing environment |
| WO2007142419A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Korea Electro Technology Research Institute | Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method |
| RU2340032C2 (en) * | 2003-07-22 | 2008-11-27 | Йеда Рисеч Энд Девелопмент Компани Лтд. | Device for production of electronic emission |
| WO2010151458A1 (en) * | 2009-06-23 | 2010-12-29 | L-3 Communications Corporation | Magnetically insulated cold-cathode electron gun |
-
2011
- 2011-12-23 RU RU2011152844/07A patent/RU2485618C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040100484A1 (en) * | 2002-11-25 | 2004-05-27 | Barrett Peter T. | Three-dimensional television viewing environment |
| RU2340032C2 (en) * | 2003-07-22 | 2008-11-27 | Йеда Рисеч Энд Девелопмент Компани Лтд. | Device for production of electronic emission |
| WO2007142419A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Korea Electro Technology Research Institute | Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method |
| WO2010151458A1 (en) * | 2009-06-23 | 2010-12-29 | L-3 Communications Corporation | Magnetically insulated cold-cathode electron gun |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2607462C1 (en) * | 2015-07-06 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Monotron microwave generator with matrix field emitter cathode |
| RU2656707C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Schamiloglu | High power microwave sources and applications | |
| US5070282A (en) | An electron source of the field emission type | |
| US5124664A (en) | Field emission devices | |
| US20090261925A1 (en) | Slow wave structures and electron sheet beam-based amplifiers including same | |
| AU2004265996B2 (en) | Method and apparatus for bi-planar backward wave oscillator | |
| RU2485618C1 (en) | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection | |
| CN110491752B (en) | Multi-electron-beam diffraction radiation oscillator | |
| US4553068A (en) | High power millimeter-wave source | |
| Samsonov et al. | Multitube helical-waveguide gyrotron traveling-wave amplifier: Device concept and electron-optical system modeling | |
| Yin et al. | Compact high‐power millimetre wave sources driven by pseudospark‐sourced electron beams | |
| Alhuwaidi | 3D modeling, analysis, and design of a traveling-wave tube using a modified ring-bar structure with rectangular transmission lines geometry | |
| US7728520B2 (en) | Optical modulator of electron beam | |
| RU2288519C1 (en) | Noise-like broadband microwave signal generator built around virtual cathode | |
| US20040245932A1 (en) | Microwave generator with virtual cathode | |
| Ansari et al. | Design and Performance Analyses of High-Efficiency $ X $-Band Relativistic Backward-Wave Oscillator Using an Improved Resonant Reflector Under Low Guiding Magnetic Field | |
| US2213543A (en) | Electron discharge device | |
| RU2607462C1 (en) | Monotron microwave generator with matrix field emitter cathode | |
| US2659024A (en) | Velocity modulated tube of the reflex type | |
| RU73124U1 (en) | ELECTRON GUN | |
| RU2444081C1 (en) | Controlled generator on virtual cathode | |
| JP2863310B2 (en) | Microwave generator using virtual cathode | |
| RU2391739C1 (en) | Method for generation of microwave oscillations and device for its realisation (versions) | |
| RU2474914C1 (en) | Powerful microwave generator of monotron type | |
| US20070258126A1 (en) | Electro-optical switching system and method | |
| RU2457572C1 (en) | Uhf generator with matrix field emitter cathode with electron stream reflection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201224 |