Наноклістрон

Наноклістрон, який містить електроннооптичну систему, яка складається із холодного катода на основі автоемісійного емітера електронів у вигляді матриці вістер, плоского керуючого електрода у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, анода - тороїдального C2 2 (19) 1 3 підвищенні робочої частоти ВК-аналога. Діодна ЕОС із термоелектронним катодом, при спробі створити ВК-аналог в короткохвильовій частині терагерцового інтервалу частот, не спроможна забезпечити формування електронного пучка із необхідною щільністю робочого струму навіть при застосуванні поперечної компресії потоку заряджених часток. Внаслідок цього термін безвідмовної роботи ВК-аналога не перевищує декілька сотень годин у будь-якому інтервалі частот. Потретє, ВК-аналог потребує певного терміну готовності до роботи, що обумовлено використанням в ньому ЕОС із термоелектронним катодом, розігрів якого відбувається за 0,5-2 хвилини. Найбільш близьким за технічною сутністю та сукупністю ознак до даного технічного рішення аналогом (прототипом) є наноклістрон (НК) терагерцового інтервалу частот, який містить в собі електронно-оптичну систему із холодним катодом на основі автоемісійного емітера електронів у вигляді матриці вістрів, плоский керуючий електрод у вигляді матриці круглих отворів, коаксіальних вістрям, анод - тороїдальний резонатор із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками у вигляді матриці круглих отворів, коаксіальних вістрям, відбивач електронів, хвилеводний пристрій для передачі високочастотної енергії із резонатора у навантаження (R.L. Ives, Microfabrication of highfrequency vacuum electron devices // IEEE Transaction on Plasma Science, vol.32, No3, p.1288, 1200-GHz Nanoklystron, June 2004). Технічне рішення - прототип має суттєвий недолік, який не сприяє збільшенню потужності вихідного сигналу при зростанні робочої частоти. Недолік обумовлено тим, що ЕОС НК формує електронний струм із значним розкидом заряджених часток по енергіях. ЕОС НК - прототипа має три електроди, потенціал на яких зростає від катода до анода, що не сприяє формуванню ламінарного електронного потоку. Поступове зростання потенціалів на електродах ЕОС створює умови для збільшення поперечної складової швидкості електронів, сприяє формуванню електронного потоку із певним розкидом заряджених часток по енергіях та зменшує можливість ефективного групування їх у компактні згустки в просторі між відбивачем електронів та зазором взаємодії тороїдального резонатора. Кінцевим результатом є зменшення потужності вихідного сигналу при підвищенні робочої частоти НК. В основу винаходу поставлено задачу - удосконалити наноклістрон шляхом формування ламінарного електронного потоку між катодом та відбивачем електронів, що сприятиме збільшенню потужності вихідного сигналу генератора при підвищенні його робочої частоти в терагерцовому інтервалі частот. Поставлена задача вирішується тим, що у наноклістроні, який містить в собі електроннооптичну систему із холодним катодом на основі автоемісійного емітера електронів у вигляді матриці вістрів, плоским керуючим електродом у вигляді матриці круглих отворів, коаксіальних вістрям, анодом - тороїдальним резонатором, відбивач електронів, хвилеводний пристрій для 92399 4 передачі високочастотної енергії із резонатора у навантаження, згідно із винаходом, в електроннооптичній системі керуючий електрод електрично з'єднано із анодом, між керуючим електродом та анодом встановлено електрично з'єднаний із катодом плоский фокусуючий електрод у вигляді матриці круглих отворів, коаксіальних вістрям, при цьому електроди електронно-оптичної системи виконані і розміщені у відповідності до наступних співвідношень розмірів: t4=t9=(0,14÷0,46)D; t5=(0,29÷0,51)D; S4-5=S5-6= =(0,14÷0,26)D, де t4, t5, t9 - товщина керуючого і фокусуючого електродів та анода .відповідно; S4-5 - зазор між керуючим і фокусуючим електродами; S5-6 - зазор між фокусуючим електродом і анодом - тороїдальним резонатором; D - діаметр отворів в електродах. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу, що заявляються, та технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Виконання в ЕОС наноклістрона керуючого електрода у вигляді матриці круглих отворів коаксіальних вістрям, який електрично з'єднаний із анодом - тороїдальним резонатором, встановлення між керуючим електродом та анодом фокусуючого електрода у вигляді матриці круглих отворів коаксіальних вістрям, який електрично з'єднаний із катодом, забезпечує їй якість імерсійного об'єктиву, який створює умови для зменшення поперечної складової швидкості електронів та формування ламінарного електронного потоку. Ламінарний електронний струмок із незначним розкидом заряджених часток по енергіях ефективно групується в компактні щільні згустки в нелінійному електростатичному полі відбивача електронів. Електрони, що згруповані в такі згустки, ефективно віддають енергію високочастотному полю в зазорі взаємодії тороїдального резонатора, створеному сітками, у вигляді матриць вісесиметричних отворів над вершинами вістрів. Таким чином збільшується потужність вихідного сигналу та ефективність процесу генерації електромагнітних коливань при зростанні робочої частоти наноклістрона в терагерцовому інтервалі частот. Сутність винаходу пояснюється ілюстраціями. На Фіг.1 схематично зображено перетин наноклістрона, який показує взаємне розташування холодного катода із матричним вістрійним автоемісійним емітером, плоских керуючого та фокусуючого електродів ЕОС у вигляді матриць круглих отворів, коаксіальних вістрям, тороїдального резонатора із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками, кожна з яких має вигляд матриць ідентичних круглих отворів, коаксіальних вістрям, відбивача електронів, хвилеводного пристрою для передачі електромагнітної високочастотної енергії у навантаження; на Фіг.2, схематично зображено взаємне розташування електродів ЕОС: катода із холодним матричним вістрійним емітером, плоских керуючого та фокусуючого електродів, анода першої сітка зазору взаємодії тороїдального резонатора, паралельні траєкторії електронів, тунельованих в вакуум внаслідок автоелектронної емі 5 сії, які є, як підтверджує математичне моделювання процесу із врахуванням дії сил просторового заряду, результатом формування ламінарного потоку, та схему живлення електродів ЕОС. Наноклістрон (Фіг.1) містить у собі ЕОС 1 із холодним катодом 2, який має матричний вістрійний автоемісійний емітер 3, плоскі керуючий електрод 4 та фокусуючий електрод 5, анод 6 - тороїдальний резонатор, відбивач 7 електронів. ЕОС 1 формує між катодом 2 та відбивачем 7 електронів ламінарний електронний потік 8 із незначним розкидом заряджених часток по енергіях. Тороїдальний резонатор 6 має першу 9 та другу 10 сітки зазору 11 взаємодії та хвилеводний пристрій 12 для передачі електромагнітної високочастотної енергії у навантаження. На площинах електродів 4, 5, 6 ЕОС 1 виконана матриця круглих отворів 15 діаметром D, кожний із яких встановлений коаксіально відповідному вістрю емітера 3. Електроди 2, 4, 5, 6 ізольовані один від одного ізоляторами 16. Наноклістрон працює таким чином. При його підключенні до джерел Uа та Uотр живлення на електродах 2, 4, 5, 6 встановлюються відповідні потенціали. При зростанні на вершинах вістрів польового емітера 3 катоду 2 напруженості електричного поля до величини біля 107В/см розпочинається процес тунелювання з них електронів (ефект автоелектронної емісії). З кожного вістря емітера 3 відбирають струм Іі, величина якого знаходиться в інтервалі 20мкА≤Іі≤30мкА при відбиранні із кожного вістря струму Іі≥30мкА можливе 92399 6 виникнення вибухової емісії та руйнування емітера. Виконання і розміщення електродів 4, 5, 9 електронно-оптичної системи 1 у відповідності до наведених у формулі винаходу співвідношень створює умови для формування між катодом 2 та відбивачем 7 ламінарного електронного потоку 8 із незначним розкидом заряджених часток по енергіях при встановленні відповідних потенціалів на вказаних електродах. Негативний потенціал відбивача 7 електронів забезпечує рух електронів потоку 8 у зворотному напрямі до катоду 2 через зазор 11 взаємодії. На відрізку між відбивачем 7 електронів та другою сіткою 10 зазору 11 взаємодії тороїдального резонатора 6 електронний потік 8 групується в компактні щільні згустки. Електрони компактних згустків віддають в зазорі 11 резонатора 6 енергію високочастотному електромагнітному полю при взаємодії з його гальмівною електричною компонентою. Частка кінетичної енергії, відібраної у електронів та переданої високочастотному полю і накопиченої в тороїдальному резонаторі 6, виводиться із нього в навантаження за допомогою хвилеводного пристрою 12. Створений у відповідності до формули винаходу наноклістрон забезпечує збільшення потужності вихідного сигналу при підвищенні його робочої частоти в терагерцовому інтервалі частот. Холодний катод із вістрійним автоелектронним емітером забезпечує також миттєву готовність наноклістрона до роботи. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 92399 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601