ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЛБВ

 

ЛБВ состоит из следующих основных узлов: замедляющая система (ЗС) с вводом и выводом энергии; электронная пушка; коллектор. Дополнительно можно рассматривать электронно-оптическую систему (ЭОС), обеспечивающую формирование электронного луча заданной конфигурации.

Рассмотрим подробнее каждый из узлов ЛБВ и ее ЭОС.

Замедляющая система

Основные типы замедляющих систем изображены на рис. 4. Первые два типа ЗС – «спиральная» (а) и «кольцо-стержень» (б) относятся к спиральным ЗС, третий (в) и четвертый (г) – к цепочкам связанных резонаторов (ЦСР).

Спиральные ЛБВ обеспечивают большую полосу рабочих частот

 

×100 ≥ 100%

,

 

где f_в – верхняя граница рабочего частотного диапазона, f_н – нижняя граница рабочего частотного диапазона. Следует обратить внимание, что 100 % рабочей полосы соответствуют 1,5 октавам (октава соответствует условию, когда

 

 

Большим недостатком спиральных ламп является ограничение теплоотвода от спирали. Это связано с тем, что спираль помещена в вакуумную оболочку и изолируется от нее с помощью диэлектрических опор (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема размещения спирали в замедляющей системе

 

Теплопроводность при комнатной температуре самой теплопроводящей керамики окиси бериллия (ВеО) составляет 150…200 Вт/м×К (у меди 400…450 Вт/м×К). С ростом температуры теплопроводность ВеО падает до 100…130 Вт/м×К.

Иногда рассматривается возможность применения алмазных диэлектрических опор, теплопроводность которых в 4 раза выше, чем у меди. Однако стоимость ламп в этом случае становится несоизмеримо большой. В подавляющем большинстве случаев выпуск их становится нецелесообразным.

По этой причине средняя или непрерывная мощность современных спиральных ламп не превышает 2,5 кВт.

Ограничен выпуск спиральных ЛБВ на большие импульсные мощности при малых средних мощностях

 

Р_ср = Р_имп · К₃ ,                                                                       (13)

 

где  – коэффициент заполнения; – длительность импульса; Т – период повторения импульсов.

Это связано с тем, что снижается устойчивость работы прибора из-за более высокого токооседания электронов на ЗС в импульсном режиме работы по сравнению с непрерывным и из-за увеличивающейся опасности теплоперегрева в любых нештатных ситуациях (пробоях, изменениях вакуумного состояния и т. д.).

В значительной степени проблема эффективного теплоотвода решается в ЛБВ на ЦСР, так как корпус целиком металлический (как правило, медный) и теплоотводящие элементы можно делать достаточно большого поперечного сечения.

Из работы [3] известно, что:

 

 ,                                                                        (14)

 

где Q – количество теплоты, передаваемое телом за время ; S,  – соответственно площадь поперечного сечения и длина тела; q– коэффициент теплопроводности тела; t₂ – t₁ – разность температур на концах тела.

Можно рассчитывать, что выходная мощность ЛБВ на ЦСР будет составлять несколько десятков киловатт (например, до 140 кВт). Однако полоса усиливаемых частот может достигать 10…13 %. Таким образом, если провести сравнение спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР, получим следующие результаты (табл. 1).

 

Таблица 1

Тип прибора	Полоса рабочих частот, %	Выходная непрерывная или средняя мощность, кВт	Коэффициент усиления ,дБ
Спиральные ЛБВ	≈ 100	≤ 2	30…50
ЛБВ на ЦСР	≤ 10¼ 13	> 10	45…60

 

Несколько слов можно сказать о различиях между ЗС «цепочка связанных резонаторов» (ЦСР) и ЗС «встречно-штыревой системы» (ВШ).

В длинноволновой части см-диапазона для одного и того же рабочего диапазона диаметр рабочей области ЗС типа ВШ в 2,5 раза меньше, чем диаметр рабочей области ЗС типа ЦСР. Это позволяет обеспечить значительно меньшие массогабаритные характеристики ЛБВ на ВШ, чем ЛБВ на ЦСР (например, масса прибора с 17 кг уменьшилась до 8 кг). В коротковолновой части это преимущество не столь существенно. Иногда предпочтительнее формировать ЗС на ЦСР.

В табл. 2 приведены для сравнения результаты измерения спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР по уровню средней и импульсной мощностей.

 

Таблица 2

Уровни выходной мощности	Тип применяемых ЛБВ
До 300 Вт	Область применения преимущественно спиральных ламп
От 300 до 2000 Вт	Конкурентная область спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР
Более 2 000 Вт	Преимущественно ЛБВ на ЦСР

 

Электронно-оптическая система

В задачи электронно-оптической системы (ЭОС) входит формирование электронного луча с наименьшим токооседанием при его прохождении через пространство взаимодействия (замедляющую систему) и аккумулирование электронного луча на коллекторе. Поэтому к ЭОС относятся: электронная пушка, ЗС с фокусирующей магнитной системой и коллектор (рис. 6).

Системой формирования электронного луча называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации [4].

Важнейшим параметром ЭОС является первеанс Р (А/В^3/2):

 

                                                                                    (15)

 

 

 

Рис. 6. Схема электронно-оптической системы:

I-область электронной пушки; II-переходная область; III-область регулярной части (область взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем); IV-область коллектора

 

Несмотря на простоту формулы, куда входят только величины тока эмиссии с катода (I_к) и ускоряющее напряжение (U_о), первеанс – это чисто конструктивный параметр любого электровакуумного прибора. Его величина определяется конфигурацией электродов в области электронной пушки и расстоянием между катодом и замедляющей системой. От первеанса зависит выбор пролетных каналов, фокусирующих магнитные поля, конфигурация коллектора и т. д.

Значения первеансов для однолучевых ЛБВ находятся в широких пределах: от 0,1·10^-6 до 1,6·10^-6А/В^3/2.

При малых значениях первеанса снижается эффективность взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем (из-за недостаточного количества взаимодействующих электронов). Это, в свою очередь, приводит к снижению КПД, увеличению геометрической длины для обеспечения заданного коэффициента усиления и к некоторым другим неприятным явлениям, например к более значительному влиянию разброса скоростей электронов на выходные параметры ЛБВ.

Несмотря на это, уменьшение первеанса необходимо только в случаях очень малых сечений пролетных каналов, в частности в миллиметровом диапазоне длин волн, или невозможности обеспечения заданного фокусирующего магнитного поля.

Получение больших значений первеанса связано с необходимостью большого фокусирующего магнитного поля и маленьких межэлектродных промежутков (увеличивается вероятность межэлектродных пробоев). При увеличении первеанса усложняется обеспечение эффективности взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем из-за влияния пространственного заряда (возрастает расталкивание электронов в луче).

В то же время большие значения первеанса в однолучевых приборах требуются при необходимости получения больших мощностей, преимущественно в длинноволновых рабочих диапазонах.

Средние значения первеансов ЛБВ находятся в интервалах (0, 3…0,8)·10^-6А/В^3/2.

Электронная пушка

Электронная пушка формирует, как правило, сходящийся по диаметру электронный луч. Дело в том, что в подавляющем числе ЛБВ диаметр пролетного канала меньше, чем диаметр эмитирующей части катода. Это связано с необходимостью обеспечения более эффективного взаимодействия при достаточно больших количествах электронов. Стремление использовать катоды достаточно большого диаметра связано с желанием уменьшить плотность тока с катода и увеличить межэлектродное расстояние для снижения вероятности пробоев. Важной характеристикой электронных пушек является плотность тока с катода (А/см²). Увеличение плотности тока с катода, кроме чисто технологических сложностей, связано с более быстрым расходованием эмитирующего материала катода, следовательно, с уменьшением срока службы всего прибора.

Средняя плотность тока с катода большинства однолучевых ЛБВ не превышает 3…5 А/см². Эти значения обеспечивают несколько десятков тысяч часов безотказной работы прибора на современных катодах. На основании разницы диаметров пролетных каналов и катодов для обеспечения хорошей сходимости луча поверхность катодов большинства ЛБВ делаются сферической формы. В литературе сходимость луча определяется как (R_к/R_n)², где R_к – радиус катода, R_л – эффективный радиус луча. На практике средняя сходимость луча равна примерно 50, в редких случаях она превышает 100. Иногда проводились эксперименты по достижению сходимости в пределах от 100 до 500.

В зависимости от режима работы ЛБВ выбирается конструкция электронной пушки. При непрерывном режиме работы типичная конфигурация электронной пушки показана на рис. 6. Часто электрод под названием «анод» используется как управляющий электрод. Подробнее это будет рассмотрено ниже.

В импульсном режиме работы лампы должен быть предусмотрен способ модуляции электронного потока, т. е. полное его запирание в паузе между импульсами и обеспечение нормального электронного луча с хорошим токопрохождением во время импульса. Существуют следующие способы модуляции электронного потока: катодная модуляция; модуляция по управляющему электроду (аноду); модуляция с помощью электрода «штырь-кольцо»; сеточная модуляция.

Катодная модуляция

Фактически модулируется отрицательное ускоряющее напряжение, подаваемое на катод (ЗС заземлена). Модуляция катодного напряжения приводит к модуляции электронного потока. Этот способ модуляции применяется редко, так как во-первых, в этом случае модулятор должен изготавливаться на полное напряжение при полной токовой нагрузке, что приводит к необходимости иметь модулятор большой мощности и отводить от него рассеиваемое тепло. Во-вторых, при катодной модуляции на подъеме и спаде импульсов (на фронтах импульсов) может возникнуть паразитная генерация, которая портит спектр усиливаемого сигнала.

Модуляция по аноду

В этом случае также для запирания электронного луча необходимо подавать почти полное запирающее напряжение. Однако в отличие от предыдущего случая режим модуляции является бестоковым, что позволяет несколько снизить тепловые нагрузки в модуляторе. Тем не менее, одной из основных целей модуляции электронного потока является снижение абсолютной величины модулирующего напряжения.

Не следует забывать, что энергия источника переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора,

 

ɛ ,                                                                                 (16)

 

где C – емкость конденсатора; U – переменное напряжение на обкладках.

Снижение величины модулирующего напряжения достигается при следующих двух видах модуляции.

Модуляция с помощью электрода «штырь-кольцо»

На рис. 7 схематически показан катод со «штырем». Модулирующий штырь находится под одним и тем же потенциалом с фокусирующим электродом, а модулирующее напряжение подается между катодом и электродом «штырь-кольцо».

 

U~ – модулирующее      напряжение

Рис. 7. Схема катода с модулирующим электродом

 

В этом случае удается снизить абсолютное значение запирающего напряжения до 10…7 % от ускоряющего напряжения.

Сеточная модуляция

Следующим этапом снижения модулирующего напряжения является применение сеток, находящихся на расстоянии 0,3…0,4 мм от катода (рис. 8)

 

 

Рис. 8. Схема катода с сеточной модуляцией

 

Для защиты управляющей сетки от оседания электронов на катод накладывается «теневая» сетка, которая затеняет участки катода, находящиеся под перемычками управляющей сетки. Размах модулирующего напряжения составляет 2…4% от ускоряющего напряжения. В этом случае все-таки остается большая угроза напыления эмитирующего вещества катода на управляющую сетку и появления «паразитной» эмиссии и сеточных токов, приводящих к перегреву управляющих сеток.

Таким образом, разность потенциалов между катодом и замедляющей системой будет равна ускоряющему напряжению. И чем ближе модулирующий электрод к катоду, тем, естественно, рабочее напряжение во время импульса будет приближаться к напряжению катода, т. е. оно будет равно значению эквипотенциали, на котором находится управляющий элемент. Следовательно, амплитуда модулирующего напряжения уменьшается.

Ниже приведена таблица основных параметров электронных пушек при различных способах модуляции электронного потока.

 

Таблица 3

Параметры	Катодная модуляция	Модуляция по управляющему аноду	Модулирующие «штырь-кольцо»	Сеточная модуляция
1. Напряжение модулирующего элемента во время импульса (относительно катода), %	~ + 100	~ + 80	~ 0	~ + 1,5
2. Запирающее напряжение модулирующего элемента во время паузы между импульсами (относительно катода), %	~ 0	~ + 10	~ – 10	~ – 1,5
3. Токопрохождение электронного луча на коллектор во время импульса в динамическом режиме, %	~ 98	~ 97	~ 93	~ 90

 

В таблице указаны средние значения. Встречаются случаи, когда при модуляции управляющим анодом токопрохождение достигает 99…99,5 %, а при сеточной модуляции – 85…92 %.

 

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

 

Приближение модулирующего элемента к катоду приводит к снижению модулирующего напряжения, однако, его возмущающее влияние на электронную эмиссию значительно (особенно для мощных приборов) уменьшает токопрохождение электронного луча на коллектор.

В настоящее время идут небезуспешные поиски способов модуляции, сохраняющих преимущества всех описанных случаев.