МАГНЕТРОН С БЕЗНАКАЛЬНЫМ ЗАПУСКОМ СО СПЕЦИАЛЬНЫМ АКТИВИРОВАНИЕМ АВТОЭЛЕКТРОННЫХ КАТОДОВ
MAGNETRON WITH SELFHEATED STARTUP WITH SPECIAL ACTIVATION OF FIELD-EMISSION CATHODES

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в приборах СВЧ М - типа, в частности в магнетронах сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с безнакальным запуском.
Основной проблемой, возникающей при создании магнетронов подобного класса, является обеспечение стабильности и долговечности катодов в условиях интенсивной электронной и ионной бомбардировок, воздействие которых приводит к быстрой деградации параметров автоэлектронных катодов и преждевременному выходу прибора из строя.
Известен магнетрон с безнакальным запуском (фиг.1) [1;2], содержащий анод (1) и коаксиально размещенный внутри него катодный узел, состоящий из молибденового, никелевого или ниобиевого керна (2); подогревателя (3); экранов (4) и чередующихся автоэлектронных катодов (АЭК) (5), изготовленных из танталовой фольги толщиной ~4 мкм и вторично-эмиссионных катодов (ВЭК): металлопористых вольфрам- алюминатных (МПК), оксидно-никелевых (ОК) или «литых» металлосплавных катодов (МСК) из сплава палладия с барием (6).
Основными недостатками этого магнетрона является значительный разброс и низкий уровень тока автоэлектронной эмиссии, составляющие величину:
аэ
I~0,1-1,0 мА в магнетронах, в которых используются в качестве вторично-эмиссионного катода МПК и ОК (фиг.2; таблица 1, строка 1);
аэ
I~0,5-3,0 мА в магнетронах, в которых используются в качестве ВЭК литые МСК из сплава палладия с барием (фиг.2; таблица 1, строка 2);
-6
a
(Измерение тока автоэлектронной эмиссии проводилось в магнетронах, откачанных до давления остаточных газов Р~5·10 Па., при импульсном анодном напряжении U=4500 В., длительности импульса τ=6 мкс. и скважности Q=1000). Кроме этого, такой магнетрон отличается невоспроизводимостью эксплуатационных параметров и сравнительно низким процентом выхода годных приборов, составляющим ~20-30% с МПК и ОК и ~40-50% с «литыми» палладий - бариевыми вторичными катодами.
Известен магнетрон с безнакальным запуском, являющийся прототипом данного изобретения. Магнетрон (фиг.1) состоит из анода (1) и коаксиально размещенного внутри него катодного узла, состоящего из молибденового керна (2), подогревателя (3), экранов (4), чередующихся автоэлектронных катодов из танталовой фольги толщиной ~ 4 мкм. (5) и вторично-эмиссионных прессованных палладий-бариевых катодов протяженностью 0,4-5 мм. из смеси порошков эмиссионно-активного палладий - бариевого сплава с содержанием бария в количестве 11-25% (вес.) и палладия в количестве 75-89% (вес.) с открытой пористостью 2-27% [3]. Указанный магнетрон, наряду с достаточно большим сроком службы (более 5000 час.) и высоким процентом выхода годных приборов (не менее 80%), отличается сравнительно низкой стабильностью и большим разбросом значений тока автоэлектронной эмиссии, приводящий, как правило, к необходимости длительной тренировки прибора в генераторном режиме (фиг.2; таблица 1, строка 3).
Для выяснения причины такой нестабильности и такого разброса величины тока автоэлектронной эмиссии были проведены исследования катодов с помощью растрового электронного микроскопа EVO - 40 фирмы Zeiss с рентгеновским энергодисперсионным спектрометром CDD X Flash 1106 и в установке термогравиметрического анализа, оснащенной сверхчувствительными вакуумными весами и времяпролетным масс-спектрометром. Объектами исследования служили АЭК и ВЭК из магнетронов, прошедших откачку при разных режимах активирования катодных узлов.
В результате проведенных исследований получены следующие данные.
1. При использовании в безнакальных магнетронах комбинации танталовых АЭК и различных типов эффективных ВЭК (МПК или ОК), инициирование генерации обеспечивается автоэлектронной эмиссией с острой кромки АЭК, покрытой полностью или частично продуктами испарения (бария) с ВЭК во время откачки и тренировки прибора. Степень покрытия барием рабочей кромки автоэлектронного катода зависит от сорбционных свойств материала АЭК, от температуры и длительности его активирования, от скорости испарения бария и т.д. Поэтому любые погрешности или неточности при активировании катодного узла обуславливают нестабильность и разброс автоэмиссионных свойств АЭК.
2. В случае использования в качестве ВЭК литых или прессованных палладий-бариевых эмиттеров механизм формирования автоэмиссионного тока существенно отличается от механизма, изложенного в п.1.
2.1. Автоэлектронная эмиссия с рабочей кромки АЭК, активированной барием, составляет лишь незначительную часть (не более 5-10%) от общего тока автоэлектронной эмиссии.
2.2. Ток автоэлектронной эмиссии преимущественно обусловлен эмиссией из остриев вискеров [4], образованных, возможно, из кристаллов тантала с палладием, полностью или частично, покрытых барием. На фиг.3 (а; б; в) приведены микрофотографии фрагмента АЭК при разных увеличениях:
- на фиг.3-а при увеличении М~100 х показаны фрагменты вторично-эмиссионного прессованного палладий-бариевого катода (ВЭК) и поверхность автоэлектронного катода (АЭК) с нитевидными кристаллами;
- на фиг.3-б показан фрагмент поверхности АЭК с нитевидными кристаллами при увеличении М~30000 х;
- на фиг.3-в при увеличении М~50000 х показан фрагмент АЭК с нитевидными кристаллами (Н.К.) длиной ~50-100 нм и размерами в поперечном сечении ~5-20 нм.
к
2.3. Скорость роста и степень заполнения поверхности нитевидными кристаллами зависит от давления паров палладия вблизи поверхности АЭК, зависящего от скорости испарения палладия. На фиг.4 приведена зависимость скорости испарения палладия с поверхности прессованного палладий-бариевого эмиттера от температуры. Из этой зависимости следует, что оптимальной температурой для образования нитевидных кристаллов является интервал температуры катода Т~700-1100ºС. (~970-1370К). При меньших температурах катода, вследствие низкой скорости испарения палладия, процесс образования (роста) кристаллов становится неэффективным и может растянуться на длительный период времени. При больших температурах катода, из-за особенностей кристаллической структуры прессованного эмиттера, происходит необратимое изменение геометрических размеров (вспучивание), обуславливающее ухудшение электрических параметров магнетрона.
2.4. На поверхности АЭК, при использовании в качестве ВЭК компактных «литых» палладий-бариевых эмиттеров, образуются зародыши нитевидных кристаллов, но из-за низкого потока палладия скорость их роста существенно ниже, чем в случае прессованных эмиттеров. В прессованных эмиттерах частицы палладия упакованы не плотно и поэтому в процессе термической обработки, вероятно, происходит перестройка кристаллической решетки, сопровождаемая формированием на поверхности «червяковых» образований, обуславливающих увеличение эффективной поверхности испарения, и,
следовательно, потока палладия. На фиг.5 приведена микрофотография поверхности эмиттера с «червяковыми» образованиями после активирования при температуре Т~1000ºС. (~1270К) в течение 60 мин.
k
-6
7
2.5. Скорость образования и полнота заполнения торцовой поверхности АЭК нитевидными кристаллами может регулироваться путем подбора температуры активирования катода в интервале T~700-1100ºС (~970-1370К) и соответствующего значения времени t из температурно-временного соотношения: Т·t~1,0·10÷1,5·10 (К·сек).
2.6. При активировании катода в электрическом поле, например, при включении анодного напряжения, направление нитевидных кристаллов может упорядочиваться и ориентироваться вдоль поля, т.е. по направлению к аноду, благодаря чему облегчаются условия для формирования потока автоэлектронов.
5
2.7. При термической обработке катодного узла в объеме прессованного палладий-бариевого эмиттера протекают процессы термодиффузионной диссоциации фазы PdBa с образованием свободного бария, который, поступая на поверхность ВЭК, сорбируется на острой кромке АЭК и на поверхности нитевидных кристаллов и тем самым обеспечивается повышение эмиссионной активности АЭК. Следует отметить, что в литых палладий-бариевых эмиттерах, в отличие от прессованных, пористость практически отсутствует. Поэтому доставка бария из объема ВЭК происходит только за счет его миграции по границам зерен и отдельным дефектам. В результате этого, вследствие низкой концентрации бария на поверхности литых ВЭК, процесс активирования АЭК барием затрудняется и обуславливает нестабильность величины тока автоэлектронной эмиссии. В прессованных палладий-бариевых эмиттерах процесс доставки бария из объема к поверхности существенно облегчен и обеспечивается как за счет миграции по границам зерен и дефектам, так и по каналам пор (миграция и Кнудсеновский перенос).
3
4
5
2.8. Скорость образования свободного бария зависит также от величины внешнего электрического поля. При наложении внешнего электрического поля (Е~1×10÷5×10 B/см) в объеме ВЭК протекают процессы электротермодиффузионной диссоциации фазы PdBa, приводящие, в конечном случае, к росту концентрации свободного бария на поверхности ВЭК, и тем самым обеспечивается более высокая скорость активирования АЭК.
В таблице 1 строка 4 (фиг.2) приведены данные по величине тока автоэлектронной эмиссии и длительности тренировки магнетронов с прессованными
3
палладий-бариевыми эмиттерами после активирования в электрическом поле Е~5·10 В/см, температуре Т~1250ºК в течение 60 мин.
6
(Т·t~4,5·10 К·сек). Как видно из таблицы, эти магнетроны по сравнению с другими, имеют преимущества как по току автоэлектронной эмиссии, так и по длительности тренировки в динамическом режиме.
Таким образом, на основании изложенного выше, предметом изобретения является:
6
7
1. Магнетрон с безнакальным запуском, аналогичный по конструкции с прототипом, отличающийся тем, что для повышения стабильности и воспроизводимости инициирования генерации, катод подвергается специальному активированию в интервале температуры Т~970-1370 К с соблюдением условия Т·t~1,0·10÷1,5·10 (К·сек). При этом на торцовой поверхности АЭК выращиваются нитевидные кристаллы палладия длиной ~50-100 нм и размерами в поперечном сечении ~5-20 нм, покрытые барием частично или полностью. Наличие нитевидных кристаллов на поверхности АЭК существенно повышает величину тока автоэлектронной эмиссии, и тем самым обеспечивается безотказность работы магнетрона.
2. Катодный узел магнетрона, показанный на фиг.6, состоит из чередующихся АЭК (5) и ВЭК (6), между которыми размещаются прессованные палладий-бариевые шайбы (7), изготовленные из смеси порошков эмиссионно-активного палладий-бариевого сплава с содержанием бария в количестве 11-25% (вес.) и палладия в количестве 75-89% (вес.) с открытой пористостью 2-27% и протяженностью ~0,1-1 мм, являющиеся активаторами АЭК. Во время активирования катода испарившиеся компоненты из шайбы, адсорбируясь на поверхности АЭК, обуславливают образование нитевидных кристаллов. Для повышения эффективности образования нитевидных кристаллов в состав материала шайбы вносятся добавки в виде порошков платины, вольфрама, тантала или рения в количестве 1-50% (вес.). В качестве ВЭК в такой конструкции катода используются, наряду с палладий-бариевыми эмиттерами, различные металлы и сплавы со стабильными вторично-эмиссионными свойствами и устойчивыми к воздействию ионной и обратной электронной бомбардировок, например, иридий, платина, осмий, интерметаллические соединения, платины с барием, иридия с лантаном, иридия с церием, осмия с лантаном и др.
Вкратце о механизме возбуждения генерации магнетрона.
При включении импульсного анодного напряжения суммарный автоэлектронный ток с остриев нитевидных кристаллов и рабочей кромки АЭК образует первоначальный электронный поток, который под воздействием скрещенного электрического и магнитного полей, бомбардирует поверхность ВЭК, «выбивая» вторичные электроны. В результате этого в пространстве взаимодействия магнетрона формируется электронная лавина, инициирующая генерацию магнетрона.
Пример 1.
6
Ток автоэлектронной эмиссии магнетрона с безнакальным запуском с катодным узлом, состоящим из чередующихся АЭК и прессованных палладий-бариевых эмиттеров с пористостью ~12%, после активирования при температуре Т~1270К в течение 90 мин (Т·t~6,9·10 К·сек.), составил ~30 мА. Магнетрон вводился в режим генерации без накала и тренировался до получения стабильных параметров в течение τ~4 час. После испытания на срок службы в течение 5000 час параметры прибора практически не изменились.
Пример 2.
7
Ток автоэлектронной эмиссии магнетрона с безнакальным запуском с катодным узлом, состоящим из чередующихся АЭК, прессованных палладий-бариевых шайб с пористостью ~10% и вторично-эмиссионных эмиттеров (прессованных палладий-бариевых втулок с пористостью ~5%) после активирования при температуре Т~1200К в течение 150 мин (Т~t~1,1·10К·сек.), составил ~40 мА. Магнетрон вводился в режим генерации без накала и тренировался до получения стабильных параметров в течение τ~2 час. Срок службы такого магнетрона превысил 5000 час.
Примечание.
Следует отметить, что наряду с изложенными материалами, в процессе проведения работы получены следующие данные:
а) на торцовой поверхности АЭК, при использовании в качестве ВЭК прессованных платина-бариевых эмиттеров, образуются нитевидные кристаллы из тантала с платиной, частично или полностью покрытые барием;
б) при добавлении в состав прессованных палладий-бариевых эмиттеров порошков, например, вольфрама, тантала, рения и других тугоплавких металлов, процесс изменения структуры поверхности происходит значительно интенсивнее и при меньших температурах. На микрофотографии (фиг.7) показан фрагмент поверхности прессованного палладий-бариевого эмиттера с присадкой порошка вольфрама (~10 вес.%) после активирования в течение 60 мин при температуре Т~1170 К.
Как видно из сравнения микрофотографий (фиг.5; 7), характерные особенности этих образований схожи друг с другом, но структурные изменения протекают при меньшей температуре (разница в температуре составляет около 100 К.).
Источники информации
1. Копылов М.Ф., Бондаренко Б.В., Махов В.К, Назаров В.А. Магнетрон. Патент РФ №2007777, приоритет от 15.04.1992 г.
2. Пипко Ю.А., Семенов Л.А., Галактионова И.А., Еремеева Г.А., Есаулов Н.П., Ильин В.Н., Марголис Л.М. Магнетрон с безнакальным катодом. Патент РФ №2019877, приоритет от 17.04. 1991 г.
3. Ли И.П., Дюбуа Б.Ч, Каширина Н.В., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д., Зыбин М.Н. Магнетрон с безнакальным катодом. Патент РФ №2380784, приоритет от 24.10.2008 г.
4. Н.В.Черепнин. Сорбционные явления в вакуумной технике. М. 1973 г. гл. 6.
Пояснения к иллюстрации.
1. Фигура 1. Схематическое изображение магнетрона с безнакальным запуском (прототип):
1 - анод; 2 - керн катода; 3 - подогреватель; 4 - экраны; 5 - автоэлектронные катоды; 6 - вторично-эмиссионные эмиттеры.
2. Фигура 2. (Таблица 1): данные по току автоэлектронной эмиссии и длительности тренировки в динамическом режиме магнетронов с безнакальным запуском с различными типами ВЭК.
3. Фигура 3. Микрофотографии фрагментов торцовой поверхности АЭК с нитевидными кристаллами палладия при разных увеличениях:
3-а: при увеличении М~1000 х (внутри снимка: ВЭК - вторично-эмиссионный катод; АЭК - автоэлектронный катод);
3-б: при увеличении М~30000 х;
3-е: при увеличении М~50000 х (внутри снимка: Н.К. - нитевидные кристаллы).
4. Фигура 4. Зависимость скорости испарения палладия с поверхности прессованного палладий-бариевого эмиттера от температуры;
5. Фигура 5. Микрофотография фрагмента поверхности прессованного палладий-бариевого эмиттера после активирования при температуре Т~1270 К в течение 60 мин (М~10000 х);
6. Фигура 6. Схематическое изображение патентуемого магнетрона: 1 - анод; 2 - керн катода; 3 - подогреватель; 4 - экраны; 5 - автоэлектронные катоды; 6 - вторично-эмиссионные эмиттеры; 7 - шайбы-активаторы АЭК;
7. Фигура 7. Микрофотография фрагмента поверхности прессованного палладий-бариевого эмиттера с присадкой порошка вольфрама в количестве ~10% вес. после активирования при температуре Т~1170 К в течение 60 мин (М~12000 х).