ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭМИТТЕР БЕЗНАКАЛЬНОГО КАТОДА

Полезная модель относится к радиолокационной технике, а именно к мощным и современным СВЧ-приборам - магнетронам - с безнакальным запуском см-, мм- и суб-мм диапазонов длин волн и с малым (до 3 сек) временем готовности, и может быть использована для работы в составе передающей аппаратуры нового поколения для увеличения ее надежности, долговечности и общей технико-экономической эффективности.
СВЧ-магнетроны с безнакальными катодами получают все более широкое применение в современной радиолокации, так как имеют ряд важных преимуществ перед т.н. накальными магнетронами - мгновенную (с первого импульса) готовность, большую надежность и долговечность при меньших массогабаритах и себестоимости. Эти преимущества достигаются, в основном, благодаря использованию вторично-электронных эмиттеров безнакальных катодов на основе палладиево-бариевых (Pd-Ba) сплавов.
Из уровня техники известен вторично-электронный эмиттер безнакального катода, выполненный в виде кольцевой втулки из материала на основе эмиссионно-активного палладий-бариевого сплава, полученного методом электроплавки в дуговой печи с последующей электроискровой обработкой (см. патент RU 2019877, кл. H01J 1/32, опубл. 15.09.1994 г.). Основным недостатком известного устройства является то, из-за специфики технологии его получения, а именно, сильного перепада температур в разных зонах слитка при дуговой плавке, в объеме и, главное, на поверхности Pd-Ba слитка барий распределен неравномерно, что приводит к различной (и в среднем - к низкой) скорости испарения бария с поверхности металлосплавного термо-вторично-электронного эмиттера. Низкая скорость испарения ведет к недостаточной активации барием танталовых автоэмиттеров катода, что замедляет, а иногда и делает невозможным запуск СВЧ-магнетрона за счет автоэлектронной эмиссии.
5
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является вторично-электронный эмиттер безнакального катода, выполненный в виде кольцевой втулки из прессованного пористого материала на основе эмиссионно-активного палладий-бариевого сплава (см. патент RU 2380784 кл. H01J 25/00, опубл. 27.01.2010 г.). Порошок Pd состоит из частиц размером 80 мкм, а порошок PdBa изготавливается выплавлением слитка в дуговой электропечи с последующим его механическим дроблением и размолом в порошок с размером частиц 10-80 мкм. Таким образом, указанному устройству также присущи, хотя и в меньшей степени, все указанные выше недостатки. Кроме того, регламентируемое применяемой для изготовления эмиттера технологией содержание основного эмиссиообразующего компонента - Ва в смеси порошков, входящих в состав эмиттера, составляет всего 2-6 вес.%. Такое содержание недостаточно для достижения высоких эмиссионно-активных параметров катода из-за постоянно требуемого увеличения и стабилизации потока транспортируемого активного вещества Ва на поверхность автоэлектронных эмиттеров катода СВЧ-магнетрона.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в увеличении и стабилизации подачи активного вещества (Ва) на поверхность автоэлектронных эмиттеров безнакального катода магнетрона, что приводит к повышению его надежности и долговечности при упрощении технологии производства вторично-электронных эмиттеров и повышении ее технико-экономической эффективности.
5
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что вторично-электронный эмиттер безнакального катода выполнен в виде кольцевой втулки из прессованного пористого материала на основе эмиссионно-активного палладий-бариевого сплава, причем указанный материал представляет собой результат спекания при температуре эвтектики стехиометрической смеси нанопорошков Pd и PdBa с размером частиц от 10 нм до 200 нм. Спекание может быть проведено методом горячего изостатического прессования, путем прессования с последующим спеканием или путем спекания после восстановления металлических нанопорошков смеси в вакууме. Масса Ва предпочтительно составляет 11-13% массы исходной смеси нанопорошков.
На чертеже представлена схема расположения безнакального катода с предлагаемым вторично-электронным эмиттером в магнетроне.
В состав магнетрона входят кольцевые втулки вторично-электронного эмиттера 1, втулка крепления эмиттера 2, катодные экраны 3, втулка крепления подогревателя 4, танталовые электроннью эмиттеры 5, подогреватель 6, анод 7, катод 8 и анодные экраны 9.
5
Втулки 1 выполнены из прессованного пористого материала, изготовленного на основе стехиометрической смеси нанопорошков Pd и Ва или Pd и PdBa с размером частиц от 10 нм до 200 нм. Порошки спекают при температуре эвтектики 1498±25К (~1230°С) под давлением методом горячего изостатического прессования, путем прессования с последующим спеканием или путем спекания после восстановления металлических нанопорошков смеси в вакууме с последующей быстрой закалкой для достижения нанокристаллической структуры изделия.
Вторично-электронный эмиттер безнакальных катодов работает следующим образом. При подаче на анод 7 магнетрона импульса анодного напряжения, автокатоды эмитируют так называемые первичные электроны, которые образуют вокруг катода 8 облако пространственного заряда. Возвращаясь на катод 8, первичные электроны выбивают с внутренней поверхности втулки вторично-электронного эмиттера 1 вторичные электроны, облако пространственного заряда которых экранирует автокатоды 5 от электрического поля анода 7. Дальнейшее протекание тока анода 7 магнетрона обеспечивается только вторичными электронами, то есть вторично-электронным эмиттером 1 безнакального катода 8.
5
Электронная бомбардировка вторично-электронных Pd-Ba эмиттеров 1 приводит к «вымыванию» Ва с их поверхности. Для обеспечения надежности и долговечной эмиссии безнакального катода и СВЧ-магнетрона, количество Ва в составе Pd-PdBa эмиттера должно быть постоянным и максимальным по объему (эффект наноэндотаксии) и на поверхности (эффект наноэпитаксии).
5
Такое распределение бария достигается применением вторично-электронных эмиттеров безнакальных катодов в виде кольцевых втулок, полученных методом спекания прессованного пористого материала на основе стехиометрической смеси нанопорошков Pd и Ва или Pd и PdBa, причем как показали проведенные испытания наибольший эффект достигается при размере частиц от 10 нм до 200 нм благодаря следующим свойствам консолидированных нанопорошков исходной смеси и объемных наноматериалов (втулок вторично-электронных эмиттеров), полученных на ее основе:
5
2
2
- удельная поверхность Pd-PdBa нанопорошков (сотни м/г) на 2 порядка выше, чем у порошков с размером частиц 10-100 мкм (до 1 м/г);
- активная удельная поверхность атомов Ва в «массиве» Pd-Ba сплава - 20%, а в наноструктуре доступно для эмиссии 80% поверхности атомов Ва;
5
- разброс гранулометрии обычных порошков (от 10 до 100 мкм) - 80%, а в нанопорошках Pd-PdBa фракционный состав нанопорошков и мезопористых объемных изделий на их основе различается не более, чем на 5%;
5
5
- высокая поверхностная энергия наночастиц системы Pd-PdBa приводит к гетерогенному катализу процесса спекания, позволяет уменьшить эвтектическую температуру спекания наноматрицы состава Pd-PdBa (до 1230°С) и снизить энергию активации, необходимую для протекания эмиссии, в результате чего может быть достигнута эвтектическая точка 12% масс, содержания Ва в смеси нанопорошков, входящих в состав эмиттера, что вдвое выше, чем у аналогов и прототипа;
- повышение механических свойств и термической стабильности (конструкционной прочности) конечных изделий на основе нанопорошков в 1.5-2 раза при сохранении пластичности смеси и износостойкости (~2 Гпа для частиц  < 100 нм, что ~ в 3 раза выше, чем для частиц 1-10 мкм), предела текучести, ударной вязкости, коррозийной стойкости и термической стабильности - то есть повышению надежности и долговечности СВЧ-магнетронов в целом.
В результате реализации полезной модели были получены следующие основные эмиссионные и технические параметры вторично-электронного эмиттера:
- работа выхода - 2.1-2.5 эВ;
- коэффициент вторичной электронной эмиссии металла-основы - 1.75;
- коэффициент вторичной электронной эмиссии материала катода - 2.7-2.9;
- энергия первичных электронов - 600 эВ;
2
- средняя мощность обратной электронной бомбардировки - 75 Вт/см.
Таким образом, полезная модель позволяет увеличить объем и стабилизировать подачу Ва-эмиссионно-активного компонента вторично-электронного эмиттера на поверхность автоэлектронных эмиттеров (автокатодов), что обеспечивает повышение термической стабильности основных технологических свойств, надежности, долговечности и технико-экономической эффективности безнакальных катодов и СВЧ-магнетронов в целом.