МАГНЕТРОН С ЗАПУСКАЮЩИМИ ЭМИТТЕРАМИ НА КОНЦЕВЫХ ЭКРАНАХ КАТОДНЫХ УЗЛОВ
MAGNETRON HAVING TRIGGERING EMITTERS AT END SHIELDS OF CATHODE ASSEMBLIES

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.
Основной проблемой, возникающей при создании магнетронов подобного класса, является обеспечение стабильности и долговечности катодных узлов в условиях интенсивной электронной и ионной бомбардировок, воздействие которых приводит к перегреву эмиттеров, к изменению их состава и структуры и, следовательно, к изменению эмиссионных свойств. Эти изменения влияют на стабильность работы магнетронов, приводят к изменению частоты генерируемых колебаний, к падению выходной мощности и электронного к.п.д., к снижению долговечности.
Решение этих проблем особенно важно при разработке мощных магнетронов коротковолнового диапазона длин волн. В ряде случаев необходимо также решать проблему быстрого запуска магнетрона в режим генерации. Это достигается путем модернизации конструкции катодного узла и использования в составе катодов высокоэффективных эмиссионных материалов.
Известен магнетрон с быстрым включением [1], состоящий из анода (4), коаксиально размещенного внутри него металлического керна (5) с вторично-эмиссионным катодом из иридия или платины (1), концевого экрана (2) и вынесенной из пространства взаимодействия вспомогательной электронной пушки (6) с малой тепловой инерцией (фиг.1).
Электронная пушка формирует и направляет электронный поток в кольцевое пространство между анодом и катодом, инициируя тем самым возбуждение электромагнитных колебаний.
Основными недостатками данного магнетрона являются следующие:
- в магнетронах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн вследствие малых габаритных размеров и чрезвычайно высокой плотности монтажа в большинстве случаев размещение вспомогательной электронной пушки не представляется возможной;
- конструкция магнетрона существенно усложняется из-за необходимости введения по крайней мере двух дополнительных вакуумных вводов для питания электронной пушки;
- применение в конструкции магнетрона электронной пушки приводит к ухудшению тактико-технических характеристик приемо-передающей аппаратуры вследствие необходимости использования в ее составе специального источника питания для накала термоэлектронного катода пушки. Кроме этого дополнительный источник питания обуславливает увеличение габаритных размеров и веса аппаратуры;
- в инициировании генерации магнетрона участвует лишь незначительная доля электронного потока из пушки (большая часть электронного потока, оседая на торцовой поверхности анода и нерабочей поверхности других элементов магнетрона, обуславливает паразитную эмиссию);
- для достижения малой времени готовности магнетрона катод электронной пушки должен постоянно поддерживаться в рабочем режиме, т.е. должен быть нагрет до определенной температуры. Это, наряду с дополнительными энергозатратами, приводит к уменьшению ресурса электронной пушки и снижению электрической прочности прибора из-за напыления на поверхность деталей продуктов испарения с термоэлектронного катода.
Известен магнетрон, использующийся в бытовых микроволновых печах [2], катодный узел которого схематично изображен на фиг.2.
Магнетрон содержит анод (4), коаксиально размещенный внутри него подогреватель (3) с эмиссионной втулкой (1) и концевые экраны (2). Работа катода основывается на том, что подогреватель, на который крепится эмиссионная втулка, выполняет две функции. Во-первых, он обеспечивает нагрев эмиссионной втулки до необходимой рабочей температуры, во-вторых, находясь в потоке активного вещества, испаряющегося из эмиссионной втулки, формирует стартовый поток электронов и тем самым обеспечивает быстрый запуск магнетрона в рабочий режим.
Однако, несмотря на оригинальность решения, такая конструкция не обеспечивает необходимую формоустойчивость катодного узла в режимах работы мощных и сверхмощных магнетронов, более жестких по сравнению с режимом работы бытовых СВЧ-печей.
Известен магнетрон с безнакальным (мгновенным) запуском [3…5], состоящий из анода (4) и коаксиально размещенного внутри него катодного узла, конструкция которого схематично изображена на фиг.3.
Катодный узел включает керн (5), изготовленный из тугоплавкого металла или сплава, подогреватель (3), концевые экраны (2) и комбинацию автоэлектронных катодов (7) с вторично-эмиссионными эмиттерами (1). Автоэлектронные катоды в виде шайб, изготовленные из танталовой фольги толщиной ~4 мкм, размещаются между вторично-эмиссионными, в частности прессованными палладий-бариевыми эмиттерами. При подаче на анод импульсного напряжения ток автоэлектронной эмиссии инициирует работу магнетрона. Палладий - бариевые эмиттеры, выполняющие функцию активаторов автоэлектронных катодов, являются в то же время вторично-эмиссионными катодами, поддерживающими генерацию СВЧ-колебаний в течение срока службы приборов. (Подогреватель используется при обезгаживании и активировании катода в процессе откачки магнетрона, и в дальнейшем надобность в нем отпадает.) Недостатком данной конструкции катодов является невозможность их использования в мощных и сверхмощных магнетронах вследствие быстрого разрушения (выгорания) автоэлектронных катодов под воздействием ионной и обратной электронной бомбардировок.
Известен магнетрон [6] (прототип), состоящий из анода (4) и коаксиально размещенного внутри него катода (фиг.4).
Катодный узел содержит керн катода (5), изготовленный из тугоплавкого металла или сплава, подогреватель (3), концевые экраны (2) и термо-вторично-эмиссионный катод (1), закрепленный на керне катода. Подогреватель размещается или внутри керна непосредственно под катодом или за пределами катода (навит на керн катода с использованием термостойких изоляционных материалов). В сантиметровом диапазоне длин волн магнетроны с подобной конструкцией катодного узла имеют вполне удовлетворительные сроки службы, но при переходе в область более коротких длин волн происходит резкое ухудшение параметров приборов. Это связано с тем, что в коротковолновой области длин волн вследствие уменьшения эффективной поверхности катодов и увеличения концентрации электрического поля в пространстве взаимодействия магнетронов резко увеличиваются нагрузки на катод. Это приводит к быстрому выходу из строя катода и, соответственно, магнетрона в целом. Срок службы подобных магнетронов может быть увеличен за счет подбора материала катодов, более устойчивых к воздействию обратной электронной бомбардировки.
Так, например, срок службы магнетрона с мощностью Р~4 кВт и частотой f~150 ГГц (магнетрон с 2-мм диапазоном длин волн) составляет:
- не более 2…3 десятков часов с металлопористым вольфрам-алюминатным катодом;
- около 250 часов с металлосплавным иридий-лантановым катодом.
Таким образом, из всего изложенного выше следует, что с увеличением мощности и переходом в область генерирования сверхкоротких электромагнитных колебаний стабильность, надежность и срок службы магнетрона главным образом зависят как от конструкции катодного узла, так и свойств материала катода.
Основными недостатками конструкции магнетрона, принятого за прототип, являются следующие.
1. В мощных и сверхмощных магнетронах коротковолнового диапазона длин волн под воздействием ионной и обратной электронной бомбардировок, обуславливающих перегрев катодов даже при полностью выключенном накале, происходит быстрая деградация эмиссионных параметров вследствие интенсивного испарения с поверхности эмиттеров эмиссионно-активной компоненты.
2. Для увеличения долговечности указанных выше магнетронов в последние годы применяют различные типы высокотемпературных катодов с диапазоном рабочих температур 1400…1600°С. Однако использование подобных катодов не получило широкое распространение при создании малогабаритных, но мощных магнетронов из-за чрезмерно высокой рабочей температуры, приводящей к перегреву конструкции приборов.
3. Для обеспечения умеренных температур, позволяющих использовать в магнетронах эффективные катоды с рабочей температурой не выше 1200°С, в конструкции катодных узлов применяют тугоплавкие металлы и специальные сплавы с высокой теплопроводностью, обеспечивающие интенсивный отвод тепла с термо-вторично-эмиссионных катодов. Дальнейшая стабилизация температурного режима на катодных узлах обеспечивается за счет охлаждения конструкции магнетронов специальными устройствами и приспособлениями с охлаждающей жидкостью (жидкостное охлаждение магнетронов), которые существенно усложняют конструкцию приемо-передающей аппаратуры.
4. В то же время чрезмерный отвод тепла с катодного узла может привести к снижению температуры до такого уровня, при котором величина тока эмиссии с термо-вторично-эмиссионного катода может оказаться недостаточной для запуска магнетрона в режим генерации. Поэтому зачастую при проектировании магнетронов предусматривают возможность их включения в форсированном режиме, когда на подогреватель катодного узла кратковременно подается 2-, 3-кратное питающее напряжение накала, существенно снижающее ресурс подогревателей.
Таким образом, в мощных и сверхмощных магнетронах сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн использование стандартных конструкций катодного узла не позволяет в значительной мере улучшить эксплуатационные и тактико-технические характеристики приборов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание мощных и сверхмощных магнетронов указанного диапазона длин волн с катодным узлом, обеспечивающим высокую надежность и стабильность эксплуатационных параметров.
Это достигается следующим образом.
1. Катодный узел конструктивно разделен на две функциональные части, каждая из которых выполняет вполне конкретную роль: запускающие эмиттеры (один или несколько) инициируют генерацию, а вторично-эмиссионный катод обеспечивает работоспособность магнетрона на протяжении всего срока эксплуатации прибора.
2. Наиболее эффективным местом размещения запускающих эмиттеров являются концевые экраны. Это обусловлено следующими факторами:
- концевые экраны находятся вне пространства взаимодействия магнетрона, и поэтому уровень бомбардировки их поверхности обратными электронами несоизмеримо мал по сравнению с интенсивностью бомбардировки поверхности основного катода;
- концентрация электрического поля вблизи поверхности концевых экранов существенно выше, чем у поверхности основного катода.
На фиг.5 приведена картина распределения электрического поля в пространстве взаимодействия магнетрона. Как видно из приведенной картины распределения поля, вблизи поверхности концевых экранов электрическое поле имеет достаточно высокий уровень концентрации (светлый ореол вокруг экранов свидетельствует о высокой концентрации электрического поля).
Поэтому, разместив на них те или иные источники электронов, можно получить электронные потоки, достаточные для инициирования запуска магнетрона в режим генерации.
Предмет изобретения
Магнетрон сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн (фиг.6) состоит из анода (4), керна катода из тугоплавкого металла или сплава (5), коаксиально размещенного внутри него, подогревателя (3), основного вторично-эмиссионного катода (1) и концевых экранов (2), выполняющих функцию запускающих эмиттеров.
Суть изобретения состоит в следующем.
Запускающие эмиттеры (9), изготовленные из соединений с высокой эмиссионной активностью, размещаются на одном или обоих концевых экранах, находящихся вне пространства взаимодействия электромагнитных полей в магнетроне, благодаря чему эмитирующая поверхность практически не подвергаются действию обратной электронной бомбардировки.
Внешняя шайба (10), изготовленная из молибдена, гафния, циркония или другого тугоплавкого металла или сплава с высокой работой выхода, обеспечивает экранировку электронного потока в пространстве взаимодействия электромагнитных полей в магнетроне. Внутренняя шайба (8), изготовленная из тугоплавкого металла, например вольфрама или молибдена, отделяет основной вторично-эмиссионный катод от запускающего эмиттера и тем самым препятствует процессам взаимодействия компонент, входящих в их состав.
Основной вторично-эмиссионный катод, изготовленный из эмиссионно-активных соединений или металлов со стабильными вторично-эмиссионными свойствами и устойчивыми к воздействию ионной и обратной электронной бомбардировкам, например иридий, платина, осмий, рений или различные интерметаллические сплавы: иридий с лантаном, иридий с церием, осмий с лантаном, родий с барием и др., обеспечивает высокую надежность и долговечность магнетрона. Ниже приведены различные конструктивно-технологические решения по предлагаемому изобретению.
На фиг.6 приведено схематическое изображение магнетрона с катодным узлом, в котором запускающие эмиттеры размещены на обоих концевых экранах. В этом узле собственно функцию экранов выполняют внешние шайбы (10), а эмиттеры (9) конической формы, размещенные между внешними и внутренними шайбами, являются источниками электронов, инициирующих запуск магнетрона в режим генерации. После включения накала и достижения соответствующей температуры, присущей для данного материала эмиттера, эмитированные с его поверхности электроны, устремляясь к аноду вдоль силовых линий электрического поля, формируют электронный поток, инициирующий запуск магнетрона в режим генерации. На фрагменте А фиг.6, указаны следующие размеры:
1
4
d; d - диаметры внешней и внутренней шайбы экранов;
2
3
d; d - диаметры оснований запускающего эмиттера, имеющую коническую поверхность;
5
d - диаметр вторично-эмиссионного катода;
h - толщина запускающего термоэлектронного эмиттера. Диаметры подобраны следующим образом:
4
1
2
1
3
2
3
4
d≤d; d≤d; d≤d; d4≤d≤d
Угол φ, определяется из соотношения:
2
3
2
3
tgφ=(d-d)/2h; где 0<φ<Arctg(d-d)/2h;
В случае если φ<0, то наряду с увеличением паразитного тока на анодно-резонаторную систему и полюсные наконечники произойдет перераспределение электронного потока, в результате которого уменьшится доля электронов, инициирующих запуск магнетрона в режим генерации.
2
3
В случае если φ>Arctg(d-d)/2h, между термоэлектронным и вторично-эмиссионным катодами образуется ступенька, которая может привести к ухудшению параметров магнетрона.
Конфигурация термоэлектронного эмиттера в зависимости от величины угла φ может быть самой разнообразной.
В случае если φ=0 (частный случай), термоэлектронный эмиттер принимает форму цилиндра, показанный на фиг.7 (фрагмент А).
1
2
3
2
1
1
2
3
1
Размеры d; d; d и h подобраны таким образом, чтобы выполнялось соотношение: (d-d)/2h=0…1.; d≤d; d≤d.
2
1
В случае если (d-d)/2h<0, увеличится паразитный ток на аноде и полюсных наконечниках.
2
1
В случае если (d-d)/2h>1, ток эмиссии с катода из-за экранировки шайбами может оказаться недостаточным для инициирования генерации магнетрона.
В конструкции катодного узла фиг.8 (фрагмент А) запускающий эмиттер выполнен с тороидальным кольцевым пояском радиуса r, изготовленным из материала запускающего эмиттера или другого материала с высокой эмиссионной способностью. Величина радиуса r подбирается экспериментально для каждого конкретного магнетрона. В случае если r≥h/2, поверхность эмиттера принимает форму бочки.
Как говорилось ранее, одним из важнейших параметров, определяющих тактико-технические характеристики аппаратуры СВЧ-техники, является время готовности магнетронов.
На фиг.9, 10 приведены конструкции магнетронов с запускающими автоэлектронными катодами на концевых экранах, которые обеспечивают мгновенный (безнакальный) запуск мощных и сверхмощных магнетронов в режим генерации со временем готовности не более 0,5 сек.
В предлагаемой конструкции магнетронов концевые экраны катодных узлов состоят из комбинации одного или нескольких автоэлектронных катодов (7) и активаторов (11), размещенных между шайбами, выполненных из тугоплавкого металла, одна из которых собственно выполняет функцию экрана.
Автоэлектронные катоды (АЭК) толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон изготавливаются из тантала или специальных сплавов тугоплавких металлов, например тантала с вольфрамом, тантала с цирконием, вольфрама с рением, тантала с рением и др.
В качестве активаторов используются различные химические соединения или сплавы, содержащие редкоземельные или щелочные металлы.
Прокладки (11), изготовленные из фольги толщиной в несколько десятков микрон из вольфрама, сплава вольфрама с рением, молибдена с рением и др., отделяют АЭК от активатора и тем самым препятствуют протеканию процесса взаимодействия компонент, входящих в их состав.
В качестве вторично-эмиссионных (основных) катодов используются различные металлы и соединения с высокими вторично-эмиссионными свойствами и устойчивыми к обратной электронной бомбардировке.
В частности, на фиг.9 в качестве примера приведена конструкция магнетрона с запускающими эмиттерами, состоящими из комбинации одинарного автоэлектронного катода и двух активаторов, имеющих коническую поверхность. Следует отметить, что количество автоэлектронных катодов и активаторов может меняться в зависимости от толщины концевого экрана h и величины номинального тока автоэлектронной эмиссии, достаточной для инициирования генерации конкретного типа магнетрона.
1
2
3
4
5
Размеры d; d; d; d; d и h (фрагмент А) выбраны по аналогии с вариантом узла фиг.6.
4
1
3
2
5
3
4
d≤d; d≤d; d≤d≤d;
Угол наклона φ между образующей конической поверхности и осью определяется из соотношения:
1
3
2
3
tgφ=(d-d)/2h; где 0<φ<Arctg(d-d)/2h;
В случае если φ<0, то наряду с увеличением паразитного тока на анодно-резонаторную систему и полюсные наконечники произойдет перераспределение электронного потока, в результате которого уменьшится доля электронов инициирующих запуск магнетрона в режим генерации.
2
3
В случае если φ>Arctg(d-d)/2h, между активатором и вторично-эмиссионным катодами образуется ступенька, которая может привести к ухудшению параметров магнетрона.
В случае если φ=0 (частный случай), конструкция катода принимает вид, показанный на фиг.10, с активаторами, имеющими цилиндрическую поверхность. Следует отметить, что и для этой конструкции запускающего эмиттера количество автоэлектронных катодов с активаторами может меняться в зависимости от толщины концевого экрана h и величины номинального тока автоэлектронной эмиссии, достаточной для инициирования генерации конкретного типа магнетрона.
Геометрические размеры этого катода соответствуют условиям:
3
1
1
3
2
1
(d-d)/2h=0…1; d<d; 0<(d-d)≤0,4 мм; 0≤φ≤90°.
2
1
2
1
Если (d-d)<0 - автоэлектронные эмиттеры экранируются активаторами. Если 0,4 мм<(d-d) - высока вероятность разрушения кромки автоэлектронного эмиттера вследствие перегрева, обусловленного ионной бомбардировкой и протеканием через него тока автоэлектронной эмиссии.
Достигнутые результаты
В отличие от прототипа в магнетроне, являющемся предметом изобретения, катодный узел конструктивно разделен на две функциональные части, каждая из которых выполняет вполне конкретную роль: запускающий эмиттер инициирует генерацию, а вторично-эмиссионный катод обеспечивает работоспособность магнетронов в течение всего срока службы.
Благодаря такому разделению достигается высокая надежность и стабильность, эксплуатационных параметров мощных и сверхмощных магнетронов коротковолнового диапазона длин волн.
Практическая реализация изобретения
1. Концевые экраны состоят из двух шайб, одна из которых экранирует электронный поток в пространстве взаимодействия магнетронов, а запускающие эмиттеры, размещенные между ними, изготовлены из материала с низкой работой выхода с конической, бочкообразной или цилиндрической поверхностью.
2. В качестве запускающих эмиттеров, обеспечивающих мгновенный запуск магнетрона в режим генерации, используются различные комбинации автоэлектронных катодов и активаторов.
3. В качестве вторично-эмиссионного (основного) катода используются материалы и соединения со стабильными вторично-эмиссионными свойствами и устойчивыми к обратной электронной бомбардировке.
Срок службы мощных и сверхмощных магнетронов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с предложенной конструкцией катодного узла, являющихся предметом изобретения, существенно выше, чем у магнетронов со стандартной конструкцией узлов.
Пример 1.
Для исследования процессов запуска в режим генерации при пониженной температуре катода были изготовлены и исследованы магнетроны 2-миллиметрового диапазона длин волн с мощностью Р~4,5 кВт.
2
3
2
3
Запускающие катоды, соответствовавшие конструкции фиг.6, были изготовлены из вольфрамовой пористой матрицы, пропитанной алюминатом бария-кальция, со следующими размерами: h=0,4 мм, d=2,5 мм, d=2,3 мм, угол φ=Arctg(d-d)/2h≈15°.
5
Вторично-эмиссионный катод, изготовленный из интерметаллического соединения иридия с лантаном, имел размеры: d=2,05 мм; h=2,25 мм.
Инициирование генерации этого магнетрона происходило при температуре запускающего эмиттера Т~950°С.
Температура запуска в режим генерации магнетрона со стандартной конструкцией термо-вторично-эмиссионного иридий-лантанового катода составляла более 1250°С, что примерно на 300°С выше, чем у заявленного в изобретении магнетрона.
Пример 2.
3
эмиттера
Для исследования процесса мгновенного запуска магнетрона в режим генерации были изготовлены магнетроны 2-миллиметрового диапазона длин волн с мощностью Р~4,5 кВт. Катодные узлы соответствовали конструкции, показанной на фиг.10. Каждый из запускающих эмиттеров, размещенных на обоих концевых экранах, состоял из комбинации трех АЭК, изготовленных из танталовой фольги толщиной ~4 мкм и четырех палладий-бариевых активаторов толщиной 0,1 мм, высота выступающей части АЭК составляла 0,08-0,09 мм при диаметре АЭК 2,5 мм. В качестве вторично-эмиссионного основного катода использовался металлосплавной иридий-лантановый катод (d=2,05 мм, h=2,25 мм).
кат
Инициирование генерации этого магнетрона происходило при температуре катода T~20°С. Время выхода магнетрона в полный режим генерации составило 0,3…0,4 с после подачи анодного напряжения.
Срок службы магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн с запускающими эмиттерами на концевых экранах составил более 2000 час, что более чем в 8 раз превышает срок службы аналогичного прибора (прототипа) с термо-вторично-эмиссионным металлосплавным иридий-лантановым катодом.
Источники информации
1. Патент США №3896332 (приоритет 04.06.1973 г.). Заявитель - фирма Valve Со.
2. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Поливниковой О.В. Исследование и разработка эффективных магнетронных катодов на принципе переноса активного вещества из независимого источника на эмитирующую поверхность через вакуум.
3. Копылов М.Ф., Бондаренко Б.В., Махов В.И., Назаров В.А. Магнетрон. Патент РФ №2007777, приоритет от 15.04.1992 г.
4. 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.
5. Ли И.Л., 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.
6. Магнетрон сантиметрового диапазона, пер. с английского под ред. С.А.Зусмановского, изд. «Советское радио», М., 1951, стр.134-138.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
1. Основной термо-вторично-эмиссионный (вторично-эмиссионный) катод.
2. Концевой экран.
3. Подогреватель.
4. Анод.
5. Керн катода.
6. Вспомогательная электронная пушка.
7. Автоэлектронный катод.
8. Внутренняя шайба.
9. Запускающий эмиттер.
10. Внешняя шайба.
11. Активатор автоэлектронных катодов.
12. Прокладка.