МАГНЕТРОН С ЗАПУСКАЮЩИМИ АВТОЭЛЕКТРОННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ НА КОНЦЕВЫХ ЭКРАНАХ КАТОДНЫХ УЗЛОВ
MAGNETRON WITH STARTING AUTO ELECTRONIC EMITTERS ON END SHIELDS OF CATHODE UNITS

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 изменению эмиссионных свойств эмиттеров и их перегреву. Эти изменения влияют на стабильность работы магнетронов, приводят к изменению частоты генерируемых колебаний, к падению выходной мощности и электронного КПД, 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 добавления в конструкцию катодного узла автоэлектронного эмиттера.
Известен магнетрон с безнакальным катодом [1] (патент РФ №2380784). Магнетрон содержит анод и коаксиально размещенный внутри него безнакальный катод, включающий керн, экраны, автоэлектронные и вторично-электронные эмиттеры. Автоэлектронные эмиттеры в виде шайб, изготовленные из танталовой фольги толщиной ~4 мкм размещаются между вторично-электронными катодами, в частности прессованными палладий-бариевыми эмиттерами. При подаче на анод импульсного напряжения ток автоэлектронной эмиссии инициирует работу магнетрона. Палладий-бариевые эмиттеры, являясь активаторами автоэлектронных эмиттеров, являются в то же время вторично-электронными эмиттерами, поддерживающими генерацию СВЧ колебаний в течение срока службы приборов. Недостатком данной конструкции катодов является невозможность их использования в мощных и сверхмощных магнетронах вследствие быстрого разрушения (выгорания) автоэлектронных эмиттеров под воздействием ионной и обратной электронной бомбардировок.
Известен магнетрон [2] (Пат. РФ №2136076, 08.01.1998). Данный магнетрон выбран в качестве прототипа.
Магнетрон содержит цилиндрический анод и коаксиально расположенный в нем катодный узел, содержащий вторично-электронный и автоэлектронный эмиттеры, и боковые фланцы (концевые экраны), где по крайней мере один из экранов электрически изолирован от вторично-электронного эмиттера и содержит по крайней мере один автоэлектронный эмиттер, рабочий торец которого обращен к поверхности вторично-электронного эмиттера.
В данном магнетроне, возбуждение генерации высокочастотных электромагнитных колебаний обеспечивается электронным потоком с вторично-электронного эмиттера под воздействием бомбардировки его поверхности электронами с автоэлектронного эмиттера. Основным недостатком подобного механизма возбуждения генерации является его неэффективность вследствие лишнего звена в цепочке формирования инициирующего электронного потока: ток автоэлектронной эмиссии с автоэлектронного эмиттера → формирование потока вторичных электронов с вторично-электронного эмиттера → возбуждение генерации электромагнитных колебаний вторичными электронами с вторично-электронного эмиттера.
В предлагаемом изобретении, рабочая кромка автоэлектронного эмиттера направлена к аноду магнетрона (в прототипе рабочая кромка автоэлектронного эмиттера направлена к вторично-электронному эмиттеру).
Механизм возбуждения генерации в предлагаемом изобретении обеспечивается непосредственно током автоэлектронной эмиссии с автоэлектронного эмиттера (в прототипе ток автоэлектронной эмиссии с автоэлектронного эмиттера выбивает из вторично-электронного эмиттера электроны, которые собственно инициируют генерацию электромагнитных колебаний).
Кроме того, в прототипе, для создания первичного электронного потока с автоэлектронного эмиттера необходима дополнительная электронная схема, предназначенная для подачи электрического напряжения между автоэлектронным и вторично-электронным эмиттером. Это, с одной стороны, усложняет конструкцию источника питания магнетрона и ухудшает тем самым массогабаритные характеристики приемо-передающей аппаратуры и, с другой стороны, усложняет конструкцию магнетрона в виду необходимости изготовления и размещения дополнительного вакуумного ввода для подачи на автоэлектронный эмиттер электрического потенциала.
Задачей предлагаемого изобретения является создание мощных и сверхмощных магнетронов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с катодным узлом, обеспечивающим мгновенный запуск магнетрона в режим генерации не более чем за 0,5 секунды.
Это достигается тем, что катодный узел конструктивно разделен на две функциональные части, каждая из которых выполняет вполне конкретную роль: автоэлектронный эмиттер инициирует генерацию, а вторично-электронный эмиттер обеспечивает работоспособность магнетронов в течение всего срока службы.
Предмет изобретения
Суть предлагаемого изобретения состоит в следующем: магнетрон, содержащий цилиндрический анод и коаксиально размещенный в нем катодный узел, включающий вторично-электронный эмиттер и размещенный, по крайней мере, на одном из концевых экранов автоэлектронный эмиттер, отличающийся тем, что на одном или двух концевых экранах, электрически связанных с вторично-электронным эмиттером, помещены запускающие катоды, которые содержат одну или несколько комбинаций из шайб - активаторов, выполненных из тугоплавкого металла, содержащих редкоземельный или щелочной металл и соприкасающихся с одной или с двух сторон с автоэлектронным эмиттером, рабочая кромка которого обращена к аноду и выступает над поверхностью активатора.
Редкоземельный или щелочной металл, содержащийся в активаторе, адсорбируется на поверхности автоэлектронного эмиттера, тем самым активирует его и обеспечивает стабильный ток автоэлектронной эмиссии, необходимый для непрерывного и стабильного инициирования генерации магнетрона.
Ниже приведены различные конструктивно-технологические решения по предлагаемому изобретению. На приведенных чертежах приняты следующие обозначения: 1 - анод, 2 - экраны, 3 - вторично-электронный эмиттер; 4 - керн; 5 - автоэлектронный эмиттер; 6 - активаторы; 7 - разделяющие шайбы; 8 - разделяющая шайба с округлением.
На фиг.1 приведено схематическое изображение магнетрона с запускающими катодами, расположенными на обоих концевых экранах, который состоит из анода, экранов, вторично-электронного эмиттера, керна, автоэлектронного эмиттера, разделяющих шайб и активаторов, имеющих коническую поверхность. После включения высокого напряжения, эмитированные с автоэлектронного катода электроны, устремляясь к аноду вдоль силовых линий электрического поля, формируют электронный поток, инициирующий мгновенный запуск магнетрона в режим генерации. Следует отметить, что количество автоэлектронных эмиттеров и активаторов может меняться в зависимости от толщины запускающего катода h и величины номинального тока автоэлектронной эмиссии, достаточной для инициирования генерации конкретного типа магнетрона.
На фиг.2 изображен аналогичный катодный узел, содержащий запускающий катод на одном из концевых экранах.
1
2
3
На фигуре 2 (а) изображен фрагмент A фигуры 2, на котором в увеличенном виде изображен запускающий катод и указаны следующие размеры: d - диаметр вторично-электронного эмиттера, верхнего основания активатора и разделяющей шайбы; d - диаметр нижнего основания активатора; d - диаметр концевого экрана; h - толщина запускающего катода.
Геометрические размеры запускающего катода соответствуют условиям:
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
.
Угол наклона φ между образующей конической поверхности и осью определяется из соотношения
<mrow><mtext>tg</mtext><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>(d</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext> - d</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>)/2h</mtext></mrow>
<mrow><mtext> 0</mtext><mo>≤</mo><mi>φ</mi><mo>≤</mo><msub><mrow><mtext>arctg(d</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext> - d</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>)/2h;</mtext></mrow>
; где
<mrow><mi>ϕ</mi><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo></mrow>
В случае, если
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.
<mrow><mi>φ</mi><mo>></mo><msub><mrow><mtext>arctg(d</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext> - d</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>)/2h</mtext></mrow>
В случае, если
- между активатором и вторично-электронным эмиттером образуется ступенька, которая может привести к ухудшению параметров магнетрона.
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mn>0</mn><mo><</mo><mi>r</mi><mo>≤</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow>
В случае, если
(частный случай), конструкция катода принимает вид, показанный на фиг.3 с активаторами, имеющими цилиндрическую поверхность, где может быть добавлена разделяющая шайба 8, имеющая радиус скругления, соответствующий условию
, и диаметр, равный диаметру активаторов. Следует отметить, что и для этой конструкции запускающего эмиттера количество автоэлектронных эмиттеров с активаторами может меняться в зависимости от толщины запускающего катода h и величины номинального тока автоэлектронной эмиссии, достаточной для инициирования генерации конкретного типа магнетрона.
1
2
3
4
На фигуре 3 (а) изображен фрагмент A фигуры 3, на котором в увеличенном виде изображен запускающий катод с активаторами в виде цилиндров и указаны следующие размеры: d - диаметр вторично-электронного эмиттера; d - диаметр активаторов; d - диаметр концевого экрана; d - диаметр автоэлектронного эмиттера; h - толщина запускающего катода.
Геометрические размеры этого катода соответствуют условиям:
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><mn>0</mn><mo><</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><mn>0</mn></mrow>
Если
- автоэлектронные эмиттеры экранируются активаторами.
<mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo><</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Если
- высока вероятность разрушения кромки автоэлектронного эмиттера вследствие перегрева, обусловленного ионной бомбардировкой и протеканием через него тока автоэлектронной эмиссии.
На фигуре 3 (б) схематично изображен фрагмент A фигуры 3, на котором представлен один из вариантов исполнения запускающего катода. В этом примере, с целью повышения эффективности активирования автоэлектронных эмиттеров, на активаторе, с одной или с двух сторон от автоэлектронного эмиттера, выполняется цилиндрическая канавка. Геометрические размеры этого катода соответствуют условиям:
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>5</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>d</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><mn>0</mn><mo><</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
.
В предлагаемом изобретении автоэлектронные эмиттеры толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон изготавливаются в виде шайб из тантала или специальных сплавов тугоплавких металлов, например тантала с вольфрамом, тантала с цирконием, вольфрама с рением, тантала с рением и др. Рабочая кромка автоэлектронного эмиттера обращена к аноду и выступает над поверхностью активатора.
В качестве активаторов могут использоваться различные химические соединения или сплавы, содержащие редкоземельный или щелочной металл.
Вторично-электронный эмиттер может быть изготовлен из эмиссионно-активных соединений или металлов со стабильными вторично-электронными 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.
Концевые экраны могут быть изготовлены 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.
Для предотвращения процессов взаимодействия материалов вторично-электронного эмиттера и активатора, а также материалов активатора и автоэлектронного эмиттера допускается размещение между ними разделяющих шайб 7 или 8, которые могут быть изготовлены из тугоплавкого металла, например вольфрама или молибдена.
Достигнутые результаты
В магнетроне, являющемся предметом изобретения, катодный узел конструктивно разделен на две функциональные части, каждая из которых выполняет вполне конкретную роль: автоэлектронный эмиттер инициирует генерацию, а вторично-электронный эмиттер обеспечивает работоспособность магнетронов в течение всего срока службы.
Благодаря такому разделению достигается мгновенный запуск магнетрона в режим генерации, высокая надежность и стабильность, эксплуатационных параметров мощных и сверхмощных магнетронов коротковолнового диапазона длин волн.
Практическая реализация изобретения
Срок службы различных магнетронов, в том числе, мощных и сверхмощных магнетронов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с предложенной конструкцией катодного узла, являющимся предметом изобретения, существенно выше, чем у магнетронов со стандартной конструкцией катодных узлов.
Также предложенная конструкция катодного обеспечивает мгновенный запуск мощных и сверхмощных магнетронов указанного диапазона длин волн в режим генерации не более чем за 0,5 секунд.
Пример
Для исследования процесса мгновенного запуска магнетрона в режим генерации были изготовлены и исследованы магнетроны 3-миллиметрового диапазона длин волн с мощностью P~6 кВт. Катодные узлы соответствовали конструкции, показанной на фиг.2, и состояли из автоэлектронных эмиттеров, изготовленных из танталовой фольги толщиной ~4 мкм, и прессованных палладий-бариевых активаторов. В качестве основного вторично-электронного эмиттера использовался металлосплавной иридий-лантановый катод.
кат.
Инициирование генерации этого магнетрона происходило при температуре катода T~300K в течение 0,5 с после подачи анодного напряжения.
Источники информации.
1. 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.
2. Патент RU 2136076 C1, 27.08.1999. Махов В.И.
3. Магнетрон сантиметрового диапазона, пер. с английского под ред. С.А. Зусмановского, изд. «Советское радио», М., 1951, стр.134-138.