СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДНО-СЕТОЧНОГО УЗЛА С ВСТРОЕННОЙ В КАТОД ТЕНЕВОЙ СЕТКОЙ
METHOD OF MAKING A CATHODE-MESH ASSEMBLY WITH A SHADOW MESH BUILT INTO THE CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к созданию катодно-сеточных узлов для вакуумных электронных приборов, в том числе мощных импульсных приборов СВЧ-диапазона с низковольтным сеточным управлением электронным пучком.
Известен способ изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), содержащего металлопористый термоэмиссионный катод, теневую сетку, размещенную вблизи эмитирующей поверхности катода, и управляющую сетку, перемычки которой защищены от прямого перехвата тока катода перемычками теневой сетки [А.С. Гилмор-мл Лампы с бегущей волной / М:. Техносфера. 2013. 613 с.]. Способ изготовления КСУ включает закрепление чашек теневой и управляющей сеток в металлокерамическом узле, совместную прошивку сеток методом электроискровой резки и закрепление катода на некотором расстоянии от перемычек теневой сетки, причем это расстояние превышает расстояние, на которое катод приближается к теневой сетке в процессе термического разогрева катода. В рабочем режиме катода при температуре 1050÷1100°С расстояние h между эмитирующей поверхностью катода и перемычками теневой сетки неодинаково по поверхности катода и изменяется в радиальном направлении от центра катода к его периферии от ~100 мкм до ~20 мкм и менее, вплоть до касания катода и теневой сетки. Известно, что перемычки теневой сетки уменьшают эмиссию катода в прилегающей к ним области на расстоянии ~1.5 h от края перемычки, уменьшая его эффективную площадь эмиссии, а следовательно и ток катода [Ю.А. Григорьев, Б.С. Правдин, В.И. Шестеркин. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1987. Вып. 7(1246). М.: Изд-во ЦНИИ Электроника. 71 с.]. Причем экранированная перемычками теневой сетки площадь катода существенно больше площади перемычек теневой сетки. Чем больше толщина перемычек теневой сетки и расстояние от поверхности катода до перемычек теневой сетки h, тем больше площадь экранировки катода и, соответственно, меньше эффективная площадь катода. Кроме того, в области полевой экранировки по периметру перемычек теневой сетки траектории электронов отклоняются к центру ячеек сетки, что увеличивает угловой разброс траекторий электронов, затрудняет фокусировку и сопровождение электронного потока до коллектора без потерь.
Известен также способ изготовления КСУ, содержащий изготовление «сэндвич-сетки» и ее закрепление непосредственно на эмитирующей поверхности катода. «Сэндвич-сетка» представляет собой многослойную структуру типа проводник-диэлектрик-проводник [G.V. Miram and E.L. Lien. Convergent electron gun with bonded nonintercepting control grid // Techn. Digest. 1979. International Electron Devices Meeting. P. 290-292]. Размещенная на поверхности катода проводящая пленка «сэндвич-сетки» является теневой сеткой, а изолированная от нее через пленку диэлектрика вторая пленка, обращенная к аноду, является управляющей сеткой. Толщина проводящих пленок с обеих сторон диэлектрика, соответственно, и сеток, составляет несколько микрометров. За счет малой толщины теневой сетки площадь полевой экранировки катода существенно уменьшается, что позволяет увеличить эффективную эмиссионную площадь катода, а за счет этого и эмиссионный ток катода по сравнению с сеточной структурой, подвешенной над поверхностью катода при той же температуре катода. Формирование перемычек в «сэндвич-сетке» осуществляют любым известным способом.
Недостатком данного способа изготовления КСУ является незащищенность поверхности диэлектрика, разделяющего теневую и управляющую сетки от напыления на нее продуктов испарения с термоэмиссионного катода, что приводит к утечкам между сетками, пробою и выходу из строя КСУ в целом. Для приборов с длительным сроком эксплуатации (космические приборы) используют КСУ с вакуумным зазором между теневой и управляющей сетками.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ размещения перемычек теневой сетки в пазах, сформированных в катодной таблетке [М.П. Апин, С.М. Бондаренко, С.И. Кузюткин, С.А. Нефедов, И.В. Поляков, Е.А. Терешин. Современные импульсные ЛБВ производства АО «НПП «Алмаз» и перспективы их развития // Материалы юбилейной конференции АО «НПП «Алмаз». Электронные приборы и устройства СВЧ. 18-19 сентября 2017. Г. Саратов. С. 52-57]. Данный способ изготовления КСУ позволяет уменьшить возвышение верхней части перемычек теневой сетки над поверхностью катода при любой их толщине, уменьшить площадь экранировки катода и улучшить ламинарность электронного пучка. Пазы в катодной таблетке имеют топологию размещения, близкую к топологии перемычки теневой сетки. Формирование пазов выполняют электроискровым способом с помощью специально изготовленного инструмента - пуансона с радиальными и кольцевыми выступами.
Недостатком данного способа является то, что изготовление пазов и перемычек теневой и управляющей сеток, разделенных вакуумным зазором, осуществляют разными инструментами, обеспечивающими различные допуски размеров перемычек и пазов. Вследствие этого топология и геометрические размеры пазов и перемычек теневой сетки отличаются, что затрудняет встраивание перемычек теневой сетки в соответствующие пазы. Для преодоления недостатка данного способа пазы в катодной таблетке формируют шириной, превышающей ширину перемычек, что уменьшает эмиссионную площадь катода. Так, например, для стандартного сферического катода с диаметром цилиндрической части 10 мм и радиусом кривизны рабочей поверхности 7.65 мм эмиссионная площадь катода уменьшается на ~ 9%. Для компенсации утраченной эмитирующей площади катода и восстановления требуемого для работы прибора тока увеличивают рабочую температуру катода, что снижает его долговечность и надежность.
Вследствие неравномерности «срабатывания» электрода в процессе изготовления пазов их глубина в различных местах поверхности катода различается на несколько десятков микрон. В результате после встраивания перемычек теневой сетки в пазы высота их возвышения над поверхностью катода различается по поверхности катода, что приводит к увеличению разброса углов наклона траекторий электронов в ячейках катодно-сеточного узла, ухудшению ламинарности электронного потока и снижению токопрохождения на коллектор.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение долговечности термоэмиссионного катода, улучшение ламинарности электронного потока, а также обеспечение минимального разброса углов наклона траекторий электронов.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления катодно-сеточного узла с встроенной в катод теневой сеткой, включающем изготовление в катодной таблетке пазов и размещение в них перемычек теневой сетки, формирование пазов в катодной таблетке осуществляют электроискровым способом непосредственно перемычками теневой сетки. При этом глубину пазов формируют такой, чтобы после разогрева катода до рабочей температуры нижняя плоскость перемычек теневой сетки размещалась на доньях пазов, а верхняя плоскость перемычек теневой сетки возвышалась над эмитирующей поверхностью катода не более чем на 10 мкм.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен элемент КСУ с встроенной в катодную таблетку (2) перемычкой (1) теневой сетки, изготовленный традиционным способом. При раздельном изготовлении пазов в катодной таблетке и прошивке перемычек теневой и управляющей сеток размеры пазов (глубина H1 и ширина L2) неодинаковы в различных частях поверхности катода. Неодинакова также и высота Н2 возвышения перемычек теневой сетки над поверхностью катода. Ширина пазов L2 превосходит ширину перемычек теневой сетки L1 примерно в три раза.
На Фиг. 2 представлен способ формирования пазов в катодной таблетке в соответствии с предлагаемым изобретением,
где:
3 - управляющая сетка;
4 - теневая сетка;
5 - катодный узел;
6 - металлокерамический узел электронной пушки;
7 - шток.
Изготовление КСУ с встроенной в пазы катодной таблетки перемычек теневой сетки осуществляется следующим образом.
Первоначально осуществляют сборку и закрепление в металлокерамическом узле (6) электронной пушки чашек управляющей (3) и теневой (4) сеток. Затем осуществляют совместную электроискровую прошивку обеих сеток специально изготовленным электродом. Далее катодный узел (5) закрепляют на подвижном штоке (7), вставляют в металлокерамический узел и помещают в ванну с рабочей жидкостью электроискровой установки. Взаимное азимутальное расположение катода и теневой сетки отмечается реперными знаками на обоих электродах. Шток (7) с катодным узлом (5) закрепляют на электроде электроискровой установки, происходит осевое перемещение с точностью до 1 мкм. Затем сближают катод и теневую сетку до появления искрового разряда, после чего осуществляют электроискровую резку пазов. Процесс изготовления пазов завершается, когда перемычки теневой сетки возвышаются над поверхностью катода не более чем на 10 мкм. После химической очистки металлокерамического узла с закрепленными в нем теневой и управляющей сетками в металлокерамический узел вставляют катод по реперным знакам таким образом, чтобы обеспечивалось совмещение пазов с соответствующими перемычками теневой сетки. Катод вдвигают до упора перемычек теневой сетки в донья пазов, затем отодвигают на расстояние, равное длине перемещения катода за счет термического нагрева, в сторону теневой сетки и закрепляют лазерной сваркой.
Положительный эффект достигается за счет высокой точности изготовления пазов минимальной ширины в соответствии с топологией и размерами перемычек теневой сетки, что позволяет максимально увеличить эффективную площадь эмиссии катода за счет уменьшения полевой экранировки его рабочей поверхности. Малая высота возвышения перемычек теневой сетки над поверхностью катода (не более 10 мкм) обеспечивает минимальный разброс углов наклона траекторий электронов, повышает ламинарность электронного потока и увеличивает коэффициент токопрохождения на коллектор.
Источники информации
1. А.С. Гилмор-мл Лампы с бегущей волной / М:. Техносфера. 2013. 613 с.
2. Ю.А. Григорьев, Б.С. Правдин, В.И. Шестеркин. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1987. Вып. 7(1246). М.: Изд-во ЦНИИ Электроника. 71 с.
3. G.V. Miram and E.L. Lien. Convergent electron gun with bonded nonintercepting control grid // Techn. Digest. 1979. International Electron Devices Meeting. P. 290-292.
4. М.П. Апин, С.М. Бондаренко, С.И. Кузюткин, C.A. Нефедов, И.В. Поляков, Е.А. Терешин. Современные импульсные ЛБВ производства АО «НИИ «Алмаз» и перспективы их развития // Материалы юбилейной конференции АО «НИИ «Алмаз». Электронные приборы и устройства СВЧ. 18-19 сентября 2017. Г. Саратов. С. 52-57.