МАГНЕТРОН

Полезная модель относится к области электровакуумных СВЧ приборов, в частности к мощным импульсным магнетронам миллиметрового и субтерагерцового диапазонов частот с широким спектром выходного сигнала, и может быть использована в передатчиках радиолокационных систем (РЛС) нового поколения.
Из уровня техники известны миллиметровые магнетроны с боковым катодом, которые в числе других электровакуумных приборов позволяют осуществить активное освоение субтерагерцового диапазона частот в интересах народного хозяйства и обороны (см. В.М. Исаев и др. «Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона», Доклады ТУСУРа, №4 (34), декабрь 2014; С.В. Гришин и др. «Генерация одиночных хаотичных СВЧ-импульсов в кольцевой автоколебательной системе с ферромагнитной пленкой, под внешним шумовым воздействием», Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 7). Основным недостатком таких устройств является невозможность получения широкого спектра выходного сигнала (сверх 2/τ, где τ - длительность выходного импульса), что обусловлено расположением вторично-эмиссионного катода в пространстве взаимодействия, из-за чего управление частотой изменения анодного напряжения оказывается невозможным.
max
Также из уровня техники известны магнетроны с инжектированным электронным потоком, настраиваемые напряжением, в которых в торцевой области пространства взаимодействия расположен инжектор с горячим катодом, а в пространстве взаимодействия - холодный катод (отрицательный электрод) с низким коэффициентом вторичной эмиссии, что достигается, в первую очередь, выбором материала холодного катода (см. Уилбур Д., Питере Ф. «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями», изд. ИЛ, М., 1961, т. 2, стр. 14-84). Чаще всего в качестве материала для холодного катода используется графит, который имеет коэффициент вторичной эмиссии меньше единицы (σ≈0.6-0.8). Недостатком устройств такого типа является хрупкость графита: он не может быть припаян, а допускает только механическое крепление в катодном держателе и при этом является материалом, малопригодным для работы в вакууме, так как имеет повышенное и длительное газоотделение.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является магнетрон, содержащий цилиндрический анод и катодный узел, включающий соосный аноду цилиндрический холодный катод, расположенный в пространстве взаимодействия внутри анода, и боковой горячий катод, расположенный в торце пространства взаимодействия (см. патент RU 2115193, кл. Н01J 25/50, опубл. 10.07.1998). Недостатками известного устройства также являются сложность изготовления, а также невозможность мгновенного включения в рабочий режим.
Таким образом, технической проблемой является создание простой, прочной и экономичной конструкции миллиметровых и субтерагерцовых магнетронов с широким и сверхшироким спектрами выходного сигнала, а также мгновенным включением в рабочий режим.
В предлагаемом магнетроне, содержащем цилиндрический анод и катодный узел, включающий соосный аноду цилиндрический холодный катод, расположенный в пространстве взаимодействия внутри анода, и боковой горячий катод, расположенный в торце пространства взаимодействия, холодный катод выполнен из наноструктурированного материала на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок с коэффициентом вторичной эмиссии меньше единицы. Горячий катод может быть образован магнетронной инжекторной пушкой и выполнен из наноструктурированного автоэмиссионного материала на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок.
Совокупность изложенных признаков позволяет решить вышеуказанную техническую проблему и получить технический результат, заключающийся в упрощении изготовления катодного узла.
На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого магнетрона.
Предлагаемый магнетрон содержит цилиндрический анод 1 и катодный узел, включающий соосный аноду цилиндрический холодный катод 2 и боковой горячий катод 3. Горячий катод 3 образован магнетронной инжекторной пушкой с управляющим электродом 4. Холодный катод 2 расположен в пространстве взаимодействия 5 с продольным магнитным полем 6 внутри анода 1, а горячий катод 3 - в торце этого пространства 5. Напряжение на анод 1 подается от модулятора 7 анодного питания, а на горячий катод 3 - от источника 8 напряжения накала.
max
Холодный катод 2 выполнен из наноструктурированного материала, а именно снабжен антивторичноэмиссионным покрытием 9 на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок с коэффициентом вторичной эмиссии меньше единицы (σ<1). По своим свойствам такое покрытие полностью соответствует графитовым холодным катодам, но свободно от вышеуказанных недостатков графита.
Горячий катод 3 также может быть выполнен из наноструктурированного материала, а именно снабжен автоэмиссионным покрытием на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок.
Указанные наноструктурированные покрытия характеризуются высокой механической прочностью и твердостью, низким коэффициентом трения, химической стойкостью и низкой адгезией различных загрязнений к его поверхности. Покрытия могут наноситься электрохимическим способом с использованием стандартного гальванического оборудования, и могут быть нанесены на широкий спектр металлических и неметаллических материалов с использованием одного и того же электролита, но разными режимами по току.
2
Электролит для нанесения наноуглеродного покрытия представляет собой коллоидный раствор функциализированных наноразмерных частиц углерода в органическом безводном растворителе (этаноле или изопропаноле). Процесс ведут при температуре электролита около 20-30°С и плотности тока 1-2 мА/дм. Электролит имеет более высокую рассеивающею способность (на 40% и более) по сравнению с рассеивающей способностью электролитов, используемых для нанесения металлических покрытий, что делает возможным нанесение покрытия на детали сложной формы. Технология безотходна, т.к. при осаждении покрытия выделяется только некоторое количество газообразных продуктов. Срок службы электролита практически не ограничен, а его коррекция осуществляется добавкой концентрата функциализированных наноразмерных частиц углерода в органическом растворителе. Толщина покрытия может составлять от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров, время процесса нанесения покрытия на изделие - 2-3 минуты. Шероховатость поверхности покрытия (чистота поверхности) соответствует 12-14 классу чистоты, величина микронеровностей - не более 20 нм.
mах
Измеренные величины коэффициента вторичной эмиссии (σ) покрытия 9 изготовленных образцов холодного катода 2 составляют: 0.7-0.8 ед. (т.е. такого же порядка, как для графита марки МПГ-6).
Предлагаемый магнетрон работает следующим образом.
На боковой горячий катод 3 через источник 8 подают номинальное напряжение накала. На отрицательный электрод 2, соединенный с горячим катодом 3 магнетронной инжекторной пушки, подают импульсное напряжение отрицательной полярности от модулятора 7. На управляющий электрод 4 магнетронной инжекторной пушки синхронно с импульсом от модулятора 7 подают номинальное управляющее импульсное напряжение. После установки режимов по напряжениям магнетрон генерирует частоту, определяемую анодной резонаторной системой.
При изменении напряжения модулятора 7 частота генерации изменяется, а спектр выходного сигнала расширяется. При этом чем меньше внесенная добротность резонаторной системы магнетрона, тем шире может быть получен спектр выходного сигнала. На изготовленных магнетронах при внесенной добротности порядка 50-100 единиц ширина спектра при длительности импульса 0.5-1 мкс составила свыше 200 МГц при выходной импульсной мощности более 5 кВт.
Благодаря использованию при изготовлении горячего катода 3 наноструктурированного материала на основе углерода может быть реализован мгновенный запуск магнетрона в работу. При этом покрытие 9 в виде углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок может быть нанесено простым и экономичным способом с помощью стандартного оборудования. Еще одним достоинством предложенной конструкции магнетрона является то, что в зависимости от наносимого наноструктурированного покрытия эмиттер бокового горячего катода 3 может быть выполнен как горячим термоэмиссионным, так и холодным автоэммиссионным. Последнее исполнение обеспечивает мгновенное включение магнетрона в работу с нулевым временем готовности (при этом источник 8 напряжения накала может быть исключен).