МАГНЕТРОН Российский патент 1994 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в приборах СВЧ М-типа, в частности, в магнетронах с малым временем готовности.

Известен магнетрон, содержащий анод, катод, в конструкции которого для концентрации электрического поля часть поверхности катода выполнена в виде дисков с заостренным краем с расположенным на нем множеством тонких проволочек [1] . В этом же магнитроне с той же целью предложена специальная форма экранов, а также подача на эти экраны различных потенциалов относительно стержня (керна) катода. К недостаткам указанного магнетрона относится то, что без электроразрядного процесса невозможно возбуждение магнетрона только за счет наличия острых краев и множества проволочек, не обеспечивающих необходимую автоэлектронную эмиссию. Кроме того, в процессе работы магнетрона не может быть обеспечена стабильная автоэлектронная эмиссия, т. к. изменяется форма острых кромок и ухудшается так называемый форм-фактор β, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля. При этом наличие большого количества проволочек и необходимость их закрепления на острие катода резко осложняет конструкцию и технологию воспроизводства катода.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к изобретению является магнетрон, описанный в [2] . Он содержит анод и размещенный коаксиально внутри него катод, состоящий из цилиндрического полого стержня (керна катода) с расположенными на его поверхности чередующимися эмиссионноактивными элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии.

Недостатками данного магнетрона является то, что расчеты электрического поля на катоде для магнетронов миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн при анодном напряжении от единиц киловольт до нескольких десятков киловольт показывают, что напряженность электрического поля (Е) не превышает значения 5˙10⁵ В/см. Величина напряженности электрического поля, необходимая для автоэлектронной (АЭ) эмиссии должна быть порядка 10⁷ B/см при самой минимальной работе выхода эмиттирующего элемента. Напряженность электрического поля Е≈5˙10⁵ В/см недостаточна для автоэлектронной эмиссии, поэтому покрытие в виде лент или колец, параллельных или перпендикулярных оси катода, предназначенных для эмиссии электронов, не может обеспечить необходимую АЭ эмиссию для запуска магнетрона. Наличие двух разных покрытий, обеспечивающих эмиссию электронов в холодном состоянии и вторичноэлектронную эмиссию, не может быть стабильным во времени при работе магнетрона, т. к. имеет место перенос активного вещества с катода на анод, а также обратный процесс - перенос активного вещества с анода на катод и, как следствие, образование однородносмешанного покрытия по всей поверхности катода.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков и создание экономичного и надежного магнетрона с практически мгновенной готовностью без затраты энергии на разогрев катода и увеличенным сроком службы в котором обеспечивает стабильность первичной (автоэлектронной) и вторичной эмиссий.

Указанная задача решается тем, что в магнетроне, содержащем анод и коаксиально размещенный внутри него катод, состоящий, например, из цилиндрического или полого цилиндрического стержня с расположенными на его поверхности чередующимися элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии, элементы, обеспечивающие первичную и вторичную эмиссии, выполнены в виде, соответственно, по меньшей мере одного плоского диска с центральным отверстием из сверхтонкой фольги тугоплавкого металла и по меньшей мере одной цилиндрической втулки из токопроводящего материала, установленных на указанном стеpжне соосно, при этом наружные диаметры элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, больше наружных диаметров элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию на 10-20% величины межэлектронного зазора, а соответствующие торцы каждого из указанных элементов примыкают друг к другу. Магнетрон содержит множество элементов, обеспечивающих первичную и вторичную эмиссии.

Кроме того, для решения задачи каждый из концов цилиндрических втулок, образующих элементы вторичной эмиссии, имеет вид усеченного конуса, диаметр большего основания которого является наружным диаметром указанных втулок, а меньшее основание является торцем этих же элементов, которые примыкают к соответствующим торцам элементов, обеспечивающих первичную эмиссию. Сочетание двух усеченных конусов образует кольцевую канавку, которая уменьшает экранирующее действие вторичного эмиттера. Форма канавки может иметь и другую геометрию. Торцы элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, примыкают к соответствующим торцам элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию, через плоские цилиндрические защитные шайбы из тонкой фольги, выполненные из тугоплавкого металла, преимущественно вольфрама, при этом толщина этих шайб больше толщины элементов, обеспечивающих первичную эмиссию. Элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из одного из тугоплавких металлов, преимущественно Та, Nb, W или из сплава Та и W при следующем соотношении компонентов: Та - 85-90% , W - остальное, или из сплава W - 85-90% , Та - остальное.

Применение сплавов из тугоплавких металлов для первичных эмиттеров позволяет стабилизировать автоэлектронную эмиссию и обеспечить их формоустойчивость.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 показана в разрезе рабочая часть магнетрона с одним элементом, обеспечивающим первичную эмиссию (автоэмиссию), и с двумя элементами, обеспечивающими вторичную эмиссию; на фиг. 2 - то же, но с одним элементом, обеспечивающим вторичную эмиссию; на фиг. 3 - с пятью элементами, обеспечивающими первичную эмиссию, и четырьмя элементами, обеспечивающими вторичную эмиссию, на фиг. 4 - цилиндрические защитные шайбы 6 из тонкой фольги, преимущественно из W толщиной 15-30 мкм; на фиг. 5 - элементы вторичной эмиссии с торцев имеют вид усеченного конуса и на фиг. 6 - то же с защитными шайбами; на фиг. 7 - вариант схемы сборки катодного узла на фиг. 8 - собранный узел с указанием места приварки фокусирующего экрана 5 к полому цилиндрическому стержню 3, внутри которого может быть размещен подогреватель, не показанный на фигурах, предназначенный для технологической обработки катода при откачке и тренировке магнетрона.

В случае сплошного цилиндрического стержня для этих же целей может быть использован подогреватель паяльникового типа.

На фиг. 1, 2, 3 чередующиеся элементы 1, обеспечивающие первичную эмиссию, и элементы 2, обеспечивающие вторичную эмиссию, размещены на цилиндрическом полом стержне 3, расположенном коаксиально внутри анода 4. На цилиндрическом полом стержне расположены также фокусирующие экраны 5. Цилиндрический полый стержень может быть выполнен из молибдена или другого тугоплавкого металла или их сплавов. Между указанными эмиттерами с целью защиты элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, от возможности их разрушения в результате химического и физического взаимодействия с материалом элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию, необходима установка прокладок в виде цилиндрических защитных шайб 6 (фиг. 4, 6). Например, при использовании в качестве элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, танталовой фольги, а в качестве элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, - сплава палладий-барий, может быть установлена защитная шайба из вольфрама.

В качестве элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, может использоваться сверхтонкая фольга или проводящая пленка в виде плоских дисков толщиной от долей микрона до нескольких микрон, изготовляемых методом штамповки или электроэрозии.

В качестве элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, могут использоваться импрегнированные катоды, а также катоды на основе сплавов металлов, включая металлы платиновой группы Pt, Ir, Os, Ru, Rh, Pd с добавками активаторов в виде одного или нескольких элементов щелочноземельных металлов (Ва, Sr, Ca).

Функциональным участком элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, является его тонкий край, выступающий над поверхностью элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, на высоту h. Пунктирными линиями показана концентрация электрического поля на тонком крае этого элемента (фиг. 1(. Высота h первичного электронного эмиттера над поверхностью элемента, обеспечивающего вторичную электронную эмиссию, выбирается из условия: она должна быть равна или меньше эффективного размера облака синхронного пространственного заряда в магнетроне над той же поверхностью, что выражается формулой
h≅ - 1 (1), где d_к - диаметр элемента, обеспечивающего вторичную электронную эмиссию.

ω_с и ω_ц - круговая синхронная и циклотронная частоты, соответственно, при этом
ω_с= 2Π , где f_o - генерируемая частота,
n - номер вида колебаний (для "π" - вида n = N/2 , где N - число резонаторов магнетрона), а
ω_ц= B , где е и m - заряд и масса свободного электрона соответственно, а
В - индукция постоянного магнитного поля.

Для магнетронов различной конструкции значения h обычно составляют 10-20% от величины межэлектродного зазора, равного , где D_a - диаметр анода магнетрона.

В зависимости от типа магнетрона и его конструкции, а также от значения "пускового" тока (тока возбуждения) может быть как один, так и несколько элементов, обеспечивающих первичную эмиссию.

При постановке нескольких таких элементов минимальное расстояние между ними с целью ослабления их взаимной экранировки, как это показывают теоретические оценки и экспериментальные исследования, может быть определено как
l = (4 - 6)h (2), где h - высота выступающего края элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, значение которой определяется из выражения (1).

При соблюдении этого условия ток запуска может быть уменьшен не более, чем на 10% своего максимального значения, представляющего собой сумму токов отдельных элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, без учета их взаимного экранирования.

Магнетрон работает следующим образом.

Ток возбуждения магнетрона обеспечивается автоэлектронной эмиссией с обращенного к аноду края элемента, обеспечивающего первичную (автоэлектронную) эмиссию, вызываемой сильным электрическим полем за счет приложенного анодного напряжения (разность потенциалов между катодом и анодом). Эмиттируемые указанным элементом электроны, ускоряясь и меняя направление движения под действием СBЧ электромагнитного поля, частично попадают на элемент, обеспечивающий вторичную эмиссию, и выбивают вторичные электроны, которые, в свою очередь, лавинно размыкаясь, обеспечивают основной рабочий ток прибора.

В соответствии с этим изобретением разработаны и выпускаются промышленностью безнакальные магнетроны с АЭ возбуждением в 2-х и 3-х сантиметровом диапазонах длин волн на различные высокочастотные импульсные мощности, а также могут быть созданы магнетроны в миллиметровом диапазоне. Эти магнетроны характеризуются мгновенной готовностью (готовность с первого импульса), высокой надежностью и долговечностью более 10000 ч, возможностью безынерционного перехода с режима с малым коэффициентом заполнения на режим с большим коэффициентом заполнения и наоборот, высокой экономичностью ввиду отсутствия потребления мощности в цепи канала. Использование таких магнетронов в передающих устройствах позволяет существенно упростить их схему, уменьшить габариты и массу, т. к. из схемы исключаются около 50 радиокомпонентов. (56) 1. Патент США N 3109123, кл. Н 01 J 25/50, 1962.

2. Патент Франции N 1306999, кл. Н 01 J 25/50, 1961.

Использование: в приборах СВЧ М-типа, в частности, в магнетронах с малым временем готовности. Сущность изобретения: ток возбуждения магнетрона обеспечивается автоэлектронной эмиссией с обращенного к аноду края элемента, обеспечивающего первичную эмиссию. Она вызывается сильным электрическим полем за счет приложения анодного напряжения. Эмиттируемые указанным элементом электроны ускоряются и меняют направление движения под действием СВЧ электромагнитного поля. Они частично попадают на элемент, обеспечивающий вторичную эмиссию и выбивают вторичные электроны. Последние, в свою очередь, лавинно размножаясь, обеспечивают основной рабочий ток прибора. Использование магнетрона позволяет существенно упростить схему, уменьшить габариты и массу. 6 з. п. ф-лы. 8 ил.

1. МАГНЕТРОН, содержащий анод и коаксиально размещенный внутри него катод, состоящий из цилиндрического стержня с расположенными на его поверхности элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную и вторичную эмиссии, выполнены в виде соответственно N (где N = 1. . . 1) плоских дисков с центральными отверстиями из сверхтонкой фольги тугоплавкого металла и N (где N = 1. . . ) цилиндрических втулок из эмиссионно-активного материала, установленных соосно, при этом наружные диаметры элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, больше наружных диаметров элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию на 10 - 20% величины межэлектродного зазора, а соответствующие торцы каждого из указанных элементов примыкают друг к другу. 2. Магнетрон по п. 1, отличающийся тем, что каждый из концов цилиндрических втулок, образующих элементы, обеспечивающие вторичную эмиссию, имеет вид усеченного конуса, диаметр большего основания которого является наружным диаметром вышеупомянутых втулок, а меньшее основание является торцем этих же элементов, которые примыкают к соответствующим торцам элементов, обеспечивающих первичную эмиссию. 3. Магнетрон по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что торцы элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, примыкают к соответствующим торцам элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию, через плоские цилиндрические защитные шайбы из тонкой фольги, выполненные из тугоплавкого металла, преимущественно вольфрама, при этом толщина этих шайб больше толщины элементов, обеспечивающих первичную эмиссию. 4. Магнетрон по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из одного из следующих металлов Ta, Nb, W. 5. Магнетрон по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из сплава Ta и W при следующем соотношении компонентов: Ta - 85 - 90% , W - остальное. 6. Магнетрон по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из сплава W и Ta при следующем соотношении компонентов: W - 85 - 90% , Ta - остальное. 7. Магнетрон по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, имеют толщину 0,5 - 10,0 мкм.