МАГНЕТРОН С БЕЗНАКАЛЬНЫМ КАТОДОМ Российский патент 1994 года по МПК H01J1/32 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электровакуумным приборам сверхвысоких частот.

Известен магнетрон с безнакальным катодом, принятый за прототип. Этот магнетрон имеет анод и концентричный с ним катод, включающий керн из тугоплавкого металла с экранами, на котором расположены вторично-электронные эмиттеры в виде втулок из вольфрамовой губки, пропитанной алюминатом бария-кальция и чередующиеся с ними автоэлектронные эмиттеры в виде шайб из танталовой фольги толщиной в несколько микрон, выступающие над поверхностью вторично-электронных эмиттеров. Внутри керна располагается технологический подогреватель, необходимый для нагрева катода при откачке магнетрона и при активировке катода. При эксплуатации подогреватель не используется.

Существенными недостатками этого магнетрона являются его пониженные по сравнению с магнетронами, имеющими накаливаемый катод, надежность и долговечность. Причиной отказов является снижение эмиссионной активности катодов (их деградация).

Для пояснения физических явлений, обуславливающих процесс деградации катода магнетрона - прототипа, ниже приводится краткое схематическое описание процесса его активировки при изготовлении.

В прототипе используется безнакальный катод, в котором в качестве материала вторично-электронных эмиттеров применяется вольфрамовая губка, пропитанная алюминатом бария-кальция состава кВАО˙lСаО˙mAl₂O₃ (так называемый импрегнированный эмиттер), а в качестве автоэлектронных эмиттеров применяются шайбы из тонкой (несколько микрон) танталовой фольги. При активировке во время откачки безнакальный катод разогревают с помощью технологического подогревателя до температуры 1300-1400 К. В процессе тренировки магнетрон вводят в генерированный режим с нагретым до 1200-1300 К катодом. Под влиянием нагрева катода и бомбардировки его поверхности электронами происходит частичное разложение поверхностного слоя алюмината бария-кальция, входящего в состав вторично-электронных эмиттеров с выделением свободного бария. Освобождающиеся при этом атомы бария оседают на поверхностях, ограничивающих пространство взаимодействия. Появление пленки бария на поверхностях автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров приводит к их активировке, т.е. к повышению их эмиссионной способности.

Деградация безнакального катода магнетрона (снижение его эмиссионной активности) при эксплуатации магнетрона происходит в результате того, что электроны и ионы, бомбардирующие катод, сбивают барий с поверхности автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров. При этом работа магнетрона становится нестабильной (возрастают флюктуации фронта импульсов высокочастотных колебаний и флюктуации генерируемой частоты, возрастает число пропусков импульсов генерации, магнетрон искрит), а затем вообще перестает возбуждаться.

Процессом, обеспечивающим при эксплуатации магнетрона с безнакальным катодом частичное восполнение убыли атомов бария, теряемых поверхностями автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров, и тем самым замедляющим его деградацию, является происходящее под действием электронной бомбардировки разложение алюмината бария-кальция, содержащегося во вторично-электронных эмиттерах, с выделением свободного бария. Однако, при низкой рабочей температуре безнакального катода, которая обычно не превышает 500-800 К, происходит обеднение поверхностного слоя вторично-электронных эмиттеров барием (так как диффузия атомов бария в алюминате бария-кальция при указанной температуре слишком мала) и упомянутое восполнение приостанавливается, что приводит к постепенному снижению коэффициента вторично-электронной эмиссии катода, а также к уменьшению тока автоэлектронной эмиссии. Этим объясняется пониженная долговечность магнетронов с безнакальным катодом.

В связи с разбросом свойств материалов, из которых изготавливаются импрегнированные вторично-электронные эмиттеры безнакальных магнетронов, время деградации этих магнетронов имеет большой разброс, что обуславливает пониженную их надежность.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности магнетронов с безнакальными катодами.

Цель достигается тем, что в магнетроне с безнакальным катодом, содержащем анод и концентричный с ним катод, состоящий из автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров, в качестве материала вторично-электронных эмиттеров используется сплав палладия с 0,5-10 мас.% бария.

Указанный сплав конгруэнтно (т.е. с сохранением соотношения компонентов) распыляется под действием нагрева и электронной бомбардировки в диапазоне рабочих температур. Эта особенность палладиево-бариевых вторичных эмиттеров в отличие от прототипа обеспечивает постоянство состава поверхности вторично-электронных эмиттеров и длительное сохранение величины коэффициента вторичной электронной эмиссии, обеспечивает постоянную активировку автоэлектронных эмиттеров как в процессе изготовления магнетронов, так и в течение всего срока эксплуатации. Ограничение концентрации бария в палладиево-бариевом сплаве в указанных пределах обусловлено снижением эмиссионных свойств сплава при более низких концентрациях бария и повышением хрупкости при более высоких.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый магнетрон отличается тем, что его вторично-электронные эмиттеры выполнены из сплава палладия с барием. Таким образом, заявляемый магнетрон соответствует критерию "новизна" изобретения.

Сравнение заявляемого решения с другими решениями показывает, что вторично-электронные эмиттеры из сплава палладия с барием известны, но при их введении в заявляемый магнетрон они проявляют новое свойство - способность активировать автоэлектронные эмиттеры катода в процессе изготовления и в течение срока службы прибора и сохранять свойства своей поверхности. Эта особенность сплава палладия с барием обусловлена его конгруэнтной распыляемостью под действием электронной бомбардировки и нагрева. При этом выделение свободного бария является, в отличие от известного применения сплава палладия с барием (в усилителях М-типа), полезным явлением, обуславливающим достижение цели изобретения - повышение долговечности и надежности магнетрона с безнакальным катодом. Использование вторично-электронных эмиттеров из сплава палладия с барием в безнакальных катодах магнетронов, имеющих автоэлектронные эмиттеры в виде шайб из металлической фольги, авторам не известно. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже показан предлагаемый магнетрон с безнакальным катодом.

Магнетрон состоит из анода 1 и концентричного с ним безнакального катода, включающего керн из тугоплавкого металла 2 с экранами 3, на котором расположены вторично-электронные эмиттеры в виде втулок 4 из сплава палладия с барием и чередующиеся с ними автоэлектронные эмиттеры 5 в виде шайб из танталовой фольги толщиной в несколько микрон, выступающие над поверхностью вторично-электронных эмиттеров. Технологический подогреватель, расположенный внутри керна катода и используемый для нагрева катода при откачке магнетрона и активировке катода, на чертеже не показан.

Предлагаемый магнетрон работает следующим образом.

При подаче на него импульса анодного напряжения автоэлектронные эмиттеры 5 эмиттируют электроны. В скрещенных электрическом и магнитном полях эти электроны движутся по циклоидальным траекториям и, закручиваясь вокруг катода, образуют облако пространственного заряда. Шумовые колебания, возникающие в этом облаке, благодаря наличию анодной резонаторной системы 1 организуются в колебания рабочего вида.

Электроны, которые в своем движении заимствуют энергию у высокочастотного поля, возвращаются на катод со скоростью, отличной от нуля, и выбивают из палладиево-бариевых вторично-электронных эмиттеров 4 вторичные электроны. Сформировавшееся облако пространственного заряда экранирует автоэлектронные эмиттеры 5 от электрического поля анода. Дальнейшее протекание анодного тока магнетрона обеспечивается вторичными электронами.

Повышенные надежность и долговечность безнакального магнетрона с палладиево-бариевыми вторично-электронными эмиттерами обусловлены тем, что по мере распыления под действием электронной бомбардировки поверхностных слоев вторично-электронных эмиттеров обнажаются их нижележащие слои того же состава и с теми же эмиссионными свойствами, т.е. отсутствует процесс обеднения барием поверхности вторично-электронных эмиттеров. Это обеспечивает длительное сохранение первоначального значения коэффициента вторичной электронной эмиссии указанных безнакальных катодов. Кроме того, стабильное количество бария, постоянно распыляемого с поверхности вторично-электронных эмиттеров, частично осаждающегося на поверхности автоэлектронных эмиттеров и активирующего их, обеспечивает высокую и стабильную во времени автоэлектронную эмиссию этих катодов.

Такой механизм работы безнакального катода с палладиево-бариевыми вторично-электронными эмиттерами обеспечивает длительное сохранение эмиссионных свойств безнакального катода, а следовательно, надежную и долговечную работу магнетрона в целом.

Переработка одного из серийно выпускаемых магнетронов с безнакальным катодом в соответствии с данной заявкой позволила повысить ресурсную долговечность этого магнетрона в несколько десятков раз.

Сущность изобретения: в магнетроне с безнакальным катодом, содержащем анод и концентричный с ним катод, состоящий из автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров, в качестве материала вторично-электронных эмиттеров используется сплав палладия с 0,5 - 10,0 мас.% бария. Это обеспечивает повышение надежности магнетрона. 1 ил.

МАГНЕТРОН С БЕЗНАКАЛЬНЫМ КАТОДОМ, содержащий концентричные анод и катод в виде автоэлектронных и вторично-электронных эмиттеров, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в качестве материала вторично-электронных эмиттеров использован сплав палладия с барием, содержащий барий в количестве 0,5 - 10,0 мас.%.