МАГНЕТРОН Российский патент 1995 года по МПК H01J1/30 H01J25/50 

Изобретение относится к СВЧ-электронике.

Известен магнетрон, содержащий анод, катод, у которого для концентрации электрического поля часть поверхности тела выполнена в виде дисков с заостренным краем с расположенным на нем множеством тонких проволочек. В этом же магнетроне также для концентрации электрического поля предложена специальная форма экранов, а также подача на эти экраны различных потенциалов относительно стержня катода. В указанном магнетроне без электроразрядного процесса невозможно его возбуждение только за счет наличия на теле катода острых краев и множества проволочек, не обеспечивающих необходимую автоэлектронную эмиссию. Кроме того, в процессе работы магнетрона не может быть обеспечена стабильная автоэлектронная эмиссия, так как изменяется форма острых кромок и ухудшается так называемый форм-фактор, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля.

Известен также магнетрон, содержащий цилиндрический анод и коаксиально размещенный внутри него цилиндр с фланцами, служащий соответственно вторично-эмиссионным эмиттером с фокусирующими экранами, а также тело автоэлектронного эмиттера, примыкающего к ним.

Существенным недостатком такого магнетрона является то, что конструкция катодного узла не обеспечивает запуск прибора в рабочее состояние при низких рабочих напряжениях (U_раб.<6 кV), что существенно сужает область его использования. Расчеты электрического поля на катоде для магнетронов сантиметрового и дециметрового диапазона длин волн при анодном напряжении от сотен до нескольких киловольт (5 кV) показывают, что напряженность электрического поля, необходимая для автоэлектронной эмиссии, должна составлять не менее 5^.10⁷ V/см при работе выхода эмиттирующего элемента не более 4 эV. Напряженность поля порядка 10⁶ V/см не достаточна для автоэлектронной эмиссии с автоэлектронного катода, выполненного из фольги толщиной от нескольких десятых до нескольких микрон.

Целью изобретения является обеспечение возможности создания в магнетроне напряженности поля, при которой автоэлектронная эмиссия будет достаточна для возбуждения магнетрона и мгновенного запуска без предварительного разогрева катода.

Указанная цель достигается тем, что в магнетроне, содержащем цилиндpический катод, коаксиально расположенный в нем с зазором цилиндр с фланцами, служащими соответственно вторично-эмиссионным эмиттером и фокусирующими экранами, а также тело автоэлектронного эмиттера, по крайней мере в одном из указанных фланцев выполнено по меньшей мере одно отверстие, в котором размещено тело автоэлектронного эмиттера, закрепленное на несущем электроде и изолированное от цилиндра с фланцами. За счет малого расстояния между краями отверстий в фланце и автоэлектронным эмиттером подача небольшого напряжения на эмиттер создает необходимую напряженность поля на торце и вызывает достаточный первичный ток для запуска вторично-эмиссионного эмиттера и магнетрона в целом в рабочий режим.

В зависимости от величины запускающего тока автоэлектронные эмиттеры могут быть выполнены пленочными и расположенными по окружности фланца. Для увеличения эффективности использования автоэлектронных эмиттеров они могут располагаться в отверстиях, которые вытянуты вдоль радиуса фланца.

Для снижения ионной бомбардировки торца тело автоэлектронного эмиттера имеет изгиб таким образом, чтобы рабочий торец находился над цилиндром вторично-эмиссионного эмиттера. В этом случае ионы, образованные в межэлектродном пространстве, не могут воздействовать на торец автоэлектронного эмиттера, а вылетевшие вторичные электроны образуют облако пространственного заряда, которое нейтрализует заряд ионов. Для стабилизации вакуума часть тела автоэлектронного эмиттера до загиба может быть покрыта пленкой геттерирующего материала. Эта часть находится выше облака пространственного заряда и подвергается ионной бомбардировке. Распыленный геттерирующий материал поглощает активные остаточные газы.

В некоторых случаях, когда необходимо предотвратить распыление тела автоэлектронного эмиттера, в экране может быть сделан козырек, который предохраняет от прямого попадания ионов с анода на эмиттер и его распыление.

Для эффективного использования тока первичных электронов с автоэлектронного эмиттера внутренняя поверхность козырька покрывается пленкой вторично-эмиссионного материала. В этом случае все вылетевшие электроны с автоэлектронного эмиттера бомбардируют вторично-эмиссионное тело, что вызывает более интенсивный вторично-электронный поток.

Для упрощения конструкции катодного узла возможен вариант изготовления фланца из вторично-эмиссионного материала.

Изобретение поясняется конкретными чертежами, на которых на фиг.1-6 показаны различные варианты конструкции прибора в соответствии с пунктами формулы изобретения.

Магнетрон содержит цилиндрический анод 1, в котором коаксиально с зазором расположен цилиндр 2, служащий вторично-эмиссионным эмиттером и имеющий фланцы 3, в одном из которых имеется по крайней мере одно отверстие 4. В отверстии 4 расположен автоэлектронный эмиттер 5 в виде иглы, закрепленной на несущем электроде 6 и изолированной от цилиндра и фланцев вакуумным зазором 7.

Материалом тела вторично-эмиссионного эмиттера может служить любой из эмиссионных материалов с добавками и без добавок золота, например, сплавы на основе палладия и бария, а также окислы магния, бериллия и других металлов и диэлектриков. Автоэлектронные катоды могут быть выполнены из тугоплавких материалов, например, W, Ta, Nb, их силицидов и многослойных структур типа W+Ba+W, Nb+Ba+Nb, Ta+Ba+Ta, либо Si+Ba+Si, Si+K+Si. Фланцы могут быть изготовлены из молибдена, либо другого тугоплавкого материала.

Работа такого прибора состоит в следующем.

Анод 1 прибора заземляется, на вторично-эмиссионный эмиттер 2 подается рабочее напряжение (например, 4 кV). Ток возбуждения магнетрона обеспечивается автоэлектронной эмиссией с эмиттера 5, выполненного в виде острия, на который подано еще более низкое по отношению к вторично-эмиссионному эмиттеру 2 напряжение, достаточное для возникновения необходимого автоэлектронного тока. Эмиттируемые с автоэлектронного эмиттера 5 электроны, ускоряясь и меняя направление движения под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, частично попадают на вторично-эмиссионное тело 2 и выбивают вторичные электроны, которые, в свою очередь лавинно размножаясь, обеспечивают основной рабочий ток магнетрона.

Для снижения автоэлектронного тока и соответственно нагрузки на одиночный эмиттер в боковом экране может быть сделано несколько отверстий, в которые вставлено такое же количество автоэлектронных катодов, выполненных в виде острий. Для более эффективного использования поверхности вторичного эмиссионного тела отверстия 4, автоэлектронные эмиттеры 5 находятся в них на противоположном фланце (см. фиг.2).

В качестве автоэлектронных эмиттеров 5 могут служить пленки, расположенные по окружности в соответствии с расположением отверстий (см. фиг.3). В такой конструкции ток автоэлектронных эмиттеров значительно выше, чем у острийных катодов.

Отверстия 4 во фланцах могут быть вытянуты вдоль радиуса, что обеспечивает более эффективный отбор тока с автоэлектронного эмиттера 5 (см. фиг. 4).

Тело автоэлектронного эмиттера 5 может иметь загиб в сторону цилиндра 2 (см. фиг.5). Причем на верхнюю часть 9 эмиттера нанесен сорбционно-активный материал (например, Ti, Mo), который находится в зоне ионной бомбардировки. В этом случае происходит очень незначительное его распыление, которое обеспечивает геттерирование в течение длительного срока эксплуатации активных газов в приборе. Толщина распыляемой части 9 эмиттера может быть во много раз больше, чем рабочий торец эмиттера. Рабочий торец автоэлектронного эмиттера, обращенный ко вторично-эмиссионному эмиттеру, не подвергается ионной бомбардировке, поскольку облако вторичных электронов, летящих с вторично-эмиссионного эмиттера, нейтрализует поток ионов, летящих с анода. Таким образом, обеспечивается высокая долговечность автоэлектронного эмиттера.

Для защиты от прямого попадания ионов анода на автоэлектронный эмиттер фланец 3 имеет козырек 10 (см. фиг.6). В такой конструкции автоэлектронный эмиттер 5 находится в области с минимальной ионной бомбардировкой.

Другая функция этого козырька заключается в том, что благодаря слою 11 вторично-эмиссионного материала, нанесенного на его внутреннюю поверхность, удается получить более эффективное использование автоэлектронного тока.

Предлагаемая конструкция магнетрона обеспечивает мгновенный запуск в режим при холодном катоде и поддержание высокого уровня вакуума в приборе, что гарантирует высокую долговечность работоспособности прибора.

Данное изобретение позволяет получить напряженность поля на автоэлектронном эмиттере, достаточную для возбуждения магнетрона с одного импульса, при любом анодном напряжении (от сотен вольт до единиц киловольт и выше) и без предварительного разогрева катода. Это позволяет увеличить срок службы магнетрона, повысить его надежность и надежность устройства, в котором он используется. Использование таких магнетронов в радиоаппаратуре, СВЧ-печах и т. д. позволяет существенно упростить их схему, уменьшить габариты и массу, так как из схемы исключается более десятков радиокомпонентов, включая трансформатор накала катода, фильтры, упрощаются источники питания анода.

Использование: для обеспечения в магнетроне напряженности поля, при которой автоэлектронная эмиссия будет достаточна для возбуждения магнетрона и мгновенного запуска без предварительного разогрева катода. Сущность изобретения: в магнетроне, содержащем цилиндрический катод, коаксиально расположенный в нем с зазором цилиндр с фланцами, служащими соответственно вторично-эмиссионным эмиттером и фокусирующими экранами, а также тело автоэлектронного эмиттера, по крайней мере в одном из указанных фланцев выполнено по меньшей мере одно ответстие, в котором размещено тело автоэлектронного эмиттера, закрепленное на несущем электроде и изолированное от цилиндра с фланцами. 7 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. МАГНЕТРОН, содержащий цилиндрический анод, коаксиально расположенный в нем с зазором цилиндр с фланцами, служащий вторично-эмиссионным эмиттером с фокусирующими экранами соответственно, а также тело автоэлектронного эмиттера, отличающийся тем, что по крайней мере в одном из указанных фланцев выполнено по крайней мере одно отверстие, в котором размещено тело автоэлектронного эмиттера, изолированное от цилиндра с фланцами и закрепленное на несущем электроде, соединенном с источником напряжения для получения тока с автоэлектронного эмиттера. 2. Магнетрон по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронные эмиттеры расположены в отверстиях, вытянутых вдоль окружности фланца. 3. Магнетрон по п. 1, отличающийся тем, что отверстия во фланцах вытянуты вдоль радиуса фланца. 4. Магнетрон по п. 3, отличающийся тем, что тело автоэлектронного эмиттера имеет загиб в сторону цилиндра вторично-эмиссионного эмиттера. 5. Магнетрон по п. 4, отличающийся тем, что часть тела автоэлектронного эмиттера до загиба покрыта геттерирующим материалом. 6. Магнетрон по п. 1, отличающийся тем, что фланец имеет козырек над автоэлектронным эмиттером. 7. Магнетрон по п. 6, отличающийся тем, что внутренняя поверхность козырька покрыта вторично-эмиссионным материалом. 8. Магнетрон по п. 1, отличающийся тем, что фланец изготовлен из вторично-эмиссионного материала.