МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к вакуумной электронной технике и может быть использовано в лучевых электронных СВЧ-приборах, преимущественно в многоступенчатых коллекторах с рекуперацией энергии.

Известны молибдено-медные композиционные псевдосплавы марок МД15НМ, МД4ОН, МД50, прецизионно согласованные по термическому коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с диэлектриками, применяемыми в ЭВП СВЧ, и широко используемые в металлокерамических спаях [1]
Известно, что при разработке электровакуумных приборов СВЧ с появлением приборов большой мощности возникла проблема разрушения (эрозии) металлов на электродах, подвергающихся воздействию импульсного и непрерывного электронного потока. Это элементы замедляющих систем в приборах М-типа и в особенности электроды коллекторов в приборах О-типа [2]
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности ЭВП СВЧ за счет увеличения стойкости токовоспринимающей поверхности электродов коллектора.

Поставленная задача решается путем применения в качестве материала для изготовления электродов коллектора электровакуумного прибора СВЧ-молибдено-медного дисперсионно упрочненного композиционного псевдосплава с массовой долей меди 50% и молибдена 50%
Авторами заявляемого технического решения впервые при выполнении ОКР по разработке мощной импульсной ЛБВ было экспериментальным путем показано, что этот известный молибдено-медный дисперсионно упрочненный композиционный псевдосплав обладает значительно большей устойчивостью к воздействию импульсного электронного потока по сравнению с традиционно применяемой в коллекторах ЭВП СВЧ медью. Практическая провеpка повышенной стойкости материала МД50 при воздействии электронного потока проводилась по методике, разработанной на основе теоретических и экспериментальных данных, изложенных (Справочник "Машиностроение" М. 1985, Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов, с. 200 -281).

Известно, что ток через мишень можно представить в виде
I_м=I (I_вт + I_т),
где I_м ток мишени,
I ток электроннолучевого источника,
I_вт суммарный ток вторичных и отраженных электронов,
I_т ток термоэлектрической эмиссии.

При этом форма тока в течение времени может быть представлена ломаной кривой, изображенной на графике:
возрастающий участок t-t₁ (1), характеризующий переходные процессы в электронно-оптической системе установки,
прямая постоянного тока t₁-t₂ (2) стационарный режим, предельное значение тока I_м в этом интервале времени определяется коэффициентом отражения и коэффициентом вторичной эмиссии электронов, которые практически не зависят от температуры. В этот период времени температура поверхностного слоя мишени в микрообъемах может достигать примерно температуры плавления,
падающий участок t₂-t₃ (3), характеризующий резкое уменьшение тока за счет интенсивной термоэлектронной эмиссии, при этом время t=t₃ соответствует началу интенсивного парообразования,
возрастающий участок t₃-t (4) после времени t₃, в течение которого происходит формирование канала проплавления мишени.

Таким образом по кривой тока мишени I_м=I_т(t) можно выделить время начала эрозии поверхности материала при электронно-лучевой бомбардировке мишени.

Удельная токовая нагрузка в эксперимента 5 кВт/см² при ускоряющем напряжении Uуск 25 кВ, токе луча в импульсе 1 луча 2А. Параметры импульса: длительность импульса t_п= 18 мс, период повторения Т=0,07 с.

Эксперименты выполнялись на одинаковых образцах имитаторах коллектора с размерами 20х20х10 мм на установке электронно-лучевой сварки 03 ЛЭВ 80-1. Поверхность, подлежащая обработке электронным лучом, была отполирована. Образец фиксировался в установке в специальной оснастке на керамической подложке. Между образцом и керамической пластиной устанавливалась термопара.

Результаты сравнительных испытаний образцов меди, молибдена и МД50 приведены в таблице.

Из известных и выпускаемых промышленностью марок материала МД выбpан дисперсно упрочненный композиционный псевдосплав МД50 как материал с самым высоким содержанием меди. Материал марки МД50 обладает теплопроводностью, равной примерно 65% от теплопроводности меди. Кроме того, этот материал согласован по термическому коэффициенту линейного расширения с керамикой из окиси бериллия. Эти свойства материала делают предпочтительным его применение в качестве электрода коллектора, особенно для мощных приборов ЭВП СВЧ.

Явление эрозии металлов под действием быстрых частиц, в частности электронов, объясняется возникновением тепловых пиков, т.е. очень быстрого нагрева-охлаждения микроскопических объемов вещества вдоль пути движения быстрой частицы, которая передает часть своей энергии ближайшим атомам. Внутри этих микрообъемов температура может достигать температуры плавления металла. Возникающие при этом около тепловых пиков необратимые пластические деформации вызывает растрескивание и шелушение поверхности металла (С.Т. Кишкин. Влияние облучения на структуру и свойства конструкционных металлов. М. Оборонгиз, 1958. А.В. Бялобжеский. Радиационная коррозия. М. Наука, 1967).

Микроструктура молибдено-медных псевдосплавов с содержанием молибдена от 30 до 70 мас. представляет собой по типу структуры медную матрицу с включением упрочняющих молибденовых частиц (Р.Ф. Козлова, В.Б. Рабкин. Концентрационная и деформационная зависимость механических свойств композиций Мо-Сu и Мo-Сu-Ni. Порошковая металлургия, N 12, 1979, с. 76-77, рис. 1).

Присутствие этих частицво-первых, препятствует возникновению пластической деформации в медной фазе, а во -вторых, отбирая часть падающих электронов на себя, уменьшает собственно число микрообъемов, внутри которых может плавиться металл (температура плавления меди 1083^oC, молибдена 2617^oC).

Обнаруженный положительный эффект для псевдосплава с содержанием молибденовой фазы 50% (МД50) подтверждает сказанное. Использование МД50 в качестве материала электродов коллектора проводилось на опытном образце мощной импульсной ЛБВ с двухступенчатым коллектором.

В ЛБВ с коллектором из материала МД50 не было отказов из-за потери электропрочности, вызванной напылением на изоляторы коллектора. В аналоге прибора с коллектором из медных электродов наблюдались отказы из-за эрозии и оплавления места влета в коллектор второй (низковольтной ступени), вероятно, по причине неравномерного токораспределения по токовоспринимающей поверхности электрода. Этому сопутствовала потеря электропрочности коллектора.

В приборе с электродами коллектора из МД50 следов оплавления и эрозии не обнаружено.

Для приборов с высокой импульсной мощностью, но с большой скважностью возможно применение псевдосплава МД40Н, обладающего худшей теплопроводностью, но более высокой температурой плавления матричной фазы (сплав Ci-Ni с Тпл 1250^oC). Устойчивость этого материала к импульсной токовой нагрузке по этой причине будет выше чем у МД50.

Использование изобретения возможно при изготовлении токовоспринимающих электродов в других типах ЭВП, например, для изготовления элементов замедляющих систем (ламелей, меандровых линий) в ЭВП М-типа (ЛБВМ, амплитронах), поскольку в таких приборах большая часть электронного потока оседает на замедляющую систему.

Технология изготовления деталей электрода коллектора не выходит за рамки традиционной по требованиям к вакуумной гигиене.

Изобретение относится к вакуумной электронной технике и может быть использовано в лучевых электронных СВЧ-приборах, преимущественно в многоступенчатых коллекторах с рекуперацией энергии. Сущность изобретения: для повышения надежности ЭВМ СВЧ в качестве материала для изготовления электродов коллектора ЭВП СВЧ применен молибдено-медный дисперсионно упрочненный композиционный псевдосплав МД 50. 1 табл. 1 ил.

Применение молибденово-медного дисперсионно упрочненного композиционного псевдосплава с массовой долей меди 50% и молибдена 50% в качестве материала для изготовления электродов-токоприемников многоступенчатых коллекторов с рекуперацией энергии электровакуумного прибора СВЧ.