СВЧ-ПРИБОР М-ТИПА Российский патент 2002 года по МПК H01J25/50 

Данное изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в приборах, в частности, в магнетронах с малым временем готовности и высокой экономичности.

Известен магнетрон, содержащий анод, катод, в конструкции которого для создания первичных электронов созданы острийные автоэлектронные эмиттеры, находящиеся на стенках фокусирующих экранов, обращенных в межэлектродное пространство между анодом и катодом (Авт. свидетельство 320852, 06.08.1970 г. ). К недостаткам этого магнетрона относится то, что в нем сложно создать необходимую напряженность электрического поля, которая обеспечивала бы первичный ток запуска магнетрона с помощью автоэлектронной эмиссии.

Известен магнетрон, в котором имеется катод, состоящий из цилиндрического стержня, с расположенным на его поверхности в плоскости, перпендикулярной оси катода, элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссию (Пат. РФ 2040821, 04.11.1991 г.). Конструкция этого магнетрона является более близкой к предлагаемому техническому решению и выбирается в качестве прототипа.

Недостатками конструкции прототипа является малая эффективность использования рабочей поверхности автоэлектронных эмиттеров, обусловленная тем, что из-за параллельного расположения нормали к плоской поверхности расположения эмиттеров относительно продольной оси катода, в акте автоэлектронной эмиссии участвует минимальная площадь рабочей поверхности автоэлектронных эмиттеров. В то же время известно, что величина тока автоэлектронной эмиссии пропорциональна площади эмиссии автоэлектронного эмиттера. Поскольку анод в магнетроне представляет собой цилиндрическую поверхность, разрезанную щелями резонаторов, то первичный ток магнетрона зависит от расположения автоэлектронных эмиттеров относительно цилиндрической части анода, имеющей минимальное расстояние до рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера.

Увеличение первичного тока до необходимой величины возможно двумя способами: либо за счет уменьшения толщины пленки автоэлектронного эмиттера, что приводит к повышению напряженности электрического поля у поверхности рабочего торца эмиттера, либо, вторым способом, за счет увеличения площади, участвующей в эмиссии путем увеличения количества автоэлектронных эмиттеров. В первом способе происходит увеличение воздействия электромеханических сил на материал автоэлектронного катода, что приводит к уменьшению его механической надежности и деградации его вольт-амперных характеристик, во втором способе - конструкция катода магнетрона становится более сложной, менее технологичной и надежной.

В предлагаемом изобретении ставятся задачи повышения эффективности использования рабочей площади автоэлектронных эмиттеров, повышения их надежности с одновременным увеличением стабильности автоэлектронной эмиссии и срока службы магнетрона, содержащего анод и катод, состоящий из цилиндрического стержня с расположенными на его поверхности автоэлектронными эмиттерами, выполненными в виде плоских дисков, и вторично-электронных эмиттеров, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси катода, -элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссию соответственно.

Эти задачи решены в конструкции СВЧ-прибора М-типа, содержащего анод и коаксиально размещенный внутри него катод, состоящий из цилиндрического стержня с расположенными на его поверхности элементами в виде пленочных автоэлектронных эмиттеров и вторично-электронных эмиттеров, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссию, причем по крайней мере один из элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, расположен на поверхности, нормаль к которой составляет с осью катода угол более 0^o.

Эти задачи решены также во втором варианте предлагаемой конструкции, содержащей автоэлектронный(е) эмиттер(ы), нормаль к поверхности которому(ым) относительно оси катода образует спираль.

В третьем варианте изобретения эти задачи решены в конструкции прибора, в которой автоэлектронный(ые) эмиттер(ы) расположен(ы) на поверхности, нормаль к которой(ых) ортогональна(ы) оси катода.

В четвертом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции катода, в которой рабочие торцы автоэлектронных эмиттеров отделены от вторично-электронных вакуумным зазором.

В пятом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции, в которой материал автоэлектронных эмиттеров содержит примеси электроположительных материалов.

В шестом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции, в которой материал автоэлектронного эмиттера содержит примеси из одноименного материала.

В седьмом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции, в которой рабочий торец автоэлектронного эмиттера представляет собой аморфный материал.

В восьмом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в котором автоэлектронный эмиттер имеет полости, в которых содержится пленка электроположительного материала.

В девятом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в которой рабочий торец(ы) автоэлектронного(ых) эмиттера(ов) имеет примеси из одноименного материала на глубине, большей, чем глубина залегания примесей электроположительных материалов.

В десятом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в которой торцы автоэлектронного катода представляют собой многослойную структуру типа металл-диэлектрик-металл с толщиной каждого слоя d=(2-10) нм.

В одиннадцатом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в которой материал автоэлектронных эмиттера представляет собой силициды вольфрама, молибдена, тантала, ниобия, титана и гафния.

В двенадцатом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в котором материалом автоэлектронных эмиттеров являются аморфные проводящие металлы и сплавы или силициды и карбиды на их основе.

В тринадцатом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в которой автоэлектронные эмиттеры выполнены из аморфных металлов и сплавов и имеют примеси электроположительных материалов.

В четырнадцатом варианте изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в котором рабочие торцы автоэлектронных эмиттеров покрыты туннельно-тонким слоем диэлектрика.

В пятнадцатом варианте предложенного изобретения поставленные задачи решены в конструкции прибора, в которой автоэлектронные эмиттеры имеют туннельный слой диэлектрика, содержащий примеси электроположительных материалов.

Существенные отличия предложенного СВЧ-прибора М-типа заключаются в наличии элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, расположенных на поверхности(ях), нормаль к которой(ых) не параллельна оси катода и составляет с ней угол более 0^o.

Это существенное отличие обуславливает решение поставленных в изобретении задач. При этом увеличение первичных токов достигается за счет более эффективного использования рабочей поверхности автоэлектронных эмиттеров, поскольку в данной конструкции эмиссия происходит с большей поверхности эмиттера.

Дополнительным преимуществом предложенного изобретения является упрощение конструкции прибора за счет возможности уменьшения количества автоэлектронных эмиттеров.

Третьим преимуществом предложенного изобретения является уменьшение рабочего напряжения прибора, что позволяет расширить типы используемых приборов и конструкционные возможности автоэлектронных эмиттеров, а также использовать более широкий круг материалов и сплавов, обеспечивающих стабильность вольт-амперных характеристик и увеличение срока службы приборов.

Предложенное изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 приведен схематический разрез предложенного прибора согласно п. 1 формулы изобретения.

На фиг.2 приведен схематический разрез предложенного прибора согласно п. 2 формулы изобретения.

На фиг.3 приведен схематический разрез предложенного прибора согласно п. 3 формулы изобретения.

На фиг.4 приведен схематический разрез предложенного прибора согласно п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 5 приведен схематический разрез фрагмента автоэлектронного эмиттера согласно п.5 формулы изобретения.

На фиг. 6 приведен схематический разрез фрагмента автоэлектронного эмиттера согласно п.8 формулы изобретения.

На фиг.7 приведен разрез фрагмента автоэлектронного эмиттера согласно п. 10 формулы изобретения.

На фиг.8 приведен разрез фрагмента автоэлектронного эмиттера согласно п. 11 формулы изобретения.

На фиг.9 приведен разрез фрагмента автоэлектронного эмиттера согласно п. 1-14 формулы изобретения.

На фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
1 - анод, 2 - катод, 3 - цилиндрический стержень, 4 - автоэлектронный эмиттер, 5 - вторично-электронный эмиттер, 6 - фокусирующие электроды, 7 - вакуумный зазор, 8 - примеси электроположительных материалов, 9 - полости, 10 - примеси одноименных материалов, 11 - пленка проводника, 12 - пленка диэлектрика, 11 - туннельно-тонкий слой диэлектрика.

Предложенный СВЧ-прибор М-типа согласно п.1 формулы изобретения содержит массивный анод 1 с цилиндрической полостью и резонаторными щелями, расположенный в нем катод 2, состоящий из цилиндрического стержня 3 с расположенным на нем пленочным автоэлектронным эмиттером 4, находящимся на поверхности, нормаль к которой в каждой ее точке не параллельна оси катода и составляет угол больше 0^o, и вторично-электронным эмиттером 5, обеспечивающими соответственно первичную и вторичную эмиссию. Фокусирующие электроды 6 замыкают пространство взаимодействия электронов. Вакуумный зазор 7 разъединяет анод 1 и катод 2 прибора. По существу такая фигура может состоять из одного или нескольких параллельных дисков или эллипсов либо спирали, сформированной из фольги.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения п.2 иллюстрируется фиг.2. В данном примере нормаль к боковой поверхности автоэлектронного эмиттера 4 образует траекторию в виде спирали вдоль оси стержня катода 3, что позволяет обеспечить автоматическую сборку катода и более высокую его надежность.

В примере, иллюстрируемом фиг.3, предложенного изобретения по п.3 показан автоэлектронный пленочный эмиттер 4, боковая плоскость которого расположена на поверхности, нормаль к которой перпендикулярна оси катода.

В примере, иллюстрируемом фиг.4, предложенного изобретения по п.4 показан автоэлектронный эмиттер 4, рабочий торец которого отделен от вторично-электронного эмиттера вакуумным зазором 7.

В примере, иллюстрируемом фиг.5, предложенного изобретения по п.5 показан фрагмент автоэлектронного эмиттера, содержащего примеси электроположительных материалов 8.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг.6. В данном примере для увеличения объема электроположительного материала в теле автоэлектронного эмиттера имеются полости 9, куда введены примеси 8 указанного выше материала.

В примере, иллюстрируемом фиг.7, изображен фрагмент автоэлектронного эмиттера диффузионно-стабильного, механически более устойчивого к подеромоторным нагрузкам за счет примеси из одноименного материала 10, легированного на большую глубину, чем примеси электроположительных материалов 8, расположенные у поверхности эмиттера.

Другой пример реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг.8. В данной конструкции, соответствующей п.11, изображен фрагмент торца автоэлектронного эмиттера, представляющего собой многослойную структуру типа проводник 11 - диэлектрик 12 - проводник 11 толщиной каждого слоя (2-10) нм, обладающий повышенной прочностью и низкой работой выхода.

Пример конкретной реализации данного изобретения, соответствующий п.14, показан на фиг.9, где изображен рабочий торец автоэлектронного эмиттера 4, покрытый туннельно-тонким слоем диэлектрика 13, благодаря этому рабочая поверхность обладает высокой стабильностью.

Приведенными примерами конкретных конструктивных воплощений не исчерпываются все возможные варианты реализации изобретения.

Предложенный СВЧ-прибор работает следующим образом.

Анод прибора заземляется. На катод подается отрицательное рабочее напряжение. Первичный ток возбуждения магнетрона обеспечивается автоэлектронной эмиссией. Эмиттируемые автоэлектроны, ускоряясь и меняя направление движения под действием СВЧ электромагнитного поля, частично попадают на элемент, обеспечивающий вторичную электронную эмиссию, выбивая вторичные электроны, которые, в свою очередь, лавинно размножаясь, обеспечивают рабочий ток прибора.

В соответствии с этим изобретением СВЧ-приборы обладают более высокой надежностью при запуске, технологичностью и экономичностью.

Предложенное изобретение может найти широкое применение в вакуумной электронике при создании высокоэкономичных с мгновенным возбуждением СВЧ-приборов.

Изобретение относится к СВЧ-приборам М-типа. Техническим результатом является повышение эффективности использования рабочей поверхности автоэлектронных эмиттеров, повышение их надежности с одновременным увеличением стабильности автоэлектронной эмиссии и срока службы магнетрона. Устройство содержит анод и коаксиально размещенный внутри него катод, состоящий из цилиндрического стержня и элементов в виде пленочных автоэлектронных эмиттеров и вторично-электронных эмиттеров, обеспечивающих первичную и вторичную эмиссию. Элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, расположены в плоскости, нормаль к которой не параллельна оси катода. 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа, содержащий анод, окружающий цилиндрическую вакуумированную полость, и размещенный внутри него катод, включающий цилиндрический стержень, коаксиальный аноду, автоэлектронный эмиттер, выполненный в виде пленочных эмиттеров с рабочим торцом, и вторично-электронные эмиттеры, обеспечивающие вторичную электронную эмиссию и расположенные на поверхности цилиндрического стержня, отличающийся тем, что пленочные эмиттеры расположены на поверхности, нормаль к которой образует с осью катода угол более 0^o. 2. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронный эмиттер расположен на поверхности, нормаль к которой вдоль оси катода образует спираль. 3. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронные эмиттеры расположены на поверхности, нормаль к которой перпендикулярна к оси катода. 4. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронные эмиттеры отделены от вторично-электронных вакуумным зазором. 5. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что материал автоэлектронного эмиттера легирован примесями электроположительных материалов. 6. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что материал торца автоэлектронного эмиттера содержит примеси из одноименного материала. 7. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что материал автоэлектронного эмиттера аморфизирован. 8. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что рабочий торец автоэлектронного эмиттера имеет полости, в которых содержится материал с малой работой выхода. 9. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по п. 5, отличающийся тем, что рабочий торец автоэлектронного эмиттера имеет примеси одноименного материала на глубине большей, чем примеси электроположительных материалов. 10. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что рабочий торец автоэлектронного эмиттера представляет собой многослойную структуру типа металл-диэлектрик-металл с толщиной каждого слоя 2-10 нм. 11. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что автоэлектронные эмиттеры выполнены из силицидов вольфрама, ниобия, тантала, титана, молибдена. 12. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что автоэлектронные эмиттеры выполнены из аморфных проводящих металлов и сплавов на основе карбидов. 13. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 11 и 12, отличающийся тем, что аморфные металлы и сплавы легированы примесями электроположительных материалов. 14. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что рабочий торец автоэлектронного эмиттера покрыт туннельно-тонким слоем диэлектрика. 15. Сверхвысокочастотный прибор магнетронного типа по п. 14, отличающийся тем, что туннельно-тонкий слой диэлектрика содержит примеси электроположительных материалов.