ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИБОР Российский патент 2006 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к электронике, в частности к мощным электронно-лучевым приборам, предназначенным для усиления и генерации радиочастотной энергии. Предлагаемые приборы могут быть использованы в высокоинформативной, помехозащищенной радиосвязи, включая спутниковую, радионавигации и других областях радиотехники, а также в установках с СВЧ-разрядами для плазмохимических технологий и ионно-плазменных технологий модификаций поверхности различных материалов.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор (ППП) (Патент РФ №2084986, МПК H 01 J 25/00, заявка №3144976 от 16.06.86 г., опубл. БИ №20 от 20.07.97 г. - [1]), содержащий вакуумную камеру со встроенной в нее и выполненной в виде магниторазрядного насоса (МРН) системой откачки, устройство перепада давления (УПД) в виде геттерного насоса (ГН), соосно расположенные электронную пушку (ЭП), в керамическом корпусе которой размещены термокатодный узел с таблеточным катодом и водоохлаждаемый анод на фланце, электродинамическую систему в виде цепочки связанных резонаторов (ЦСР) с устройствами ввода и вывода СВЧ-мощности и источниками плазмы в виде генераторов водорода на входе и выходе ЦСР, полый коллектор с датчиком давления и соленоид. В вакуумной камере расположена МРН, основание термокатодного узла и изолированные токовводы накала катода ЭП. Корпус геттерного насоса установлен на анодном фланце ЭП на входе в ЦСР. Прибор имеет осевой пролетный канал от катода ЭП до коллектора. В области пролетного канала прибор охвачен магнитным соленоидом.

Введение устройства перепада давления между ЭП и электродинамической системой обеспечивает снижение давления рабочего газа. Однако при работе ЭП, инжектирующей электронный пучок 20 кэВ и 3 А при давлении газа от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст., имеют место режимы перекомпенсации и недокомпенсации пространственного заряда пучка при его взаимодействии с газом.

При работе ЭП в режиме "перекомпенсации" ионы, образующиеся при взаимодействии пучка с газом, рекомбинируют на аноде ЭП и существенно нарушают картину электрического поля, изменяя при этом коэффициент токопрохождения К (где К - отношение тока утечки при данном давлении к току утечки при давлении 1·10^-5 мм рт.ст.). Например, при изменении давления от 5·10^-4 до 1·10^-4 мм рт.ст. при напряжении 15 кВ коэффициент токопрохождения изменяется от 0,5 до 0,95. При формировании электронного пучка в электростатическом поле или в слабом поле соленоида, например при экранировании области формирования пучка, факт влияния ионов на работу пушки существенен.

При работе ЭП в режиме "недокомпенсации" ионы, образующиеся при взаимодействии пучка с газом, стягиваются внутренними силами к оси пучка и дрейфуют к катоду, разрушают и отравляют его, даже если он изготовлен из гексаборид лантана, устойчивость которого удовлетворительная вплоть до давления 1·10^-4 мм рт.ст.

Ионная бомбардировка катода и неудовлетворительное токопрохождение дополнительно нагревают конструкцию, при этом растет газовыделение с поверхностей, особенно газов СО и СО₂ в связи с их хорошей растворимостью в металлах и в остаточных загрязнениях. Более того, в приборе из-за описанного выше расположения МРН, т.е. встроенного в ЭП со стороны катода, он не может быть использован в качестве ионной ловушки, препятствующей перемещению ионов из области взаимодействия электронного пучка с рабочим газом в область электронно-оптической системы (ЭОС) ЭП.

Геттерный насос расположен с противоположной от МРН стороны пушки. В связи с этим время откачки газа из пушки затягивается, т.к. известно, что диодный МРН имеет длительный период запуска, в течение которого газовый разряд в насосе принимает форму характерную для высокого вакуума. При давлении больше 1·10^-3 мм рт.ст. ток разряда велик вследствие большой электропроводности разрядного промежутка. При давлении ˜10^-4 мм рт.ст. в приборе МРН длительно работать не может. Быстрота действия насоса при высоком давлении ограничена, а большой разрядный ток разогревает электроды, увеличивается десорбция газов и возникает опасность дугового разряда между электродами МРН. Более того, при откачке большого количества водорода - рабочего газа в приборе работоспособность насоса может быть нарушена из-за коробления его катодов в результате насыщения водородом, отслаивания титановой пленки на аноде и замыкания электродов. Использование геттерного насоса облегчает работу МРН, но быстрота его действия не регулируется, а при отсутствии в устройстве прибора механизма отсечки генератора водорода переход работы прибора от вакуумного к плазменному занимает длительное время с неоправданным перерасходом рабочего газа, т.е. снижением ресурса работы генератора водорода. Значение максимальной СВЧ-мощности при соответствующем КСВ (коэффициент стоячей волны) в заданном диапазоне частот может быть получено при давлении газа в объемном резонаторе (ЦСР) около 1·10^-3 мм рт.ст., при этом в области ЭОС ЭП должен быть вакуум не хуже 10^-4 мм рт.ст. В описанном приборе [1] перепад давления явно завышен и составляет от 1·10^-3 до 10^-6 мм рт.ст. Из-за этого устройство откачки громоздкое и малонадежное.

Из сказанного выше следует, что известный пучково-плазменный СВЧ-прибор [1] имеет следующие существенные недостатки, снижающие надежность всего устройства в целом и ресурс его работы:

- перегрев керамического корпуса ЭП и изоляторов токовводов катода из-за отсутствия в системе откачки устройства, препятствующего движению ионов плазмы, бомбардирующих и дополнительно нагревающих конструкцию, и неудовлетворительного охлаждения;

- перегрев электродов МРН при длительной работе прибора в плазменном режиме с давлением газа ˜1·10^-3 мм рт.ст. и длительный период запуска (время старта);

- недостаточный ресурс источника плазмы - генератора водорода и невозможность рекуперации рабочего газа в процессе эксплуатации.

Известен также инжектор электронов с выводом пучка в газовую среду (Патент РФ №1447256, МПК Н 05 Н 5/02, заявка №4161472 от 12.12.86 г., действует с 06.08.93 г. - [2]), который может быть использован в пучково-плазменном СВЧ-приборе в качестве электронной пушки. В анодном фланце инжектора [2] имеется цилиндрическая полость с встроенным магниторазрядным насосом и расположенным за ним геттерным насосом, образующими систему дифференциальной откачки, которая обеспечивает перепад давления между ЭП и рабочей камерой, функцию которой в ППП выполняет электродинамическая система.

Недостатком при использовании инжектора [2] в ППП является то, что последовательное размещение МРН и ГН лишь в какой-то мере препятствует движению ионов в сторону ЭОС ЭП, и, как следствие, незначительно снижается нагрев элементов конструкции электронной пушки за счет ионной бомбардировки. Кроме этого, ГН, сорбционная емкость которого уменьшается из-за насыщения геттера рабочим газом, а механизм его рекуперации отсутствует, не обеспечивает длительное поддержание оптимального давления перед МРН, и, как следствие, проявляются недостатки, снижающие его надежность и ресурс работы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является пучково-плазменный СВЧ-прибор (М.Д.Воробьев, М.А.Завьялов, Г.П.Осипова. "Моделирование электронно-оптической системы приборов с интенсивными пучками во внешнем магнитном поле": Методическое пособие по курсу "САПР электронных приборов". М.: Изд-во МЭИ, 2002, стр.5, рис.2, - [3]), содержащий расположенные последовательно вдоль оси прибора электронную пушку с узлом термокатода и анодом, систему дифференциальной откачки, состоящую из работающего в поле соленоида магниторазрядного насоса и сорбционного (геттерного) насоса, электродинамическую систему с СВЧ-вводом и окном вывода СВЧ-энергии, вывода СВЧ-энергии, коллектор и управляемые водородные генераторы, размещенные на выходе из электродинамической системы. Электронный пучок, создаваемый ЭП, транспортируется в пролетном канале внутри электродинамической системы. Транспортировка пучка осуществляется в магнитном поле соленоида. Конструкция прибора [3] обеспечивает вакуумный перепад между электродинамической структурой и электронной пушкой, что делает возможным как вакуумный, так и плазменный режим работы.

Недостатком описанного устройства прототипа является перегрев ЭП и МРН при квазистационарном (длительном) режиме работы прибора, приводящий к повышению вероятности пробоя между электродами, снижению электрической прочности изоляции и нарушению формоустойчивости электродом МРН при откачке большого количества водорода, являющегося рабочим газом, из-за насыщения водородом, что в совокупности снижает долговечность и надежность устройства в целом. Кроме этого, со временем сорбционная емкость ГН, быстрота его действия и запас рабочего газа в генераторах водорода уменьшается, а механизм рекуперации газа отсутствует. В связи с этим ГН не обеспечивает необходимое давление газа перед МРН, разрядный ток МРН растет и разогревает его электроды. Возникает опасность перехода разряда в дуговой, и, более того, при большой температуре катодов МРН они могут покоробится из-за значительных термонапряжений, что приведет к короткому замыканию электродов. Кроме этого, увеличивается интенсивность ионной бомбардировки электродов ЭП и температура растет, снижается электрическая прочность изоляции, и охлаждение за счет конвекции воздуха снаружи прибора становится неудовлетворительным. Все это также приводит к снижению надежности и ресурса работы прибора.

Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции пучково-плазменного СВЧ-прибора, позволяющей снизить температуру термонапряженных узлов путем уменьшения интенсивности воздействия ионов плазмы на элементы термокатода за счет повышения эффективности работы системы дифференциальной откачки и быстроты откачки при одновременном эффективном охлаждении термонапряженных узлов и обеспечить возможность рекуперации рабочего газа.

Техническим эффектом от использования предлагаемой конструкции пучково-плазменного СВЧ-прибора является повышение надежности и увеличение ресурса работы устройства в целом.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что в предлагаемом пучково-плазменном СВЧ-приборе, содержащем расположенные последовательно вдоль оси прибора узел термокатода с высоковольтными токовводами и анод электронной пушки, систему дифференциальной откачки, состоящую из магниторазрядного насоса, имеющего размещенные перпендикулярно оси прибора два ячеистых катода и расположенный между ними решетчатый анод, и сорбционного насоса с их высоковольтными токовводами, электродинамическую систему в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом, устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии и водородным генератором, размещенным на выходе из резонаторов, коллектор и магнитный соленоид, коаксиально охватывающий прибор от термокатода до коллектора, прибор снабжен коаксиальным корпусом, осесимметричная боковая стенка которого имеет каналы со штуцерами для подачи и отвода хладагента, на одном торце корпуса размещена крышка с высоковольтными токовводами узла термокатода электронной пушки и насосов системы дифференциальной откачки, а на другом его торце - дно с осевым отверстием, при этом вход в резонаторы электродинамической системы имеет переходной фланец, на котором жестко закреплено дно корпуса, кроме этого, прибор снабжен неразборной вакуумной камерой, которая размещена в корпусе соосно с цепочкой связанных резонаторов электродинамической системы и состоит из последовательности соосных керамических колец с металлическими манжетами между ними, снабжена торцевыми металлическими крышками, причем одна из них выполнена с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием, электрически соединена с соответствующей манжетой и жестко закреплена на переходном фланце, кроме этого, вакуумная камера разделена на секции перпендикулярными оси прибора металлическими диском и диафрагмой, которые имеют равные поперечному сечению пролетного канала осевые отверстия и электрически соединены с соответствующими манжетами, причем в первой секции вакуумной камеры на крышке в противоположном переходному фланцу торце размещен узел термокатода электронной пушки, а на диске с манжетой - анод электронной пушки, при этом крышка с термокатодом и манжета анода электроизолированы с помощью керамического кольца, во второй секции вакуумной камеры между диском и диафрагмой с соответствующими манжетами размещены и электрически соединены с соответствующими металлическими манжетами этой части секции вакуумной камеры электроды магниторазрядного насоса, при этом манжеты электродов магниторазрядного насоса, диска и диафрагмы электроизолированы с помощью керамических колец, в третьей секции вакуумной камеры между крышкой с осевым отверстием и диафрагмой с соответствующими манжетами размещен сорбционный насос, который выполнен ионно-геттерным и имеет коаксиальные оси прибора, внутренний и наружный электроды с геттерным покрытием, при этом внутренний электрод состоит из набора пластин, которые расположены радиально относительно оси прибора, равноудалены друг от друга, электрически соединены и закреплены между перпендикулярными оси прибора торцевыми шайбами, причем внутренние ребра пластин размещены на образующих цилиндрической поверхности пролетного канала, а наружный электрод выполнен в виде цилиндра с перпендикулярными оси прибора торцевыми крышками с осевыми отверстиями, кроме этого, одна из шайб внутреннего электрода и наружный электрод электрически соединены с соответствующими металлическими манжетами этой секции вакуумной камеры с помощью соответствующих электропроводящих систем с высоким тепловым сопротивлением, а манжеты диафрагмы, электродов ионно-геттерного насоса и крышка с осевым отверстием электроизолированы с помощью керамических колец, кроме этого, узел термокатода электронной пушки и манжеты электродов насосов системы дифференциальной откачки электрически соединены с соответствующими высоковольтными токовводами на крышке корпуса, а манжеты металлических дисков - с анодом электронной пушки, диафрагмы и крышки вакуумной камеры, которая закреплена на переходном фланце, электрически соединены с корпусом прибора, при этом промежуток между корпусом прибора и вакуумной камерой заполнен диэлектрической жидкостью.

Дополнительно в предлагаемом пучково-плазменном СВЧ-приборе генератор водорода может быть выполнен с натекателем.

Повышение надежности и ресурса работы предлагаемого пучково-плазменного СВЧ-прибора обеспечивается за счет:

- интенсификации охлаждения термонапряженных узлов и деталей вакуумной камеры с электродами электронной пушки и системы дифференциальной откачки путем размещения их в секциях вакуумной камеры, которая встроена в корпус с автономной системой охлаждения, и заполнения промежутка между ними диэлектрической жидкостью;

- ограничения ионного тока из пролетного канала к термокатоду электронной пушки путем выполнения сорбционного насоса в виде ионно-геттерного предлагаемой конструкции, что уменьшает время предварительной откачки и обеспечивает многовариантные режимы работы (сорбции, десорбции газа) при одновременном увеличении эффективности ионной ловушки в магниторазрядном насосе, обусловленном размещением его электродов в отдельной секции вакуумной камеры, изолированно от диска с анодом электронной пушки и диафрагмы, что позволяет получить многоэлектродную ионную ловушку;

- рекуперации водорода для повторного использования путем возможности нагрева электродов ионно-геттерного насоса до температуры десорбции водорода при теплоизоляции электродов с помощью электропроводящей системы с высоким тепловым сопротивлением и насыщения газом генератора водорода.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции пучково-плазменного СВЧ-прибора с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна".

Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Показанный на чертеже пучково-плазменный СВЧ-прибор с осевым пролетным каналом содержит расположенные вдоль оси прибора: узел термокатода 1 и анод 2 электронной пушки 3; систему дифференциальной откачки 4, состоящую из магниторазрядного насоса 5, который имеет размещенные перпендикулярно оси прибора два ячеистых титановых катода 6 и 7 и расположенный между ними решетчатый анод 8, и сорбционного насоса 9, выполненного в виде ионно-геттерного и состоящего из коаксиальных оси прибора внутреннего 10 и наружного 11 электродов с геттерным покрытием, при этом внутренний электрод 10 выполнен из набора пластин 12, расположенных радиально относительно оси прибора, равноудаленных друг от друга, размещенных внутренними ребрами на образующих цилиндрической поверхности пролетного канала прибора, электрически соединенных и закрепленных между торцевыми шайбами 13, 14, а наружный электрод 11 выполнен в виде полого цилиндра с торцевыми крышками 15, выполненными с осевыми отверстиями; электродинамическую систему 16, выполненную в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом 17 и устройствами ввода 18 и вывода 19 СВЧ-энергии, при этом устройство ввода СВЧ-энергии 18 электродинамической системы 16 жестко соединено с переходным фланцем 20; коллектор 21; магнитный соленоид 22, коаксиально охватывающий прибор от термокатода 1 до коллектора 21.

Предлагаемое устройство имеет генератор водорода 23, который размещен между электродинамической системой 16 и коллектором 21 и может быть снабжен натекателем 24, выполненным, например, в виде двух телескопически соединенных гильз 25 и 26 с иглой 27 и фильерой 28 на донцах указанных гильз, при этом обе гильзы 25, 26 размещены в сильфоне 29, оснащенном механизмом перемещения гильз 25, 26 вдоль их оси с помощью резьбовых втулок 30 и 31.

Пучково-плазменный СВЧ-прибор имеет корпус 32, который может быть заземлен, а боковая осесимметричная стенка его снабжена (например, продольными) каналами 33 для протока хладагента со штуцерами (не показаны) для подачи и отвода хладагента, при этом на одном торце корпуса 32 размещена крышка 34 с укрепленными на ней высоковольтными токовводами 35, 36 и 37 узла термокатода 1 электронной пушки 3, катодов 6, 7 и анода 8 магниторазрядного насоса 5 и электродов 10, 11 ионно-геттерного насоса 9 соответственно, а на другом его торце размещено дно 38 с осевым отверстием, которое закреплено соосно на переходном фланце 20, жестко соединенного с устройством ввода СВЧ-энергии электродинамической системы 16. В корпусе 32 соосно с электродинамической системой 16 размещена неразборная камера 39, состоящая из последовательности соосных керамических колец 40 с металлическими манжетами 41 между ними. Камера 39 с торцов снабжена металлическими крышками 42, 43 и разделена на три секции перпендикулярными оси прибора металлическими диском 44 и диафрагмой 45, при этом крышка 43, диск 44 и диафрагма 45 электрически связаны с соответствующими манжетами 44 и имеют осевые отверстия равные поперечному сечению пролетного канала 17. Камера 39 с помощью крышки 43 жестко соединена с переходным фланцем 20, в торцах первой секции камеры 39, расположенной в противоположном от фланца 20 конце камеры 39, на крышке 42 закреплен узел термокатода 1, электрически соединенный внутри корпуса 32 с высоковольтным токовводом 35 на крышке 34, а на диске 44 с соответствующей манжетой 41 - анод 2 электронной пушки 3. Манжета 41 анода 2 электроизолирована от крышки 42 с катодным узлом 1 с помощью керамического кольца 40. Во второй секции вакуумной камеры 39 между диском 44 и диафрагмой 45 с соответствующими манжетами 41 размещены катоды 6 и 7 магниторазрядного насоса 5 с анодом 8 между ними, при этом они электрически связаны с соответствующими этой секции камеры 39 манжетами 41, которые внутри корпуса 32 за пределами камеры 39 электрически связаны с расположенными на крышке 34 высоковольтными токовводами 36 электродов магниторазрядного насоса 5, а манжеты 41 диска 44, катодов 6 и 7, анода 8 и диафрагмы 45 электроизолированы с помощью соответствующих керамических колец 40. В третьей секции вакуумной камеры 39 между диафрагмой 45 и крышкой 43, закрепленной на переходном фланце 20, размещены коаксиально оси прибора внутренний 10 и наружный 11 электроды ионно-геттерного насоса 9, которые электрически соединены с соответствующими этой секции камеры 39 манжетами 41, соединенными внутри корпуса 32 за пределами камеры 39 с высоковольтными токовводами 37 на крышке 34 корпуса 32, а манжеты 41 диафрагмы 45, внутреннего 10 и наружного 11 электродов и крышки 43 камеры 39 электроизолированы с помощью соответствующих керамических колей 40. При этом манжеты 41, соединенные с металлическим диском 44 анода 2-электронной пушки 3, диафрагмой 45 и крышкой 43 камеры 39, электрически связаны с корпусом 32, а электроды 10 (например, с помощью шайбы 14) и 11 ионно-геттерного насоса 9 соединены с соответствующими манжетами 41, обладающими высоким тепловым сопротивлением электропроводящими системами 46, 47 соответственно, каждая из которых может быть выполнена, например, в виде набора тонких пластин из материала с низкой теплопроводностью. Кроме этого, промежуток между корпусом 32 и вакуумной камерой 39 заполнен диэлектрической жидкостью 48, например кремнийорганической.

В предлагаемом приборе в магнитном поле соленоида 22 находятся размещенные в разных секциях вакуумной камеры 39, которая помещена в охлаждаемый корпус 32, термокатод 1 и анод 2 электронной пушки 3, электроды 6, 7, 8 магниторазрядного насоса 5, электроды 10, 11 ионно-геттерного насоса 9 и электродинамическая система 16. Коллектор 21 может быть снабжен датчиком давления 49.

Работает пучково-плазменный СВЧ-прибор следующим образом. Перед началом работы контролируют давление газа в приборе с помощью датчика давления 49, а при его отсутствии включают соленоид 22 и кратковременно подключают через токоввод 37 ионно-геттерный насос 9, при этом внутренний электрод 10 оказывается под нулевым потенциалом (соединен с корпусом 32), а на наружный электрод 11 подается высокое отрицательное напряжение. При этом ионно-геттерный насос 9 работает в режиме обращенного (инверсного) магнетрона, в котором электрод 11 является катодом, а электрод 10 - анодом. В скрещенных электрическом поле между электродами 10, 11 и магнитном поле соленоида 22 возникает газовый разряд, ток которого пропорционален давлению газа в ионно-геттерном насосе. При давлении газа ˜5×10^-3 мм рт.ст. переключают режим работы ионно-геттерного насоса с кратковременного на постоянный, поддерживая газовый разряд между электродами 10 и 11. Поток образовавшихся ионов бомбардирует электрод 11 (катод) и распыляет его поверхность, а распыленный материал осаждается на поверхности электрода 10 (анод), и со свеженанесенной пленкой материала связываются молекулы газа, образуя устойчивые химические соединения.

Эффективная работа ионно-геттерного насоса 9 достигается за счет поддержания газового разряда путем регулирования напряжения между электродами 10 и 11, т.е. за счет изменения напряженности электрического поля, ортогонального продольному магнитному полю соленоида 22. Измеряя ток разряда или подводимую мощность, можно оценить быстроту действия насоса 9.

Возможен также режим работы ионно-геттерного насоса 9 с отключенными электродами 10 и 11. В этом случае он является насосом небольшой сорбционной емкости и может быть использован при работе прибора в вакуумном режиме при давлении газа в приборе ˜10^-5 мм рт.ст.

Таким образом, на стадии предварительной откачки газа при давлении газа в приборе ˜5·10^-3 мм рт.ст. ионно-геттерный насос 9 позволяет откачать почти полностью активные (N₂О₃) и углеродосодержащие (СО, СО₂, СН_n) газы и предотвратить их отравляющее действие на термокатод 1 электронной пушки 3 и, как следствие, повысить его надежность и ресурс работы, а также обеспечивает необходимое давление газа в приборе (˜5·10^-4 мм рт.ст.) для включения магниторазрядного насоса 5, способствуя сокращению периода его старта и уменьшению вероятности перегрева электродов 6, 7 и 8.

После предварительной откачки газа и получения давления в приборе ˜10^-4 мм рт.ст. включают расположенный во второй секции камеры 39 магниторазрядный насос 5 путем подачи напряжения через токоввод 36, при этом на его катоды 6 и 7 подают отрицательное высокое напряжение, а на анод 8 - небольшое отрицательное напряжение, причем диск 44 и диафрагма 45, которые являются торцевыми стенками второй секции вакуумной камеры 39, находятся под нулевым потенциалом заземленного корпуса 32. При взаимодействии продольного электрического поля, возникающего между катодами 6, 7 и анодом 8, и продольного магнитного поля соленоида 22 возбуждается газовый разряд Пеннинга. Образовавшиеся в разряде ионы газа ускоряются электрическим полем и двигаются к катодам 6 и 7, при этом часть ионов пролетает сквозь ячейки катодов 6 и 7 и достигают поверхностей диска 44 и диафрагмы 45. Распыленный материал электродов осаждается в виде пленки на поверхностях диска 44, диафрагмы 45 и, главным образом, на аноде 8. Газы, попадая на свеженанесенную пленку, связываются с ней, образуя устойчивые химические соединения.

После установления давления газа в приборе ˜5·10^-5 мм рт.ст. подключают через токоввод 35 термокатод 1 электронной пушки 3. После выхода катода на заданный режим эмиссии через токоввод 35 подается ускоряющее напряжение, при этом в электрическом поле между катодом 1 и анодом 2 электронной пушки 3 и магнитным полем соленоида 22 формируется электронный пучок, который транспортируется в пролетном канале 17 через систему отверстий в электродах 6, 7, 8 магниторазрядного насоса 5, отверстие в диафрагме 45, сквозь цилиндрический канал ионно-геттерного насоса 9, образованный пластинами 12, внутренние ребра которых расположены на образующих цилиндрического канала 17, и далее через отверстие в крышке 43 вакуумной камеры 39, вдоль оси цепочки связанных резонаторов электродинамической системы 16 входит в коллектор 21, в котором энергия электронного пучка преобразуется в тепловую энергию или частично может быть рекуперирована в электрическую энергию.

При удовлетворительном прохождении пучка (не хуже 99%) включают нагреватель генератора водорода 23 и регулируют подачу рабочего газа путем изменения температуры геттера, например губки спеченной из порошка(ов) Ti, Zr, Al и др., изменением сечения отверстия в натекателе 24 между фильерой 28 и иглой 27, закрепленных на донцах телескопически соединенных подвижных гильз 25 и 26, расположенных внутри сильфона 29, за счет их перемещения с помощью резьбовых втулок 30 и 31, при этом одновременно регулируется через систему управления (не показано) быстрота откачки ионно-геттерного насоса 9 и магниторазрядного насоса 5.

После установления заданного давления газа в приборе через устройство ввода 18 в электродинамическую систему 16 подается СВЧ-энергия, которая в результате взаимодействия с пучковой плазмой усиливается и выводится через устройство вывода СВЧ-энергии 19, при этом эффективность работы прибора повышается благодаря переходу от вакуумного режима (˜10^-5 мм рт.ст.) к плазменному режиму (˜10^-3 мм рт.ст.) преобразования мощности в электродинамической системе 16, при котором оптимальное давление газа и его рациональное использование обеспечивается за счет возможности согласованного управления работой насосов 9 и 5 (через систему управления), регулируя газодинамический процесс в приборе за счет инверсии электрического поля в межэлектродном пространстве насосов 9 и 5 при неизменном продольном магнитном поле соленоида 22 и регулирования подачи газа из генератора водорода 23 описанным выше способом.

При давлении газа в магниторазрядном насосе 5 порядка 10^-5 мм рт.ст. на катоды 6 и 7 подают отрицательное высокое напряжение, а анод 8 подключают к корпусу 32 в системе управления (не показано). Газовый разряд между катодами 6, 7 и анодом 8 возобновляется, при этом механизм откачки газов аналогичен описанному выше, кроме слабого влияния на откачку диска 44 и диафрагмы 43, поэтому быстрота действия магниторазрядного насоса 5, подаваемая мощность и расход рабочего газа в этом случае значительно уменьшаются, кроме этого, снижается термонапряженность всей конструкции, все это становится возможным благодаря конструкции насоса 9, позволяющей предварительно регулировать откачку газа и сократить не только время старта магниторазрядного насоса, но и обеспечить необходимый и достаточный перепад давления между магниторазрядным насосом 5 и электродинамической системой 16. При работе магниторазрядного насоса 5 положительные ионы, образующиеся в пролетном канале 17 на участке второй секции вакуумной камеры 39 при взаимодействии электронного пучка с газом, тормозятся на катодах 6 и 7, а при работе насоса 5 в режиме, когда и катоды 6, 7 и анод 8 имеют отрицательный потенциал относительно корпуса 32, ионы газа попадают в основном на катоды 6, 7 и на анод 8, при этом образуется многоэлектродная ионная ловушка, препятствующая движению ионов к термокатоду 1 электронной пушки 3. В связи с этим предотвращается дополнительный нагрев конструкции, в которой принцип теплоотвода от всех теплонапряженных деталей и узлов, содержащихся в вакуумной камере 39, один и тот же, т.е. теплоотвод от электродов электронной пушки 3 и насосов 5, 9 внутри камеры осуществляется излучением и(или) теплопроводностью, а снаружи камеры - теплопередачей за счет конвективного теплообмена между керамическими кольцами 40 с манжетами 41 и диэлектрической жидкостью 48, заполняющей пространство между вакуумной камерой 39 и корпусом 32 с продольными каналами 33, в которых циркулирует хладагент, например вода. При этом теплоотвод от электродов 10 и 11 ионно-геттерного насоса 9 ограничен высоким тепловым сопротивлением электропроводящих систем 46 и 47, и при инверсии потенциалов на электродах 10 и 11, т.е. подаче на электрод 10 отрицательного высокого напряжения, а на электрод 11 потенциала корпуса 32, ионно-геттерный насос 9 работает в режиме магнетрона, при котором для возбуждения и поддержания газового разряда необходимо подать более высокое напряжение, чем в режиме обращенного магнетрона. Это приводит к увеличению тока разряда, интенсификации ионной бомбардировки электрода 10, находящегося под отрицательным потенциалом, и (при необходимости) повышению его температуры до значения, соответствующего десорбции рабочего газа, при этом тепло от керамических колец 40 и манжет 41 этой части вакуумной камеры 39 отводится по принципу, описанному выше, и электрическая прочность изоляции не уменьшается. Из сказанного выше следует, что предлагаемая конструкция ионно-геттерного насоса 9 с возможностью регулировать быстроту откачки газов и возможностью переключения его работы в режим рекуперации газа способствует повышению ресурса работы генератора водорода 23.

В результате реализации предложенного технического решения снижается термонапряженность деталей и узлов, повышается их формоустойчивость, повышается электрическая прочность изоляции и более рационально используется рабочий газ, что в совокупности повышает надежность и ресурс работы пучково-плазменного СВЧ-прибора в целом.

Изобретение относится к электронике, в частности к мощным электронно-лучевым СВЧ-приборам, предназначенным для усиления и генерации радиочастотной энергии, и могут быть использованы в высокоинформативной, помехозащищенной радиосвязи, радионавигации и других областях радиотехники, а также в установках для плазмохимических технологий и ионно-плазменных технологий модификации поверхности различных материалов. Техническим эффектом является повышение надежности и увеличение ресурса работы устройства. Пучково-плазменный СВЧ-прибор содержит расположенные последовательно вдоль оси прибора электронную пушку, систему дифференциальной откачки, электродинамическую систему в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом, устройства ввода и вывода энергии и коллектор, а также генератор водорода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий расположенные последовательно вдоль оси прибора узел термокатода с высоковольтными токовводами и анод электронной пушки, систему дифференциальной откачки, состоящую из магниторазрядного насоса, имеющего размещенные перпендикулярно оси прибора два ячеистых катода и расположенный между ними решетчатый анод, и сорбционного насоса с их высоковольтными токовводами, электродинамическую систему в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом, устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии и генератором водорода, размещенным на выходе из резонаторов электродинамической системы, коллектор и магнитный соленоид, коаксиально охватывающий прибор от узла термокатода до коллектора, отличающийся тем, что электронная пушка и система дифференциальной откачки прибора снабжены корпусом, осесимметричная боковая стенка которого имеет каналы со штуцерами для подачи и отвода хладагента, на одном торце корпуса размещена крышка с высоковольтными токовводами узла термокатода электронной пушки, магниторазрядного и сорбционного насосов системы дифференциальной откачки, а на другом его торце - дно с осевым отверстием, при этом вход в резонаторы электродинамической системы имеет переходной фланец, на котором жестко закреплено дно корпуса, кроме того в корпусе соосно с цепочкой связанных резонаторов электродинамической системы размещена неразборная камера, которая состоит из последовательности соосных керамических колец с металлическими манжетами между ними, снабжена торцевыми металлическими крышками, причем одна из них выполнена с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием, электрически соединена с соответствующей манжетой и жестко закреплена на переходном фланце, кроме этого неразборная камера разделена на секции перпендикулярными оси прибора металлическими диском и диафрагмой, которые имеют равные поперечному сечению пролетного канала осевые отверстия и электрически соединены с соответствующими металлическими манжетами, причем в первой секции неразборной камеры на металлической крышке в противоположном переходному фланцу торце размещен узел термокатода электронной пушки, а на металлическом диске с металлической манжетой - анод электронной пушки, при этом металлическая крышка с узлом термокатода и металлическая манжета анода электроизолированы с помощью керамического кольца, а во второй секции неразборной камеры между металлическим диском и диафрагмой с соответствующими металлическими манжетами размещены и электрически соединены с соответствующими металлическими манжетами этой секции неразборной камеры электроды магниторазрядного насоса, при этом металлические манжеты электродов магниторазрядного насоса, металлических диска и диафрагмы электроизолированы с помощью керамических колец, в третьей секции неразборной камеры между металлической крышкой с осевым отверстием и диафрагмой с соответствующими металлическими манжетами размещен сорбционный насос, который выполнен ионно-геттерным и имеет коаксиальные оси прибора внутренний и наружный электроды с геттерным покрытием, при этом внутренний электрод состоит из набора пластин, которые расположены радиально относительно оси прибора, равноудалены друг от друга, электрически соединены и закреплены между перпендикулярными оси прибора торцевыми шайбами, причем внутренние ребра пластин размещены на образующих цилиндрической поверхности пролетного канала, а наружный электрод выполнен в виде цилиндра с перпендикулярными оси прибора торцевыми крышками с осевыми отверстиями, кроме этого одна из шайб внутреннего электрода и наружный электрод электрически соединены с соответствующими металлическими манжетами этой секции неразборной камеры с помощью соответствующих электропроводящих систем с высоким тепловым сопротивлением, а металлические манжеты электродов ионно-геттерного насоса, металлических диафрагмы и крышки с осевым отверстием электроизолированы с помощью керамических колец, кроме этого узел термокатода электронной пушки и металлические манжеты электродов насосов системы дифференциальной откачки электрически соединены с соответствующими высоковольтными токовводами на крышке корпуса, а металлические манжеты металлических диска с анодом электронной пушки, диафрагмы и крышки с осевым отверстием неразборной камеры, которая закреплена на переходном фланце, электрически соединены с корпусом, при этом промежуток между корпусом и неразборной камерой заполнен диэлектрической жидкостью.2. Пучково-плазменный СВЧ-прибор по п.1, отличающийся тем, что генератор водорода выполнен с натекателем.