Импульсный магнетрон с безнакальным запуском с трехмодульным активным телом в катодном узле Российский патент 2022 года по МПК H01J25/50 H01J23/04 H01J1/304 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в приборах СВЧ М-типа, в частности в малогабаритных импульсных магнетронах с безнакальным запуском.

Известен магнетрон [1], являющийся первым аналогом данного изобретения. В этом магнетроне автоэлектронные эмиттеры с активаторами размещены непосредственно на концевых экранах катодных узлов, а вторично-электронный эмиттер, в виде протяженной цилиндрической втулки, помещен между этими экранами. Основным недостатком этого магнетрона является риск быстрого разрушения автоэлектронных эмиттеров под воздействием ионной бомбардировки при ухудшении вакуумного состояния в приборе, т.е. при увеличении давления остаточных газов с Р ~ 5⋅10^-6 Па до Р ~ 1⋅10^-4 Па и выше. Это связано с тем, что в течение длительности модулирующего импульса напряжения вокруг вторично-электронного эмиттера формируется пространственный заряд в виде спицы, который экранирует активное тело катодного узла от разрушающего действия ионной и обратной электронной бомбардировок. Так как диаметр экрана, как правило, на 20-30% превышает диаметр вторично-электронного эмиттера, автоэлектронные эмиттеры, непосредственно находящиеся на экране, могут не экранироваться пространственным зарядом и, как следствие, разрушаться под воздействием ионной бомбардировки.

Известен магнетрон [2], являющийся вторым аналогом данного изобретения. В этом магнетроне активное тело катодного узла состоит из чередующихся автоэлектронных эмиттеров и вторично-электронных прессованных палладий-бариевых эмиттеров, которые одновременно являются активаторами автоэлектронных эмиттеров. Основным недостатком этого магнетрона является крайне низкая величина допустимой температуры катодного узла, которая заключается в следующем: при достижении температуры на катодном узле 950-970°С и выше, в объеме и на поверхности палладий-бариевых вторично-электронных эмиттеров происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие, с одной стороны, к изменению структуры и элементного состава, из-за чего ухудшаются как вторично-эмиссионные свойства эмиттеров, так и их способность стабильно активировать автоэлектронные эмиттеры.

С другой стороны, перегрев вторично-электронных эмиттеров обуславливает изменение геометрических размеров эмиттеров вплоть до образования на них бочкообразного профиля (фиг. 1), что приводит к перераспределению и искажению электрического поля в пространстве взаимодействия магнетрона и, соответственно, ухудшению частотных, мощностных и др. эксплуатационных параметров приборов.

Известен также магнетрон с безнакальным катодом [3], являющийся прототипом данного изобретения.

В этом магнетроне активное тело катодного узла состоит из чередующихся автоэлектронных эмиттеров, изготовленных из танталовой фольги толщиной 4 мкм, активаторов автоэлектронного эмиттера, выполненных из смеси палладия с барием методами порошковой технологии и вторично-электронных эмиттеров, изготовленных также из палладия с барием методами порошковой технологии, но отличающиеся от активаторов своей пористостью. В качестве вторично-электронных эмиттеров в катодном узле прототипа могут быть использованы эмиттеры, выполненные из смеси порошков платины с барием, иридия с лантаном, осмия с барием и др. порошками металлов платиновой группы с интерметаллическими соединениями этих же металлов с РЗМ.

Во время откачки магнетронов с описанными выше катодными узлами производится специальное активирование, в результате чего на торцевой поверхности автоэлектронных эмиттеров формируется структура из палладиевых вискеров, покрытых кристаллитами оксида бария, которые, собственно, во время действия модулирующего импульса напряжения создают в пространстве взаимодействия магнетрона автоэлектронный ток, инициирующий начало генерации СВЧ колебаний (фиг. 2; 3). Однако подобная конструкция катодного узла имеет следующие основные недостатки:

- вторично-электронные эмиттеры, выполненные из палладия с барием, независимо от своей пористости, подвержены изменениям структуры, элементного состава и геометрических размеров в результате перегрева под воздействием бомбардировки обратными электронами;

- отсутствие защитных вольфрамовых шайб между эмиттерами обуславливает взаимную диффузию компонентов, входящих в состав этих эмиттеров с образованием различных комплексов с совершенно новыми, непредсказуемыми и практически не изученными физико-химическими и механическими свойствами, которые негативно могут отразиться в стабильности электрических параметров мощных магнетронов с безнакальным запуском в процессе срока службы.

Таким образом, целью данного изобретения является повышение надежности и стабильности эксплуатационных параметров магнетронов с безнакальным катодом, а также существенное расширение диапазона допустимых температур катодного узла, использование которых позволит создать магнетроны с безнакальным запуском с импульсной мощностью в десятки раз превышающие мощность серийно-выпускаемых приборов с безнакальным катодом, т.е. позволит создать магнетроны с импульсной мощностью в несколько сотен киловатт, вместо достигнутых к настоящему времени мощностей порядка 20-25 киловатт.

Цель изобретения достигается за счет того, что в импульсном магнетроне с безнакальным запуском, включающем анод и коаксиально размещенный внутри него катодный узел, содержащий не менее одного палладий-бариевого вторично-электронного эмиттера, не менее одного автоэлектронного эмиттера с палладиевыми вискерами на своей поверхности и не менее одного активатора, активное тело катодного узла содержит не менее одного автоэмиссионного блока, ответственного за формирование в пространстве взаимодействия магнетрона автоэлектронной эмиссии, инициирующей начало генерации, и состоящего из автоэлектронного эмиттера с двумя активаторами, симметрично размещенными по обеим сторонам автоэлектронного эмиттера, не менее одного вторично-электронного эмиттера, ответственного за поддержание режима генерации в течение длительности модулирующего импульса и всего срока службы прибора, а также защитные вольфрамовые шайбы, разделяющие каждый эмиттер в активном тела катодного узла.

Для мощных магнетронов автоэлектронный эмиттер может быть изготовлен из танталовой фольги толщиной 4-10 мкм, у которого кромка выступает над поверхностью вторично-электронного эмиттера на расстоянии 80-200 мкм, а активатор представляет собой шайбу толщиной 0,1-0,3 мм с диаметром, равным диаметру вторично-электронного эмиттера, изготовленную из палладия или палладий-содержащего материала, например, из пластин сплава палладия с барием с содержанием бария 1,2-2,5% вес. или шайбу, изготовленную методами порошковой технологии из смеси порошков палладия с фазой Pd₅Ba с массовым содержанием бария в количестве 1-20% вес. и спеченную в вакууме при давлении остаточных газов не более 1⋅10^-3 Па при температуре 1050-1100°С в течение 100-120 мин.

Палладиевые вискеры на торцевой поверхности автоэлектронного эмиттера имеют размеры в сечении 10-50 нм и длину 100-500 нм. Эти вискеры формируются на поверхности автоэлектронного эмиттера во время откачки магнетрона в результате активирования катодного узла при температуре 950-970°С в течение 90-120 мин во внешнем электрическом поле при разности потенциалов между анодом и активным телом катодного узла U=100-500 B, а также во время тренировки магнетрона в генераторном режиме.

Поверхность вискеров частично или полностью покрывается кристаллитами оксидов редкоземельных металлов, которые содержатся в материалах активатора и вторично-электронного эмиттера и которые переносятся из них на поверхность вискеров во время активирования катодного узла при откачке прибора и при работе магнетрона в генераторном режиме.

Вторично-электронный эмиттер со стабильными вторично-электронными свойствами, обладающий высокой устойчивостью к перегревам и к деградирующему воздействию ионной и электронной бомбардировок, представляет собой цилиндрическую втулку протяженностью 0,5-2,5 мм, полученную пропиткой вольфрамовой губки с пористостью 20-30% совместно-осажденным алюминатом бария-кальция состава 2,5 ВаО⋅0,5СаО⋅Al₂O₃ или 3,0 ВаО⋅0,5СаО⋅Al₂O₃, или 4,0 ВаО⋅СаО⋅Al₂O₃ при температуре 1750-1800°С в среде водорода с точкой росы не менее -60°С.

Вторично-электронный эмиттер может быть также изготовлен методами порошковой технологии из смеси порошков никеля с агломератами мелкодисперсного никеля, покрытых слоем тройного карбоната бария-стронция-кальция толщиной 20-30 мкм с общим содержанием тройного карбоната в количестве 5-15% вес., прокаленными в среде водорода с точкой росы не менее -60°С, при температуре 1100-1150°С в течение 15-25 мин с последующей стабилизацией в среде углекислого газа с точкой росы -45 - -60°С [4].

Вторично-электронный эмиттер может быть также изготовлен методами порошковой технологии из смеси порошков платины с фазой Pt₅Ba с массовым содержанием бария в количестве 1,5-10% вес., или смеси порошков иридия с фазой Ir₂La с содержанием лантана 2-5% вес., или смеси порошков иридия с фазой Ir₂Ce с содержанием церия 2-5% вес.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1. Фрагмент типового двухмодульного катодного узла магнетрона с безнакальным запуском после нагрева при температуре температуре Т~980°С в течение 60 мин. (Δ~0,1 мм).

Фиг. 2. Микрография фрагмента автоэлектронного эмиттера магнетрона с безнакальным запуском со структурой из вискеров при увеличении М~1000^х. Ориентировочные размеры вискеров: в сечении ~10×50 нм, длиной ~100-500 нм.

Фиг. 3. Микрофотография фрагмента торцевой поверхности автоэлектронного эмиттера с вискерами при увеличении М~70000^х.

Фиг. 4. Схематичное изображение конструкции трехмодульного катодного узла магнетрона с безнакальным запуском.

Фиг. 5 График зависимости спада тока автоэлектронной эмиссии от времени при полном отсутствии активирования (нагрева) КПУ.

На фиг. 4 приняты следующие обозначения: 1 - анод, 2 - керн, 3 - технологический подогреватель, 4 - экран, 5 - автоэмиссионный блок, 6 - вторично-электронный эмиттер, 7 - автоэлектронный эмиттер, 8 - активатор, 9 - защитная шайба.

Кратко о процессах, происходящих в пространстве взаимодействия магнетрона.

После включения модулирующего напряжения, эмитированные с автоэлектронных эмиттеров электроны, устремляются к аноду вдоль силовых линий электрического поля, но под воздействием магнитного поля меняют направление. При этом часть электронов, бомбардируя вторично-электронный эмиттер, инициирует эмиссию вторичных электронов. В совокупности электроны создают в пространстве взаимодействия магнетрона электронную спицу, вращающуюся вокруг вторично-электронного эмиттера. Взаимодействие этого электронного потока с высокочастотным полем обуславливает генерацию СВЧ-колебаний.

Измерение тока автоэлектронной эмиссии проводилось в импульсном режиме при пиковом анодном напряжении Ua=4500±20 В, скважности 1000, длительности импульса 0,5 мкс и давлении остаточных газов в магнетроне Р≤5⋅10^-6 Па.

1 - для магнетрона типа М-1 с безнакальным запуском с трехмодульным катодным узлом. Координаты характеристической точки х₁ [2000 с; 37 мА].

2 - для магнетрона типа М-1 с безнакальным запуском с двухмодульным катодным узлом. Координаты характеристической точки х₂ [300 с; 17 мА].

Практическая реализация предложенной конструкции трехмодульного активного тела катодного узла обеспечила достижение стабильных эксплуатационных параметров магнетронов с безнакальным запуском.

Пример 1.

1. Изготовлен и испытан магнетрон с безнакальным запуском М-1 с трехмодульным катодным узлом (фиг. 4), состоявшим из трех автоэмиссионных блоков и двух вторично-электронных эмиттеров. В качестве материала автоэлектронного эмиттера использовалась танталовая фольга толщиной 4 мкм, в качестве активаторов- прессованные палладий-бариевые шайбы толщиной 0,2 мм, а в качестве вторично-электронных эмиттеров-вольфрам-алюминатные эмиттеры протяженностью 0,8 мм с коэффициентом вторичной электронной эмиссии σ_max~3,4-3,6. (у палладий-бариевого катодного материала σ_max~2,2-2,4).

2. На поверхности автоэлектронных эмиттеров была сформирована четкая структура из вискеров, аналогичная структуре на фиг. 2; 3.

3. При прокалке катодного узла вплоть до температуры 1050-1070°С в течение 60 мин какие-либо изменения геометрических размеров вторично-электронных эмиттеров зафиксированы не были.

4. При исследовании магнетрона с подобным трехмодульным катодным узлом были получены стабильные, существенно более высокие автоэмиссионные параметры в сравнении с серийно-выпускаемыми магнетронами со стандартными двухмодульными узлами на основе прессованных палладий-бариевых вторично-электронных эмиттеров.

В частности, координаты характеристической точки перегиба кривой зависимости спада тока автоэлектронной эмиссии и установившийся уровень тока автоэлектронной эмиссии, которые измерялись в импульсном режиме при пиковом анодном напряжении 4500 В, скважности 1000, длительности импульсов напряжения 0,5 мкс и давлении остаточных газов в магнетроне Р≤5⋅10^-6 Па следующие:

1) у магнетрона с трехмодульным катодным узлом х₁ [2000 с; 37 мА]

Т.е. спад тока автоэлектронной эмиссии до уровня 37 мА (асимптоты графика функции) происходило за 2000 с или за 33,3 мин.

2) у магнетрона с двухмодульным катодным узлом х₂ [300 с; 17 мА]

- спад тока автоэлектронной эмиссии до уровня 17 мА, что более, чем вдвое меньше предыдущей, происходит за 300 с или всего лишь за 5 мин.

3) у магнетрона с трехмодульным катодным узлом флуктуации СВЧ колебаний на переднем фронте модулирующего импульса не превысила величины τ~1 мкс, в то время как у магнетронов с типовым двухмодульным узлом флуктуации, как правило, достигают величины τ~3-4 мкс (при предельно-допустимых значениях τ≤5 мкс).

Таким образом, применение трехмодульного катодного узла позволило существенно улучшить частотные характеристики магнетрона М-1 с безнакальным запуском.

Пример 2.

В мощном импульсном магнетроне с накаливаемым катодом с диапазоном импульсной мощности 100-150 кВт при напряжении анода Ua=18 кВ и временем готовности 3 мин. произведена замена накаливаемого катода, представляющего собой втулку из пористого вольфрама, пропитанного алюминатом бария-кальция, на трехмодульный катодный узел, состоящий из чередующихся трех вторично-электронных эмиттеров с двумя автоэмиссионными блоками, каждый из которых изготовлен из танталового автоэлектронного эмиттера толщиной 10 мкм и двух активаторов толщиной 0,2 мм из палладий-бариевого катодного материала (фиг. 4). В качестве вторично-электронных эмиттеров использовались втулки из вольфрамовой губки пористостью 28^±1%, пропитанные совместно осажденным алюминатом бария-кальция с привесом активного вещества ~8,5%.

Полученные результаты, положительные. Причем импульсная мощность составила 140 кВт, а время готовности магнетрона τ~0,3÷0,5 с. Электрические параметры магнетрона (по мощности, частотным характеристикам, времени готовности и др.) полностью соответствуют техническим условиям на магнетроны с безнакальным запуском.

Таким образом, выполненные работы показали, что трехмодульные катодные узлы, являющиеся предметом изобретения, могут быть успешно использованы при проектировании и серийном выпуске самых разнообразных импульсных магнетронов с безнакальным запуском с импульсной мощностью от единиц киловатт до нескольких сотен киловатт.

Источники информации

1. Ли И.П., Скрипкин Н.И., Поливникова О.В., Лифанов Н.Д., Комиссарчик С.В., Каширина Н.В., Силаев А.Д., Поляков B.C. Магнетрон с запускающими автоэлектронными эмиттерами на концевых экранах катодных узлов//Патент РФ на изобретение №2538780, приоритет изобретения 22 июля 2013 г.

2. Ли И.П., Дюбуа Б.Ч., Каширина Н.В., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д., Зыбин М.Н. Магнетрон с безнакальным катодом//Патент РФ на изобретение №2380784, приоритет изобретения 24 октября 2008 г.

3. Ли И.П., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д. Магнетрон с безнакальным запуском со специальным активированием автоэлектронных катодов//Патент РФ на изобретение №2494489, приоритет изобретения 10 февраля 2012 г.

4. Ли И.П., Бажанов Ф.В., Калушин С.В., Леденцова Н.Е., Каширина Н.В. Магнетрон с прессованным оксидно-никелевым катодом//Патент РФ на изобретение №2579006, приоритет изобретения 24 ноября 2014 г.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в приборах СВЧ М-типа, в частности в импульсных магнетронах с безнакальным запуском сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в широком диапазоне генерируемой импульсной мощности. Технический результат - повышение стабильности, надежности и срока службы магнетронов. Магнетрон содержит узел катода с трехмодульным активным телом. Первым модулем является вторично-электронный эмиттер, выполненный в виде цилиндрической втулки протяженностью 0,5-2,5 мм из агломерированного прессованного оксидно-никелевого материала; иридий-лантанового, иридий-цериевого и ряда других эмиссионно-активных катодных материалов, отличающихся высокой механической прочностью, стабильными вторично-эмиссионными свойствами, устойчивыми к ионной и электронной бомбардировкам. Вторым модулем является автоэлектронный эмиттер, выполненный из танталовой фольги толщиной 4-10 мкм, на рабочей поверхности которого, в результате специального активирования узла в электрическом поле во время откачки и тренировки прибора в динамическом режиме, формируются вискеры из палладия, покрытые эмиссионно-активными соединениями, снижающими работу выхода материала автоэлектронного эмиттера. Третьим модулем является активатор автоэлектронного эмиттера, выполненный в виде шайбы толщиной 0,1-0,3 мм из палладия или палладийсодержащего материала, например, из пластины сплава палладия с барием (ПдБ-2) или изготовленного методом порошковой технологии из смеси порошков палладия и фазы Pd₅Ba. Два активатора, симметрично размещенные по обе стороны автоэлектронного эмиттера, образуют в совокупности с автоэлектронным эмиттером автоэмиссионный блок. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском, включающий анод и коаксиально размещенный внутри него катодный узел, содержащий не менее одного палладий-бариевого вторично-электронного эмиттера, не менее одного автоэлектронного эмиттера с палладиевыми вискерами на своей поверхности и не менее одного активатора, отличающийся тем, что активное тело катодного узла содержит не менее одного автоэмиссионного блока, ответственного за формирование в пространстве взаимодействия магнетрона автоэлектронной эмиссии, инициирующей начало генерации, и состоящего из автоэлектронного эмиттера с двумя активаторами, симметрично размещенными по обеим сторонам автоэлектронного эмиттера, не менее одного вторично-электронного эмиттера, ответственного за поддержание режима генерации в течение длительности модулирующего импульса и всего срока службы прибора, а также защитные вольфрамовые шайбы, разделяющие каждый эмиттер в активном тела катодного узла.

2. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронный эмиттер изготовлен из танталовой фольги толщиной 4-10 мкм, кромка которого выступает над поверхностью вторично-электронного эмиттера на расстоянии 80-200 мкм, а каждый активатор представляет собой шайбу с диаметром, равным диаметру вторично-электронного эмиттера, толщиной 0,1-0,3 мм, изготовленную из палладия или палладий-содержащего материала, например, из пластин сплава палладия с барием с содержанием бария 1,2-2,5% вес., или шайбу, изготовленную методами порошковой технологии из смеси порошков палладия с фазой Pd₅Ba с массовым содержанием бария в количестве 1-20% вес. и спеченную в вакууме при давлении остаточных газов не более 1⋅10^-3 Па при температуре 1050-1100°С в течение 100-120 мин.

3. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 2, отличающийся тем, что поверхность автоэлектронного эмиттера содержит на своей поверхности палладиевые вискеры с размерами в сечении ~10-50 нм и длиной ~100-500 нм, которые формируются на поверхности автоэлектронного эмиттера как во время откачки магнетрона в процессе активирования катодного узла при температуре 950-970°С в течение 90-120 мин во внешнем электрическом поле при разности потенциалов между анодом и активным телом катодного узла U=100-500 B, так и в процессе тренировки прибора в генераторном режиме.

4. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 3, отличающийся тем, что поверхности вискеров частично или полностью покрыты кристаллитами окислов редкоземельных металлов из материалов активатора и вторично-электронного эмиттера, которые переносятся из них на поверхность вискеров во время активирования катодного узла во время откачки прибора и работы магнетрона в генераторном режиме.

5. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 1, отличающийся тем, что вторично-электронный эмиттер представляет собой цилиндрическую втулку протяженностью 0,5-2,5 мм, изготовленную пропиткой вольфрамовой губки с пористостью 20-30% совместно осажденным алюминатом бария-кальция состава 2,5ВаО⋅0,5СаО⋅Al₂O₃, или 3,0ВаО⋅0,5СаО⋅Al₂O₃, или 4,0ВаО⋅СаО⋅Al₂O₃ при температуре 1750-1800°С в среде водорода с точкой росы не менее -60°С.

6. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 1, отличающийся тем, что вторично-электронный эмиттер изготовлен методами порошковой технологии из смеси порошков никеля с агломератами мелкодисперсного никеля, покрытого слоем тройного карбоната бария-стронция-кальция толщиной 20-30 мкм с общим содержанием тройного карбоната в количестве 5-15% вес. и прокаленного в среде водорода с точкой росы не менее -60°С при температуре 1100-1150°С в течение 15-25 мин с последующей стабилизацией в среде углекислого газа с точкой росы -45 - -60°С.

7. Импульсный магнетрон с безнакальным запуском по п. 1, отличающийся тем, что вторично-электронный эмиттер изготовлен методами порошковой технологии из смеси порошков платины с фазой Pt₅Ba с массовым содержанием бария в количестве 1,5-10% вес., или из смеси порошков иридия с фазой Ir₂La с содержанием лантана 2-5% вес., или из смеси порошков иридия с фазой Ir₂Ce с содержанием церия 2-5% вес.