КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА Российский патент 2025 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к коллекторам электронов приборов пролетного типа, преимущественно ламп бегущей волны (ЛБВ), ламп обратной волны (ЛОВ) и клистронов.

Коэффициент полезного действия (КПД) электровакуумных СВЧ-приборов определяется формулой

где: Р_вых - выходная СВЧ-мощность на рабочих частотах, Р_потр - мощность, потребляемая электровакуумным СВЧ-прибором из источника электропитания. В электровакуумных СВЧ-приборах без рекуперации энергии электронов в коллекторе η равно электронному КПД, отнесенному к выходной СВЧ-мощности на рабочих частотах :

где I₀ - ток электронного потока в пространстве взаимодействия с электромагнитной волной, U₀ - ускоряющее напряжение в пространстве взаимодействия. Увеличение η электровакуумных СВЧ-приборов пролетного типа выше значений их η_э(вых) достигается за счет рекуперации энергии электронных потоков в коллекторах электронов. В рабочих режимах электровакуумного СВЧ-прибора, в его коллектор электронов из пространства взаимодействия входит электронный поток, имеющий широкий спектр кинетических энергий электронов. Поэтому для повышения эффективности рекуперации энергии таких электронных потоков применяется многоступенчатая рекуперация в многосекционных коллекторах электронов с повышением тормозящего электрического потенциала в каждой последующей секции (с понижением электрического потенциала каждой последующей секции относительно катода). При разной эффективности рекуперации, зависящей от конструкции коллектора, в приборах с рекуперацией энергии электронов, по сравнению с приборами без рекуперации энергии электронов, η может быть увеличен в 2 4 раза. При этом эффективность рекуперации энергии электронных потоков и соответствующее увеличение л приборов зависят как от количества, расположения и формы токоприемных электродов из токопроводящих материалов, создающих электронно-оптическую систему рекуперации в коллекторе, так и от уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности этих электродов. Чем ниже уровень вторичной электронной эмиссии, тем выше эффективность рекуперации энергии электронных потоков в коллекторе и η. [В.В. Пензяков, В.И. Роговин. Расчет многоступенчатых коллекторных систем // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1977. №10. С. 84-91] Известные методы понижения уровня вторичной электронной эмиссии с поверхностей токоприемных электродов коллекторов основаны на применении токоприемных электродов из графита, текстурировании поверхности токоприемных электродов или нанесения на токоприемные электроды покрытий из материалов с низким уровнем вторичной электронной эмиссии.

Известна конструкция коллектора электронов для ЛБВ, в которой токоприемные электроды изготовлены из бескислородной меди, при этом на активные рабочие участки электродов нанесен тонкий слой текстурированного углерода. Текстурированная структура слоя углерода характеризуется хаотичным распределением плотно расположенных тонких, вертикальных по отношению к медной поверхности электродов выступов углерода, средняя высота которых и расстояние между ними равны приблизительно 10 мкм и 4 мкм соответственно. [Curren N.A., Ramins P. TWT efficiency enhancement with textured carbon surfaces on copper MDC electrodes// International Electron Devices Meeting. New York; Washington. 1-4 Dec. 1985. P. 361-363.]. Такая конструкция коллектора позволила, как показано в приведенном источнике информации, увеличить КПД четырехступенчатого коллектора примерно на 8,6% и КПД ЛБВ в рабочем диапазоне частот на 5,4% по абсолютной величине. Недостатком этой конструкции коллектора является невысокая надежность работы коллектора и, соответственно, ЛБВ. Это связано с тем, что тонкие, вертикальные по отношению к медной поверхности электродов выступы углерода могут разрушаться при бомбардировке их высокоэнергетическими электронами. Разрушение выступов углерода приведет к увеличению уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности электродов коллектора и соответствующему снижению КПД ЛБВ. Также, из-за большой длины углеродных выступов по сравнению с их поперечными размерами, теплоотвод от верхних частей выступов обеспечивается при высоком градиенте температур по длине этих выступов. При высоких температурах поверхности углеродных выступов, в результате химических реакций углерода с газами, содержащимися во внутреннем объеме ЛБВ, могут возникать отравляющие катод молекулы окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂).

Известна также конструкция многоступенчатого коллектора, в которой на медные токоприемные поверхности его электродов нанесен слой карбида титана. [McDermott М.А., Tamashiro R.N. А 20 GHz, 70 Watt, 48 percent efficient space communications TWT // AIAA 11^th Communications Satellite Systems Conference. New York; San Diego. 17-20 March. 1986: P. 600-604.]. К недостаткам такой конструкции относится сложность технологии изготовления, связанная с получением карбида титана с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Кроме этого, коэффициент вторичной электронной эмиссии у карбида титана больше, чем у титана.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом, прототипом, является конструкция многоступенчатого коллектора, в котором внутренняяи поверхность четырех токоприемных электродов из медно-молибденового композитного материала, закрепленных внутри корпуса коллектора и изолированных от него и между собой электрически с помощью деталей из диэлектрика, покрыта пленкой титана толщиной 5 -7 мкм, имеющей сложный нано- и микрорельеф поверхности. [Д.И. Кириченко, П.Д. Шалаев, Н.О. Шабунин, В.А. Царев. Ионно-плазменное нанесение микро- и нанотекстурированных покрытий из титана на поверхности коллекторных электродов лампы бегущей волны // Саратов. СГТУ. Вопросы электротехнологии. №4.2023. С. 17-24]. Недостатки этой конструкции многоступенчатого коллектора состоят в том, что во-первых, не все поверхности, подвергающиеся электронной бомбардировке в процессе работы ЛБВ, покрыты титаном - внешняя поверхность, часть которой также подвергается бомбардировке первичными электронами электронного потока, не покрыта титаном, поэтому уровень вторичной электронной эмиссии с нее остается более высоким, чем с покрытых титаном поверхностей, а во-вторых, при длительной работе ЛБВ титан образует соединения с медью при температуре ниже температуры плавления титана и при еще более низкой температуре - ниже температуры плавления меди. Появление в титановом покрытии соединений титана с медью при рабочих температурах токоприемных электродов коллектора приводит к повышению коэффициента вторичной электронной эмиссии с поверхности покрытия токоприемных электродов и, соответственно, снижению положительного эффекта от использования титанового покрытия токоприемных электродов из материалов, содержащих в своем составе медь. При этом повышаются ток замедляющей системы (ЗС) и токи первых от ЗС ступеней коллектора, имеющих более высокие потенциалы по сравнению с остальными ступенями, повышаются их температуры, потребляемые электродами ЛБВ мощности, снижаются КПД и надежность ЛБВ.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стабильности низкого уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности покрытия токоприемных электродов коллектора электронов, содержащих в своем составе медь, увеличение КПД и надежности электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока.

Технический результат достигается тем, что в коллекторе электронов электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока у токоприемных электродов из материалов, содержащих в своем составе медь, поверхности, по крайней мере подвергающиеся электронной бомбардировке в процессе работы электровакуумного прибора, покрыты двумя тонкими слоями металлов, один из которых тугоплавкий металл с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибден, второй металл титан, причем первый от поверхности токоприемных электродов слой выполнен из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена, второй, из титана, выполнен на поверхности слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена и является внешним слоем. В частном исполнении внешняя поверхность тонкого слоя титана имеет нано- и микроразмерную структуру, образованную структурными элементами произвольной формы из титана, с размерами этих элементов и расстояниями между ними, находящимися в пределах от 10^-5 мм до 7⋅10^-3 мм в любом из пространственных направлений, что позволяет дополнительно снизить уровень вторичной электронной эмиссии с поверхности титанового покрытия токоприемных электродов коллектора электронов. Также в частном исполнении толщина тонкого слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена составляет 6⋅10^-4-3⋅10^-3 мм, толщина тонкого слоя из титана составляет 10^-3-7⋅10^-3 мм.

Существенные отличия предлагаемых конструкций коллектора электронов электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока позволяют, при наличии на токоприемных электродах коллектора промежуточного слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена, экранирующего внешний слой покрытия из титана от меди, содержащейся в токоприемных электродах коллектора, обеспечить снижение возможности образования в тонком слое титана соединений титана с медью при рабочих температурах токопремных электродов коллектора, соответственно, повысить стабильность низкого уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности слоя титанового покрытия токоприемных электродов коллектора электронов, увеличить КПД и надежность электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено продольное сечение конструкции прототипа -коллектора электронов с токоприемными электродами из медно-молибденового композитного материала, покрытыми по внутренней поверхности слоем титана. На фиг. 2 представлено продольное сечение варианта конструкции коллектора электронов с токоприемными электродами из материалов, содержащих медь, поверхности которых подвергающиеся электронной бомбардировке в процессе работы электровакуумного прибора покрыты двумя тонкими слоями металлов, один из которых тугоплавкий металл с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибден, второй металл титан, причем, первый от поверхности токоприемных электродов слой выполнен из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена, второй, из титана, выполнен на поверхности слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена и является внешним слоем.

Позициями на фиг. 1 обозначено:

1 - токоприемные электроды коллектора из материалов, содержащих медь;

2 - корпус коллектора;

3 - детали из диэлектрических материалов, изолирующие электрически токоприемные электроды коллектора от корпуса коллектора и между собой;

4 - тонкий слой титана на внутренней поверхности токоприемных электродов коллектора.

Позициями на фиг. 2 обозначено:

1 - токоприемные электроды коллектора из материалов, содержащих медь;

2 - корпус коллектора;

3 - детали из диэлектрических материалов, изолирующие электрически токоприемные электроды коллектора от корпуса коллектора и между собой;

4 - тонкий слой титана на поверхности тонкого слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена на токоприемных электродах коллектора;

5 - тонкий слой из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена на поверхности токоприемных электродов коллектора.

Коллектор электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока, выполненный согласно предлагаемому решению, токоприемные электроды (1), выполненные из материалов содержащих медь, закрепленные внутри корпуса коллектора (2) и изолированные от него и между собой электрически с помощью деталей из диэлектрических материалов (3); корпус коллектора (2); детали из диэлектрических материалов, изолирующие электрически токоприемные электроды коллектора от корпуса коллектора и между собой (3); внешний тонкий слой титана (4) двухслойного покрытия на поверхностях токоприемных электродов, по крайней мере подвергающихся электронной бомбардировке в процессе работы электровакуумного прибора; тонкий слой из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена (5), нанесенный непосредственно на поверхности токоприемных электродов, содержащих в своем составе медь, и расположенный между этими поверхностями и тонким слоем титана. В частном исполнении, для дополнительного уменьшения отрицательного влияния вторичной электронной эмиссии с поверхности токоприемных электродов на КПД и надежность электровакуумного прибора внешняя поверхность тонкого слоя титана имеет нано- и микроразмерную структуру, образованную структурными элементами произвольной формы из титана, с размерами этих элементов и расстояниями между ними, находящимися в пределах от 10^-5 мм до 7⋅10^-3 мм в любом из пространственных направлений. Также в частном исполнении толщина тонкого слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена составляет от 6⋅10^-4 до 3⋅10^-3 мм, толщина тонкого слоя из титана составляет от 10^-3 до 7⋅10^-3 мм.

Коллектор электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока, выполненный согласно предлагаемому решению, работает следующим образом. В коллектор электронов из пространства взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной поступает электронный поток, отдавший часть своей энергии электромагнитному полю. Электроны электронного потока, находившиеся при взаимодействии в разных фазах электромагнитной волны, имеют разные энергии на выходе из пространства взаимодействия и на входе в коллектор. В коллекторе происходит сортировка электронов электронного потока на группы. Самые низкоэнергетические электроны и электроны с недостаточной энергией для преодоления тормозящего потенциала второго от входа в коллектор токоприемного электрода коллектора падают на поверхность первого токоприемного электрода коллектора, далее электроны с энергией, недостаточной для преодоления тормозящего потенциала третьего от входа в коллектор токоприемного электрода коллектора, падают на поверхность второго токоприемного электрода коллектора и так далее, при наличии других токоприемных электродов коллектора с более низкими по сравнению с предыдущими токоприемными электродами электрическими потенциалами относительно катода электровакуумного прибора. Таким образом в коллекторе электронов происходит сортировка электронов по энергиям и рекуперация их энергии в электрическом поле с потенциалом ниже потенциала ЗС или резонаторной системы. Так как спектр энергий электронов в падающем в коллектор электронном потоке имеет не дискретный, а непрерывный характер, то полная рекуперация энергии электронного потока при ограниченном числе ступеней рекуперации (с учетом технической целесообразности) невозможна. Поэтому часть энергии электронного потока в токоприемных электродах коллектора преобразуется в тепло. Эффективный отвода тепла от нагреваемых поверхностей обеспечивают токоприемные электроды из материалов, содержащих в своем составе медь, обладающую высокой теплопроводностью. Однако эти материалы имеют обобщенные коэффициенты вторичной электронной эмиссии больше единицы, наиболее вероятные значения которых могут быть в пределах от 1,5 до 1,8. При наличии вторичной электронной эмиссии, вторично-эмиссионные электроны, в соответствии с направлением электрических силовых линий, движутся из токоприемных электродов с меньшими потенциалами в токоприемные электроды коллектора с более высокими потенциалами и в ЗС или резонаторную систему. Это приводит к увеличению электронного тока токоприемных электродов коллектора с более высокими потенциалами, ЗС или резонаторной системы, увеличению потребляемой мощности электровакуумного прибора из источника электропитания, снижению его КПД, увеличению температуры электродов прибора и снижению его надежности. В прототипе, для снижения уровня вторичной электронной эмиссии, внутренние поверхности токоприемных электродов коллектора покрывают пленкой титана, имеющего наименьший коэффициент вторичной электронной эмиссии среди металлов и известных электропроводящих материалов. [Д.И. Кириченко, П.Д. Шалаев, Н.О. Шабунин, В. А. Царев Ионно-плазменное нанесение микро- и нанотекстурированных покрытий из титана на поверхности коллекторных электродов лампы бегущей волны // Саратов. СГТУ. Вопросы электротехнологии. №4. 2023. С. 17-24]. Но титан образует соединения с медью при температуре ниже температуры плавления титана и при еще более низкой температуре - ниже температуры плавления меди. Появление в титановом покрытии соединений титана с медью при рабочих температурах токопремных электродов коллектора приводит к повышению коэффициента вторичной электронной эмиссии с поверхности покрытия токоприемных электродов и снижению положительного эффекта от использования титанового покрытия токоприемных электродов из материалов, содержащих в своем составе медь. В предложенной конструкции коллектора электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока тонкий слой из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена (5), расположенный между поверхностью токоприемных электродов (1) из материалов, содержащих медь, и тонким слоем титана (4), являющимся внешним слоем покрытий поверхности токоприемных электродов, экранирует титан тонкого слоя титана (4) от меди токоприемных электродов (1) и обеспечивает снижение в тонком слое титана (4) соединений титана с медью при рабочих температурах токопремных электродов коллектора. Наличие в конструкции коллектора электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока тонкого слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена (5), расположенного между поверхностью токоприемных электродов (1) из материалов, содержащих медь, и тонким слоем титана (4) снижает возможность образования в тонком слое титана соединений титана с медью при рабочих температурах токопремных электродов коллектора и, за счет этого, обеспечивает стабильность низкого коэффициента вторичной электронной эмиссии с покрытой поверхности токоприемных электродов в течение всего времени работы электровакуумного прибора. Положительный эффект от применения в покрытии поверхности токоприемных электродов материала с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии дополнительно увеличивается за счет сложного нано- и микрорельефа поверхности внешнего слоя покрытия с размерами структурных элементов рельефа и расстояниями между ними, находящимися в пределах от 10^-5 мм до 7⋅10^-3 мм в любом из пространственных направлений, обеспечивающего большие углы движения вторичных электронов по отношению к продольной оси коллектора и, следовательно, снижение возможности их движения вдоль оси коллектора в сторону токоприемных электродов коллектора с более высокими потенциалами, ЗС или резонаторной системы. В результате стабилизации низкого уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности двухслойного покрытия, внешним слоем которого является титан, а внутренним экранирующим слоем тугоплавкий металл с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибден, и снижения возможности движения вторично эмиссиенных электронов вдоль оси коллектора в сторону токоприемных электродов коллектора с более высокими потенциалами, ЗС или резонаторной системы уменьшаются токи ЗС или резонаторной системы электровакуумного прибора, электродов коллектора с более высоким потенциалом, уменьшается потребляемая мощность электровакуумного прибора из источника электропитания, увеличивается его КПД, уменьшается температура электродов прибора и увеличивается его надежность. При толщине тонкого слоя из тугоплавкого металла с температурой плавления больше температуры плавления титана, например, молибдена от 6⋅10^-4 до 3⋅10^-3 мм, толщине тонкого слоя из титана от 10^-3 до 7⋅10^-3 мм обеспечиваются их высокая адгезия и устойчивость к термомеханическим воздействиям на токоприемных электродах, из материалов содержащих в своем составе медь.

Источники информации:

1. Curren N.A., Ramins P. TWT efficiency enhancement with textured carbon surfaces on copper MDC electrodes// International Electron Devices Meeting. New York; Washington. 1-4 Dec. 1985. P. 361-363.

2. McDermott M.A., Tamashiro R.N. A 20 GHz, 70 Watt, 48 percent efficient space communications TWT // AIAA 11^th Communications Satellite Systems Conference. New York; San Diego. 17-20 March. 1986. P. 600-604.

3. Д.И. Кириченко, П.Д. Шалаев, H.O. Шабунин, В.А. Царев. Ионно-плазменное нанесение микро- и нанотекстурированных покрытий из титана на поверхности коллекторных электродов лампы бегущей волны // Саратов. СГТУ. Вопросы электротехнологии. №4. 2023. С. 17-24.

Изобретение относится к коллектору электронов электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока. Коллектор содержит токоприемные электроды, выполненные из материалов, содержащих медь, с внутренней поверхностью, покрытой титаном, закрепленные внутри корпуса коллектора электронов и изолированные от него и между собой электрически с помощью деталей из диэлектрических материалов. Причем поверхности токоприемных электродов, по крайней мере подвергающиеся электронной бомбардировке в процессе работы электровакуумного прибора, покрыты двумя тонкими слоями металлов, один из которых молибден. В качестве второго металла используется титан, причем первый от поверхности токоприемных электродов слой выполнен из молибдена, второй - из титана - выполнен на поверхности слоя из молибдена и является внешним слоем. Техническим результатом является повышение стабильности низкого уровня вторичной электронной эмиссии с поверхности покрытия токоприемных электродов коллектора электронов, содержащих в своем составе медь, при увеличении КПД и надежности электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Коллектор электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока, содержащий токоприемные электроды, выполненные из материалов, содержащих медь, с поверхностью, покрытой титаном, закрепленные внутри корпуса коллектора электронов и изолированные от него и между собой электрически с помощью деталей из диэлектрических материалов, отличающийся тем, что поверхности токоприемных электродов, по крайней мере все поверхности, подвергающиеся электронной бомбардировке в процессе работы электровакуумного прибора, покрыты двумя слоями металлов, причем первый от поверхности токоприемных электродов слой выполнен из молибдена, второй слой выполнен из титана на поверхности слоя из молибдена и является внешним слоем, причем толщина слоя из молибдена составляет от 6⋅10^-4 до 3⋅10^-3 мм, толщина слоя из титана составляет от 10^-3 до 7⋅10^-3 мм.

2. Коллектор электронов для электровакуумного прибора с рекуперацией энергии электронного потока по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность слоя титана имеет нано- и микроразмерную структуру, образованную структурными элементами произвольной формы из титана, с размерами этих элементов и расстояниями между ними, находящимися в пределах от 10^-5 мм до 7⋅10^-3 мм в любом из пространственных направлений.