Магнетрон

1. Магнетрон, який містить у собі коаксіально розташовані анод із круглим отвором діаметром Da та холодний катод, який складається із круглого трубчасто го або стержневого керна та закріплених на його поверхні вторинно-електронного і польового емітерів, причому вторинноелектронний емітер виконано із елементів електропровідного емісійно-активного матеріалу у вигляді циліндричних втулок із зовнішнім діаметром Dse , а польовий емітер - із фольги тугоплавких металів та їх сплавів товщиною 0,5-10,0 мкм у вигляді плоских кілець із зовнішнім діаметром Dfe , 2 (19) 1 3 20319 Корисна модель відноситься до електроніки НВЧ та КВЧ і може знайти широке використання в джерелах електромагнітних коливань М-типу, а саме, в магнетронах дециметрового, сантиметрового та міліметрового діапазонів із малим часом готовності та великим терміном безвідмовної роботи. Потужні когерентні електромагнітні коливання в дециметровому, сантиметровому та міліметровому діапазонах довжин хвиль отримують, частково, з допомогою ефективних електровакуумних автогенераторів М-типу, таких, наприклад, як магнетрон. В магнетронах повний робочий струм складається із двох складових - струму збудження та стр уму вторинної емісії. Струмом збудження є або струм термоелектронної емісії, або струм польової (автоелектронної) емісії. В традиційних магнетронах струм збудження і робочий струм генератора забезпечують, як правило, за допомогою термоелектронних катодів. Термін готовності до роботи магнетрона із термоелектронним катодом (термокатодом) складає десятки секунд - одиниці хвилин. Окрім того, магнетрони із термокатодом мають порівняно невеликий термін служби декілька сотень годин, обумовлений втратою емісійної здібності катода внаслідок додаткового перегрівання його емітера при бомбардуванні зворотними електронами. Значний термін готовності та порівняно невеликий термін безвідмовної роботи відносять до суттєви х недоліків магнетронів із термокатодом. Усунути вказані недоліки прагнуть шляхом створення магнетрона із холодним (без розжарювання) катодом. Для стимулювання емісії із вторинноелектронних емітерів з метою формування робочого стр уму в магнетронах із холодним катодом застосовують первинні електрони тунельовані із польового емітера (автоелектрони) при наявності імпульсів електричної напруги між анодом та холодним катодом. Первинні електрони стимулюють процес вторинно-електронного розмноження, внаслідок якого в зазорі (просторі взаємодії) між анодом і холодним катодом в схрещених електричному і магнітному полях виникає хмара просторового заряду певної щільності (електронна втулка). Внаслідок нерівномірності щільності просторового заряду хмари, дії кулонівських сил сприяють бомбардуванню вторинно-електронного емітера зворотними електронами. Відомий магнетрон [Патент Франції №1306999, МКІ Н01J25/50. Магнетрон. 1961р.], який містить у собі анод та розташований коаксіально усередині нього холодний катод, який складається із круглого трубчасто го керна із розташованими на його циліндричній поверхні емісійноактивними елементами, які чергуються один із одним та забезпечують первинну та вторинну емісії. Суттєвим недоліком такого магнетрона є недостатня величина напруженості електричного поля на робочій циліндричній поверхні елементів холодного катоду у вигляді паралельних або перпендикулярних його осі стрічок або кілець із активними речовинами, які призначені для отримання польової емісії електронів, не може забезпечити величини струму, що створить умови для запуску 4 процесу генерації електромагнітних автоколивань. Крім цього в такому магнетроні характеристики емітерів первинних та вторинних електронів не можуть бути стабільними у часі при роботі генератора, тому що має місце перенесення активної речовини із катоду на анод, а також зворотній процес - перенесення активних речовин із аноду на катод і, як наслідок, утворення однорідно перемішаного покриття по всій поверхні катоду. Відомий також магнетрон [Патент США №3109123, МКІ Н01J25/50, Магнетрон. 1962р.], який містить у собі анод із отвором, розташований коаксіально на осі отвору катод, в конструкції якого для отримання струму запуску та робочого струму, а також для концентрації електричного поля частину поверхні холодного катоду виконано у вигляді дисків із загостреними окрайками та з розташованою на окрайках множиною тонких голок. В цьому ж магнетроні із тією ж метою на кожному торці катоду встановлено екран спеціальної форми. На ці екрани подають різні потенціали відносно керна катода. Недоліками вказаного магнетрона є відсутність можливості отримати струм збудження, а також необхідний робочий струм магнетрона тільки за рахунок забезпечення польової емісії електронів із гострих окрайок дисків та множини тонких голок із тугоплавких металів, закріплених на їх периметрах, а також забезпечити стабільну польову емісію електронів, внаслідок зміни форми гострих окрайок та погіршення їх так званого форм-фактору в процесі роботи магнетрона, що призводить до зменшення інтенсивності електричного поля на окрайках. Крім того, наявність великої кількості тонких металевих голок та необхідність їх закріплення на гострих окрайках суттєво ускладнює конструкцію та технологію відтворення катода. Найбільш близьким за технічною сутністю та сукупністю ознак до даного технічного рішення аналогом (прототипом) є магнетрон [Патент Российской Федерации №2007777. Магнетрон. М.кл.5 Н01J25/50, 1994г.], який містить у собі коаксіально розташовані анод із круглим отвором діаметром Da та холодний катод, який складається із круглого трубчасто го або стержневого керна та закріплених на його поверхні елементів вторинно-електронного і польового емітерів, при чому елементи вторинноелектронного емітера (BEE) виконано із електропровідного емісійно-активного матеріалу у вигляді циліндричних втулок із зовнішнім діаметром Dse, а елементи польового емітера первинних електронів (ПЕПЕ) - із фольги тугоплавких металів та їх сплавів товщиною 0,5-10,0мкм у вигляді суцільних плоских кілець із зовнішнім діаметром Dfe, при цьому Dfe - Dse = 0,1 ¸ 0,2 × (Da - Dse) , суцільні плоскі кільця встановлені між циліндричними втулками, а відповідні торці кілець та втулок примикають один до одного. Така конструкція магнетрона забезпечує генерування імпульсної потужності високочастотних електромагнітних коливань 5...50кВт у 2-см та 3-см діапазонах довжин хвиль, характеризується раптовою готовністю до роботи, значним терміном безвідмовної роботи (біля 3000 годин), можливіс 5 20319 6 тю миттєвого переходу від режиму із малим коекільця встановлені між циліндричними втулками, а фіцієнтом заповнення до режиму з великим коефівідповідні торці кілець та втулок примикають один цієнтом заповнення та навпаки, підвищеною екодо одного, згідно із корисною моделлю, плоскі кіномічністю внаслідок відсутності споживання льця польового емітера - виконані із периметром у потужності в ланцюгу розжарювання, невеликими вигляді системи рівновисоких гострокутових вигабаритами та масою. ступів із періодом L, при цьому Суттєвими недоліками конструкції магнетрона 10мкм £ L £ 150мкм , товщина плоских кілець 1,0- прототипу є: 1) підвищена вірогідність появи 150,Омкм, а кут при вершині виступів a £ 200 . ефекту пропускання імпульсів ефективного генеЕлементи польового емітера, які забезпечують рування електромагнітних коливань при значній первинну емісію, можуть бути виконані із одного з крутизні фронту імпульсу робочої анодної напруги, тугоплавких металів, переважно Мо Nb, Та, W, із наприклад, більшій, ніж 35-45кВ/мкс, що обумовдомішками активаторів, зокрема одного або декілено формою елементів (у вигляді суцільних плослькох лужноземельних металів Ва, Sr, Ca, або із ких кілець) польового емітера, який не забезпечує сплавів вказаних тугоплавких металів та металів величину струм у запуску магнетрона за рахунок активаторів. польової емісії первинних електронів значно більЕлементи польового емітера, які забезпечують шу за 60-70мА, внаслідок чого при такому струмі первинну емісію, можуть бути виконані із високозменшується надійність запуску магнетрона в релегованого кремнію. жимі імпульсного генерування електромагнітних Елементи польового емітера, які забезпечують автоколивань; 2) відсутність можливості зменшити емісію первинних електронів, можуть бути виконаекранування робочої поверхні вторинноні із тугоплавких металів, переважно Мо Nb, Та, W, електронного емітера (BEE), а саме спроможних з домішками активаторів, зокрема одного або дедо емісії частин поверхні елементів у вигляді цилікількох лужноземельних металів Ва, Sr, Ca, або із ндричних втулок, які суміжні з елементами польосплавів вказаних тугоплавких металів та металів вого емітера у вигляді тонких металевих суцільних активаторів, або із високолегованого кремнію та плоских кілець. Наслідком екранування (створення покриті ультратонкою діелектричною плівкою, натіні) є відсутність дії напруженості електричного приклад, діамантовою плівкою (ДП), діамантовополя на частині робочої поверхні BEE поблизу подібною плівкою (ДПП), або плівкою із діамантоторців циліндричних втулок, тобто фактичне вивоподібного вуглецю (ДПВ). ключення затіненої поверхні із вторинно-емісійного Робоча емісійна поверхня елементів BEE мопроцесу, що призводить до зменшення робочого же бути виконана у вигляді періодичної системи струму магнетрона; 3) товщина 0,5-10,0мкм фолькутови х виступів із висотою ги із тугоплавких металів елементів польового емітера первинних електронів (ПЕПЕ) у вигляді су(0,1 ¸ 0,2)(Da - Dse) 0 £ b £ 1100 he £ та кутом 90 цільних плоских кілець із центральним отвором, 2 діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметрові при вершині. керна, обумовлює їх недостатню механічну міцПричинно-наслідковий зв’язок між сукупністю ність та стійкість форми при дії пондермоторних ознак корисної моделі, що заявляються, та технічсил у полі потужних електромагнітних коливань ним результатом, що досягається полягає в нанадвисокої частоти (НВЧ), ускладнює технологію ступному. відтворення холодного катоду та створює умови Виконання елементів ПЕПЕ - плоских кілець із для прискореної ерозії суцільних плоских кілець центральними отворами, які є джерелом емісії під дією заряджених часток, які рухаються між кінструму збудження, із фольги тугоплавких металів цевими областями холодного катоду, що призвота їх сплавів товщиною 1,0-150,0мкм, або плівок дить до зменшення надійності запуску процесу високолегованого кремнію товщиною 10,0ефективної генерації електромагнітних коливань, 150,0мкм із периметром у вигляді системи рівнотерміну безвідмовної роботи холодного катоду та високих гострокутових виступів із періодом L, при магнетрону в цілому. цьому 10мкм £ L £ 150мкм , а кут при вершині виВ основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити магнетрон шляхом удосконалення ступів a £ 200 , забезпечує необхідну і доста тню холодного катоду, що забезпечить збільшення надійності магнетрона при генеруванні коротких імпульсів стійких електромагнітних коливань. Поставлена задача вирішується тим, що у магнетроні, який містить у собі коаксіально розташовані анод із круглим отвором діаметром Da та холодний катод, який складається із круглого трубчасто го або стержневого керна та закріплених на його поверхні вторинно-електронного і польового емітерів, при чому BEE виконано із елементів електропровідного емісійно-активного матеріалу у вигляді циліндричних втулок із зовнішнім діаметром Dse, а елементи ПЕПЕ із фольги тугоплавких металів та їх сплавів товщиною 0,5-10,0мкм у вигляді плоских кілець із зовнішнім діаметром Dfe, при цьому Dfe - Dse = 0,1 ¸ 0,2 × (Da - Dse) , плоскі величину струму польової емісії для надійного збудження магнетрона в режимі автоколивань та його функціонування при підвищеній крутизні фронту імпульсу робочої анодної напруги, підвищення їх механічної міцності та стійкості форми при дії пондермоторних сил у потужному полі електромагнітних коливань НВЧ, спрощення технології виготовлення холодного катоду, суттєве зменшення екранування робочої поверхні BEE, а саме спроможних до емісії частин поверхонь циліндричних втулок, які суміжні із плоскими кільцями ПЕПЕ, виконаними із периметром у вигляді системи рівновисоких гострокутових виступів та впадин із періодом L, внаслідок цього частини робочої поверхні BEE поблизу торців циліндричних втулок, суміжні із впадинами, які були екрановані суціль 7 20319 8 ними плоскими кільцями у технічному рішенніМагнетрон містить у собі коаксіально розтапрототипі, в даному винаході знаходяться під дією шовані анод 1 із круглим отвором діаметром Da та електричного поля анодної напруги та вносять холодний катод 2, який складається із круглого вклад в величину робочого струм у магнетрона. трубчасто го або стержневого керна 3 та закріплеВиконання елементів польового емітера - плоних на його поверхні вторинно-електронного 4 і ских кілець із фольги тугоплавких металів та їх польового 5 емітерів, при чому вторинносплавів товщиною 1,0-150,0мкм або плівок висоелектронний емітер 4 виконано із елементів елекколегованого кремнію товщиною 10,0-150,0мкм із тропровідного емісійно-активного матеріалу у випериметром у вигляді системи рівновисоких гостгляді циліндричних втулок 6 із зовнішнім діаметрокутових виступів із періодом L, при цьому ром Dse, а польовий емітер 5 - із фольги тугоплавких металів та їх сплавів у вигляді плос10мкм £ L £ 150мкм , а кут при вершині виступів ких кілець 7 із зовнішнім діаметром Dfe, плоскі кіa £ 200 , та покриття їх ультратонкою діелектричльця 7 встановлені між циліндричними втулками 6, ною плівкою, наприклад, діамантовою плівкою а відповідні торці втулок 6 та кілець 7 примикають (ДП), або діамантовоподібною плівкою (ДПП), або один до одного. З метою захисту елементів 7, які плівкою із діамантовоподібного вуглецю (ДПВ), забезпечують ПЕ первинних електронів від можзабезпечує необхідну і достатню величину струму ливості їх руйн ування в результаті хімічної та фідля надійного запуску режиму стійкого імпульсного зичної взаємодії із матеріалом елементів 6, які генерування магнетроном електромагнітних колизабезпечують BE, між ними може бути встановлевань, підвищення їх механічної міцності та стійкосно прокладки із захисних матеріалів у вигляді ті форми при дії пондермоторних сил у потужному шайб (на фігурах не показані). Наприклад, при полі електромагнітних коливань НВЧ та при бомвикористанні плоского кільця 7 із фольги танталу, бардуванні емісійних зон ПЕПЕ зарядженими часяк елемента, який забезпечує ПЕ (автоелектронтками, а також збільшення терміну безвідмовної ну), а циліндричної втулки 6 із сплаву паладій роботи як ПЕПЕ, так і магнетрона в цілому при барій, як елемента, який забезпечує BE, між вка-4 -6 вакуумі 10 -10 мм ртутного стовпчика. заними елементами 6,7 може бути встановлена Виконання по новому профілю робочої емісійзахисна шайба із вольфраму. При покритті плосної поверхні елементів BEE ких кілець 7 ПЕПЕ ультратонкою діелектричною 10мкм £ L £ 150мкм циліндричних втулок у вигляді плівкою (Фіг.4 та Фіг.5) захисні шайби із вольфраперіодичної системи кутових виступів із висотою му не встановлюють. На циліндричному трубчастому керні 3 закріп(0,1 ¸ 0,2)(Da - Dse) he £ та кутом 900 £ b £ 1100 лені також фокусуючі екрани 8. Циліндричний керн 2 3 холодного катоду 2, як правило, виготовляють із при вершині дає можливість збільшити коефіцієнт молібдену у вигляді трубки, в середині якої розмівторинної емісії та робочий струм магнетрона, а щують спіральний підігрівник 9, призначений для також суттєво зменшити час (його можна визначитехнологічної обробки BEE 4 і ПЕПЕ 5 холодного ти як кількість періодів НВЧ електромагнітних кокатоду 2 з метою обезгажування та досягнення їх ливань), за який струм магнетрона зростає від емісійної здатності при откачці та тренуванні магвеличини струму польової емісії (ПЕ) - струму збунетрона; в разі виконання керна 3 у вигляді суцідження до величини струму вторинно-електронної льного циліндричного стержня для прогрівання емісії (BE) - робочого струму магнетрона. катоду 2 може бути використано підігрівник аналоРозташування по новому емітуючи х лез плосгічний підігрівнику паяльника. ких кілець зменшує взаємне екранування елеменВ якості активного матеріалу втулок 6, які затами ПЕПЕ робочої поверхні елементів BEE. Це безпечують BE можуть бути використані імпрегносприяє забезпеченню необхідного робочого струвані катоди, а також катоди на основі сплавів мему магнетрона і підвищенню надійності запуску талів, включно з металами Pt, Ir, Os, Ru, Rh, Pd процесів збудження магнетрона і генерування ним платинової групи із домішками активаторів у виелектромагнітних коливань в дециметровому, сангляді одного або декількох лужноземельних метатиметровому і міліметровому діапазонах довжин лів Ба, Sr, Ca. хвиль, а також зменшує вірогідність пропуску імпуВ якості елементів, які забезпечують ПЕ мольсів при збільшеній крутизні фронту імпульсу жуть використовуватись плоскі кільця 7 із перимеробочої анодної напруги, наприклад, більшій, ніж трами у вигляді періодичної системи гострокутових 35-45кВ/мкс, та при тривалості імпульсів анодної лезоподібних виступів 10 та впадин 11 (Фіг.4напруги 20-70нc. Фіг.6). Лезоподібні виступи 10 виготовлені метоСутність корисної моделі пояснюється ілюстдом електроерозії, гідроекструзії або плазмохімічраціями. На Фіг.1 показано у розтині простір взаєного фрезерування із фольги товщиною від 1 мікмодії магнетрона, на Фіг.2 - повздовжній розтин рона до 150 мікрон. В якості елементів ПЕПЕ холодного катоду, на Фіг.3 показано поперечний холодного катоду можуть бути використані плоскі перетин холодного катоду, на Фіг.4 та Фіг.5 покакільця 7 із високолегованого кремнію. Функціоназано фрагменти виконання периметрів плоских льними емісійними дільницями (зонами) елементів кілець - елементів польового емітера, вкритих ульПЕПЕ, які забезпечують ПЕ, є періодична послідотратонкою діелектричною плівкою, на Фіг.6 - зоввність тонких лез 10 розташованих по периметру нішній вигляд одного із варіантів зборки вузла хоплоских кілець 7 із періодом L паралельно та дзелодного катоду, на Фіг.7 та Фіг.8 показано варіанти ркально симетрично осі катода, які знаходяться на втулок - елементів вторинно-електронного емітера висоті h (Фіг.4 та Фіг.5) над поверхнею циліндричхолодного катоду, на Фіг.9 - фото зовнішнього виних втулок 6 - елементів BEE, які забезпечують гляду магнетрона. 9 20319 10 емісію робочого струму магнетрона. Висота h, на В полів та створюють хмару просторового заряду якій над поверхнею циліндричних втулок 6 розтав проміжку між анодом 1 та катодом 2. Частки шовані функціональні емісійні зони лез 10 плоских „електронної втулки”, рухаючись, в тому числі і кілець 7, вибирається із умови, що вона рівна або вздовж осі простру взаємодії, в кінцевих областях менша ефективного розміру хмари (синхронної холодного катоду біля торців анодного блоку (по„електронної втулки”) просторового заряду в магруч із екранами 8 на Фіг.1), де напруженість електнетроні. Для магнетронів різних конструкцій знаричного поля спадає, здобувають додаткову енерчення h, як правило, складає 10-20% від величини гію і бомбардують плоску або гофровану робочу поверхню кінцевих втулок 6 BEE холодного катоDa - Dse міжелектродного зазору . В залежності ду, які, емітують вторинні електрони і збільшують 2 щільність просторового заряду в „електронній втувід типу магнетрона, його конструкції та величини лці”. Кулонівські сили неоднорідної по щільності „пускового” струму (струм у збудження) ПЕПЕ має просторового заряду „електронної втулки” сприяу своєму складі як одно, так і декілька плоских кіють ефективному лавинному розмноженню втолець 7, що забезпечують ПЕ. При застосуванні ринних електронів. Впадини 11 периметрів плосПЕПЕ із декількома елементами 7 (Фіг.1, Фіг.2, ких кілець 7 створюють певні умови „прозорості” Фіг.6) мінімальна відстань l (Фіг.2) між ними вздовж для електронів „електронної втулки”, які рухаються осі катоду, як це показують теоретичні оцінки та на висоті меншій h до розташованих поряд із екекспериментальні дослідження, із метою ослабранами 5 циліндричних втулок 6 в кінцевих обласлення їх обопільного екранування та екранування тях холодного катоду 2. Таким чином забезпечуемісійної поверхні втулок 6 BEE може бути визнається ефективний процес розмноження вторинних чена як . електронів та достатній робочий струм приладу L=(4-6) h, для генерування потужних електромагнітних колиде h - висота, на якій знаходиться функціонавань в процесі взаємодії із електромагнітним польні емісійні дільниці (леза) 10 плоских кілець 7, лем поблизу робочої поверхні періодичної системи які забезпечують ПЕ. резонаторів аноду 1 магнетрона при тривалості Емісійна поверхня втулок 6 BEE суміжна із імпульсів анодної напруги 20-70нс. впадинами 11 не піддається екрануванню. МаксиУ відповідності із формулою корисної моделі мальна величина струму запуску процесу генерастворені та випускаються серійно магнетрони 3-х ції магнетрона є сумою струмів із усіх лез 10 окресантиметрового діапазону хвиль (Фіг.9). Створені мих плоских кілець 7 із врахування впливу їх магнетрони характеризуються раптовою готовнісвзаємного екранування. тю (готовність із першого імпульсу), високою наМагнетрон працює таким чином. дійністю запуску і імпульсним генеруванням елекСтрум збудження магнетрона забезпечують за тромагнітних коливань (без пропуску імпульсів) рахунок польової емісії із повернутих до аноду 1 при збільшеній крутизні фронту імпульсу робочої лез 10, розташованих на периметрах елементів 7 анодної напруги, наприклад, більшій, ніж у вигляді системи гострокутови х виступів із пері35 ¸ 45кВ/мкс, та при тривалості імпульсів анодної одом L, які забезпечують ПЕ. Польова емісія пернапруги 20 ¸ 70нс, можливістю безінерційного певинних електронів із лез 10 викликається сильним реходу від імпульсного режиму із малим коефіцієелектричним полем за рахунок прикладеної різниці нтом заповнення до імпульсного режиму із велипотенціалів (імпульсної анодної напруги) між аноким коефіцієнтом заповнення та навпаки, високою дом 1 та катодом 2 (Фіг.1). Електрони, емітовані економічністю, менш складною (порівняно із пропід дією високої напруженості імпульсів електричтотипом) технологією відтворення вузла катода ного поля із емісійних дільниць у вигляді періодичбез розжарювання (холодного катода), довготриних лез 10 (Фіг.3 ¸ Фіг.6), що розташовані на перивалістю дії більше 5000 годин. Використання такометрах плоских кілець 7 в площинах го магнетрона в НВЧ передавачах сучасних радаперпендикулярних площині симетрії кілець, потім рів дозволяє суттєво спростити їх схему живлення, прискорюються, змінюють напрямок руху під дією зменшити габарити та масу. статичних схрещених електричного Е і магнітного 11 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 20319 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601