Магнетрон

1. Магнетрон, який містить у собі анод із циліндричним отвором, по периметру якого розташована періодична система резонаторів, коаксіально якому із зазором встановлено вузол основного холодного катода у вигляді трубки, на поверхні якої закріплене тіло вторинноелектронного емітера, а на торцях - фланці, які є фокусуючими екранами, додатковий катод із елементами тіла емітера польової емісії, який відрізняється тим, що ділянки тіла вторинноелектронного емітера основного холодного катода, суміжні з фланцями, виконані у вигляді зрізаних кругових конусів, менші основи яких співпадають із площинами фокусуючих екранів, а уздовж осі трубки основного холодного катода встановлено ізольований від нього та з'єднаний із джерелом напруги електрод, на якому закріплено принаймні один елемент тіла польового емітера, який проходить через принаймні один отвір, виконаний принаймні в одному фланці, і осі симетрії елементів тіла польового емітера проходять паралельно осі приладу під кутом θ до відповідної твірної зрізаних конусів через її середину, при якому матеріал вторинноелектронного емітера забезпечує максимальний коефіцієнт вторинної емісії при бомбардуванні польовими електронами, при цьому між анодом і зонами емісії елементів тіла польового емітера встановлена відстань, яка забезпечує напруженість електричного поля на робочій поверхні зон, достатню для реалізації польової емісії. 2 (19) 1 3 Корисна модель відноситься до електроніки надвисоких частот (НВЧ) і може знайти широке використання в джерелах електромагнітних коливань М-типу, а саме, в магнетронах короткохвильових діапазонів із малим терміном готовності та великим терміном безвідмовної роботи. Потужні когерентні електромагнітні коливання в міліметровому діапазоні довжин хвиль (МДДХ) отримують, зокрема, за допомогою ефективних електровакуумних автогенераторів Мтипу, таких, наприклад, як магнетрон. В магнетронах повний робочий струм складається із двох складових - струму збудження та струму вторинної емісії. Струмом збудження є або струм термоелектронної - емісії, або струм польової (автоелектронної) емісії. В традиційних магнетронах МДДХ 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 безвідмовної роботи - декілька сотень годин, обумовлений втратою емісійної здатності термоелектронного катоду внаслідок додаткового перегрівання його емітера при бомбардуванні зворотними електронами. Тривалий термін готовності та порівняно невеликий термін безвідмовної роботи відносять до суттєвих недоліків магнетронів МДДХ із термокатодом. Усунути вказані недоліки прагнуть шляхом створення магнетрона із холодним (без розжарювання) катодом. Для стимулювання емісії із вторинноелектронних емітерів з метою формування робочого струму в магнетронах із холодним катодом використовують первинні електрони, які отримують за допомогою додаткових термоелектронних або польових (автоемісійних) емітерів. Відомий магнетрон [Патент США № 3109123, МКІ Н 01 J 25/50, Магнетрон. 1962 р.], який містить у собі анод із отвором по периметру якого виконана періодична система резонаторів, розташований коаксиально на осі отвору холодний 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 великою кількістю 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 недостатня ефективність процесу накопичення просторового заряду внаслідок його „розлітання" вздовж осі простору взаємодії, а також відсутність можливості забезпечити стабільну польову емісію електронів, внаслідок зміни форми вістря голок та погіршення їх так званого формфактору в процесі роботи магнетрона, що призводить до зменшення інтенсивності електричного поля на вершинах 30647 4 голок. Крім того, наявність великої кількості тонких металевих голок та необхідність їх закріплення на гострих окрайках суттєво ускладнює конструкцію та технологію відтворення катода. Відомий також магнетрон, який містить у собі анод із отвором, по периметру якого виконана періодична система резонаторів, розташований коаксиально на осі отвору холодний вторинноемісійний катод для генерації робочого струму, в якому для одержання струму запуску використовують додатковий боковий катод із термоелектронним емітером [Авт. св. СССР №324937. МПК Н01 J 25/58. Магнетрон с боковым катодом. Приоритет от 8 августа 1947 г.] / И.М. Вигдорчик // Открытия. Изобретения. - 1972, №22. -С. 155. Недоліками вказаного магнетрона . є наявність додаткового термоелектронного катоду та додаткового джерела живлення для забезпечення емісійної спроможності його емітера, що суттєво впливає на термін безвідмовної роботи генератора та погіршує масогабаритні характеристики радіоапаратури, в якій він використовується. Найбільш близьким за технічною сутністю та сукупністю ознак до даного технічного рішення аналогом (прототипом) є магнетрон [Патент Российской Федерации №2007777. Магнетрон. МПК Н 01 J 25/50, 1994 г.], який містить у собі анод із круглим отвором, по периметру якого виконана періодична система резонаторів, коаксиально на осі отвору закріпленоо холодний катод, до складу якого входять елементи основного вторинноелектронного і додаткового польового емітерів. Елементи тіла вторинно-електронного основного емітера в такому магнетроні забезпечують емісію робочого струму генератора внаслідок процесу вторинно-електронного розмноження, а елементи тіла додаткового польового емітера - струм тунельованих первинних електронів - струм запуску процесу вторинно-електронного розмноження, вторинно-електронної емісії та процесе генерування електромагнітних коливань. Така конструкція магнетрона забезпечує генерування імпульсної потужності високочастотних електромагнітних коливань 5 ... 50кВт у 2-см та 3-см діапазонах довжин хвиль, характеризується миттєвою готовністю до роботи, значним терміном безвідмовної роботи (біля 3000 годин), можливістю раптового переходу від режиму із малим коефіцієнтом заповнення до режиму з великим коефіцієнтом заповнення та навпаки, підвищеною економічністю внаслідок відсутності споживання потужності в ланцюгу розжарювання, невеликими габаритами та масою. Недоліками конструкції магнетрона прототипу є: 1) відсутність можливості генерування електромагнітних коливань при робочій напрузі біля 6кВ, що обумовлено недостатньою величиною струму запуску, тунельованого елементами тіла польового емітера; 2) відсутність можливості зменшити екранування робочої поверхні вторинноелектронного емітера, а саме спроможних до емісії частин поверхні елементів його тіла у 5 30647 6 електронного емітера забезпечує максимальний вигляді циліндричних втулок, які суміжні з коефіцієнт вторинної емісії при бомбардуванні елементами тіла польового емітера у вигляді польовими електронами, при цьому між анодом і тонких металевих суцільних плоских кілець. зонами емісії елементів тіла польового емітера Наслідком екранування (створення тіні) є встановлена відстань, яка забезпечує відсутність дії напруженості електричного поля на напруженість електричного поля на робочій частині робочої поверхні вторинно-електронного поверхні зон, достатню для реалізації польової емітера поблизу торців циліндричних втулок, тобто емісії. фактичне виключення затіненої поверхні Отвори у бокових фланцях мають форму вторинно-електронного емітера із емісійного кругових циліндрів, форму щілин, витягнутих по процесу, що призводить до зменшення робочого азимуту фланців, або форму щілин, витягнутих струму магнетрона; 3) товщина фольги елементів вздовж радіусів фланців. тіла польового емітера первинних електронів у Робоча поверхня тіла вторинно-електронного вигляді суцільних плоских кілець із тугоплавких емітера виконана гофрованою у вигляді різьби. металів, обумовлює їх недостатню механічну Елементи тіла польового емітера, які міцність та стійкість форми при дії забезпечують емісію первинних електронів, пондермоторних сил у полі потужних можуть бути виконані із одного з тугоплавких електромагнітних коливань надвисокої частоти металів, переважно Мо Nb, Та, W, із домішками (НВЧ), ускладнює технологію відтворення металів активаторів, зокрема одного або декількох холодного катоду; 4) зони емісії первинних лужноземельних металів Ва, Sr, Ca, або із сплавів електронів (автоелектронів) елементів тіла вказаних тугоплавких металів із домішками польового емітера знаходяться безпосередньо в металів-активаторів. просторі між анодом та холодним катодом, що Елементи тіла польового емітера, які створює умови для прискореної ерозії елементів забезпечують емісію первинних електронів, тіла польового емітера у вигляді суцільних плоских можуть бути виконані із високолегованого кремнію. кілець під дією заряджених часток, які рухаються Елементи тіла польового емітера, які між кінцевими областями холодного катоду, що забезпечують емісію первинних електронів, призводить до зменшення величини струму можуть бути виконані із тугоплавких металів, польової емісії (струму запуску) та надійності переважно Мо Nb, Та, W, з домішками активаторів, запуску процесу ефективної генерації зокрема одного або декількох лужноземельних електромагнітних коливань, терміну безвідмовної металів Ва, Sr, Ca, або із сплавів вказаних роботи холодного катоду та магнетрону в цілому. тугоплавких металів та металів активаторів, або із В основу корисної моделі поставлено задачу високолегованого кремнію та покриті удосконалити магнетрон шляхом збільшення ультратонкою діелектричною плівкою, наприклад, емісійної спроможності основного катоду із діамантовою плівкою (ДП), діамантовоподібною холодним вторинно-електронним емітером та плівкою (ДПП), або плівкою із діамантовоподібного додаткового катоду із польовим емітером, що вуглецю (ДПВ). забезпечить збільшення надійності роботи Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю магнетрона у вакуумі 10-6мм рт. ст., та ознак корисної моделі, що заявляються, та генерування ним стійких електромагнітних технічним результатом, що досягається полягає в коливань при робочій напрузі меншій 6кВ і довжині наступному. Виконання ділянок вторинноімпульсів десятки наносекунд. електронного емітера основного холодного катоду, Поставлена задача вирішується тим, що в суміжних із фланцями, у вигляді зрізаних кругових магнетроні, який містить у собі анод із конусів, менші основи яких співпадають із циліндричним отвором, по периметру якого площинами фокусуючих екранів, забезпечує розташована періодична система резонаторів, інтенсифікацію процесу вторинно-електронного коаксиально якому із зазором встановлено вузол розмноження заряджених часток в кінцевих основного холодного катоду у вигляді трубки, на областях вторинно-електронного емітера поверхні якої закріплено тіло вторинноосновного холодного катоду, зменшує термін електронного емітера, а на торцях - фланці, які є (вимірюється кількістю періодів НВЧ коливань, які фокусуючими екранами, додатковий катод із генерує магнетрон) накопичення щільного елементами тіла емітера польової емісії, згідно із просторового заряду в просторі взаємодії корисною моделлю, ділянки тіла вторинномагнетрону та збільшує надійність запуску процесу електронного емітера холодного катоду, суміжні із генерації електромагнітних коливань. фланцями, виконані у вигляді зрізаних кругових Виконання робочої поверхні тіла вторинноконусів, менші основи яких співпадають із електронного емітера гофрованою у вигляді різьби площинами фокусуючих екранів, а уздовж осі забезпечує збільшення струму вториннотрубки основного холодного катоду встановлено електронної емісії, тобто робочого струму ізольований від нього та з'єднаний із джерелом магнетрону на 30-40%, порівняно із гладкою напруги електрод, на якому закріплено, принаймні робочою поверхнею тіла вторинно-електронного один елемент тіла польового емітера, який емітера основного холодного катоду. проходить через, принаймні, один отвір, Встановлення вздовж осі трубки катоду виконаний, принаймні, в одному фланці, і осі ізольованого від нього електроду, на якому симетрії елементів тіла польового емітера закріплено елементи польового емітера, які проходять паралельно осі приладу під кутом q до проходять через, принаймні, один отвір, відповідної утворюючої зрізаних конусів через її виконаний, принаймні, в одному фокусуючому середину, при якому матеріал вторинно 7 30647 8 цьому електрод 7 з'єднано із джерелом напруги фланці, забезпечує можливість розташування (на Фіг.1 не показане). Ось симетрії елемента 8 елементів тіла польового емітера поза межами простору взаємодії магнетрона і таким чином польового емітера проходить під кутом q до забезпечує захист їх від руйнівної дії відповідної утворюючої зрізаних конусів 6 через її пондермоторних сил та електроерозії середину. Зони емісії елементів 8 польового зарядженими частками, а також запобігає емітера встановлені на відстані, яка забезпечує екранування робочої поверхні тіла вториннонапруженість електричного поля на емісійній електронного емітера. поверхні, достатню для отримання Закріплення елементів тіла польового емітера автоелектронної емісії. на електроді, ізольованому від трубки основного Магнетрон працює таким чином. холодного катоду, на якій закріплене тіло Струм збудження магнетрона забезпечують за вторинно-електронного емітера, при цьому рахунок польової емісії із повернутих до простору електрод, з'єднаний із джерелом напруги, між анодом 1 та катодом 2 емісійних поверхонь забезпечує ефективне керування величиною елементів 8 тіла польового емітера, кожний із яких енергії первинних електронів, тунельованих із проходить через, принаймні, один отвір 9, емісійних елементів тіла польового емітера, та виконаний, принаймні, в одному фланці 5. суттєво збільшує вірогідність надійного запуску Тунелювання первинних електронів із емісійної процесів вторинно-електронного розмноження, поверхні вершин вістрів (лез) 8 викликається нарощування струму вторинно-електронної емісії завдяки великій (107В/м) напруженості до величини робочого струму та запуск процесу електричного поля за рахунок прикладеної до неї генерування електромагнітних коливань при різниці потенціалів (імпульсної напруги) між робочій напрузі магнетрону меншій 6кВ. катодом 2 та електродом 7 із елементами 8 тіла Закріплення елементів польового емітера польового емітера (Фіг.1). Електрони, тунельовані таким чином, що їх ось симетрії проходить під під дією високої напруженості електричного поля із кутом q до відповідної утворюючої зрізаних конусів емісійних поверхонь вершин вістрів (ребер лез) 8, потім прискорюються і бомбардують площини через її середину забезпечує збільшення конусних ділянок 6 тіла вторинно-електронного коефіцієнту вторинно-електронної емісії та емітера 4 основного холодного катоду 2. Первинні надійність запуску процесу генерації електрони вибивають із конусних ділянок 6 катоду електромагнітних коливань в магнетроні. 2 хмару вторинних електронів, які під дією Сутність корисної моделі пояснюється статичних схрещених електричного Е і магнітного ілюстраціями. На Фіг.1 показано у розтині простір В полів рухаються по траєкторіях у вигляді взаємодії та головні вузли магнетрона, в якому епіциклоїд від однієї кінцевої ділянки 6 до другої, кінцеві області основного холодного катоду із створюючи електронну втулку в проміжку між тілом вторинно-електронного емітера виконані у анодом 1 та катодом 2. Частки „електронної вигляді зрізаних конусів, один боковий фланець втулки", рухаючись, в тому числі і вздовж осі створює діодну систему із елементами тіла простру взаємодії, над кінцевими ділянками 6 тіла польового емітера, на Фіг.2 показано у розтині вторинно-електронного емітера (BEE) 4 холодного простір взаємодії та головні вузли магнетрона, в катоду 2 біля торців анодного блоку (поруч із якому кінцеві частини основного холодного катоду екранами 5 на Фіг.1), де напруженість робочого із тілом вторинно-електронного емітера виконані у електричного поля спадає, здобувають додаткову вигляді зрізаних конусів, бокові фланці створюють енергію і бомбардують робочу поверхню кінцевих із елементами тіла польового емітера дві діодні ділянок 6 BEE 4 основного холодного катоду 2, системи, на Фіг.3 показано поперечний перетин збільшуючи щільність просторового заряду в фланців із отворами для елементів тіла польового „електронній втулці" та струм вторинних емітера додаткового катоду, на Фіг.4 показано електронів. Кулонівські сили неоднорідної по фрагменти виконання елементів тіла польового та щільності просторового заряду „електронної вторинно-електронного емітерів. втулки" сприяють розвитку процесу Магнетрон містить у собі анод 1 із круглим бомбардування зарядженими частками BEE 4 отвором по периметру якого розташована холодного катоду 2 у вигляді лавини та періодична система резонаторів коаксиально ефективному розмноженню вторинних електронів встановлений у ньому із зазором вузол основного на всій робочій поверхні BEE 4. Струм вторинних холодного катоду 2 у вигляді трубки 3, на поверхні електронів зростає до величини робочого струму якої закріплено тіло вторинно-електронного магнетрона Таким чином в запропонованому емітера 4, а на торцях - фланці 5, які є магнетроні із холодним катодом забезпечується фокусуючими екранами. Ділянки 6 тіла вториннозбудження та генерування потужних електронного емітера 4 основного холодного електромагнітних коливань в процесі взаємодії катоду 2, що прилягають до фланців 5, виконані у потоку електронів із хвилями електромагнітного вигляді зрізаних кругових конусів, менші основи поля поблизу робочої поверхні періодичної яких співпадають із площинами фокусуючих системи резонаторів аноду 1. екранів-фланців 5. Вздовж осі трубки 3 катоду 2 Покриття елементів польового емітера встановлено ізольований від нього електрод 7, на діелектричними плівками забезпечує надійну якому закріплено, принаймні один елемент 8 тіла польову емісію емітера додаткового катоду при польового емітера додаткового катоду. Принаймні вакуумі (10-5 – 10-6)мм рт. ст. один елемент 8 тіла польового емітера проходить Для створених у відповідності із формулою через, принаймні, один отвір 9, виконаний, корисної моделі магнетронів характерними є принаймні, в одному фокусуючому фланці 5, при 9 30647 раптова готовність (готовність, із першого імпульсу), висока надійність роботи при вакуумі 106 мм рт. ст., висока надійність запуску імпульсного генерування електромагнітних коливань при робочій напрузі біля 6кВ (без пропуску імпульсів), можливість безінерційного переходу від імпульсного режиму із малим коефіцієнтом заповнення до імпульсного режиму із великим коефіцієнтом заповнення та навпаки, висока економічність, менш складна (порівняно із прототипом) технологія відтворення вузла катода без розжарювання (холодного катода), термін безвідмовної роботи більше 10 000 годин. Використання такого магнетрона в НВЧ передавачах сучасних радарів відкриває можливість суттєвого спрощення їх схеми живлення, зменшення габаритів та маси. 10 11 30647 12