Магнетрон

1. Магнетрон, содержащий анод и коаксиально размещенный внутри него катод, выполненный в виде цилиндрического стержня*: расположенными на его поверхности чередующимися элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссию, отличающийся тем, что элементы, обеспечивающие первичную и вторичную эмиссии, выполнены в виде, соответственно, по меньшей мере одного плоского диска с центральным отверстием из сверхтонкой фольги тугоплавкого металла и по меньшей мере одной цилиндрической втулки из эмиссионноактивного материала, установленных соосно, при этом наружный диаметр плоского диска превышает наружный диаметр цилиндрической втулки на величину, находящуюся в пределах от 0,1 до 0,2 величины межэлектродного зазора, а торцы соседних плоского диска и цилиндрической втулки примыкают друг к другу. 2. Магнетрон по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что каждый из концов цилиндрических втулок, образующих элементы, обеспечивающие вторичную эмиссию, имеет вид усеченного конуса, диаметр большего основания которого является наружным диаметром вышеупомянутых втулок, э меньшее основание является торцом этих же элементов, которые примыкают к соответствующим торцам злементоп, обеспечивающих первичную эмиссию. 3. Магнетрон по пп. 1 и 2 , отличаю щ и й с я тем, что торцы элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, примыкают к соответствующим торцам элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию, через плоские цилиндрические защитные шайбы из тонкой фольги, выполненные из тугоплавкого металла, преимущественно вольфрама, при этом толщина этих шайб больше толщины элементов, обеспечиояющих первичную эмиссию. 4. Магнетрон по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из одного из следующих ме галлов Та, Nb, W. 5. Магнетрон по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из сплава Та и W при следующем соотношении компонентов: Т а - 85-90%, W - остальное. 6. Магнетрон по пп. 1-5, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, выполнены из сплава W и Та при следующем соотношении компонентов: W - 8 5 - 9 0 % , Та -остальное. 7. Магнетрон по пп. 1-6, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что элементы, обеспечивающие первичную эмиссию, имеют толщину 0,5-10,0 мкм. 7649 Изобретение относится к электронным вакуумным приборам сверхвысокой частоты, а именно - к магнетрону. Известен магнетрон (US, Л, 3109123), содержащий анод, катод, в котором для концентрации электрического поля часть поверхности выполнена в виде дисков с заостренным краем с расположенным на нем множеством тонких проволочек. В этом же магнетроне также для концентрации электрического поля предложена специальная форма экранов, а также - подача на эти экраны различных потенциалов относительно стержня катода. В указанном магнетроне без электроразрядного процесса невозможно его возбуждение только за счет наличия острых краев и множества проволочек, не обеспечивающих необходимую автоэлектронную эмиссию. Кроме того, в процессе работы магнетрона не может быть обеспечена стабильная аэюэлектронная эмиссия, так как изменяется форма острых кромок и ухудшается так называемый коэффициент ft форм-фактора, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля. Известен также магнетрон (FR, А, 1306999), содержащий анод и размещенный коаксиально внутри него катод, выполненный в виде стержня с расположенными на его поверхности чередующимися элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии. Причем, в данном магнетроне элементы, обеспечивающие первичную и вторичную эмиссии выполнены в виде нанесенных на поверхность катода чередующихся полосами различных эмиссионноактионых веществ, обеспечивающих соответственно первичную и вторичную эмиссию. При этом не указана величина напряженности электрического поля на элементах, обеспечивающих первичную эмиссию, которая необходима для холодного возбуждения магнетрона. Расчеты электрического поля на катоде для магнетронов миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн при анодном напряжении от единиц киловольт до нескольких десятков киловольт показывают, что напряженность электрического поля не превышает значения 5 • 10 В/см, Величина же напряженности электрического поля, необходимая для автоэлектронной эмиссии должна быть порядка 10 В/см при самой минимальной работе выхода эмиттирующего элемента. Напряженность электрического поля равная 5 * 10 В/см недостаточна для автоэлектронной эмиссии, поэтому покрытие о виде пент или колец, параллельных или перпендикуляр 5 10 15 20 ных оси кятода, предназначенных дла эмиссии электронов, не может обеспечить необходимую автоэлектронную эмиссию для запуска магнетрона. Наличие двух разных покрытий, обеспечивающих эмиссию электронов в холодном состоянии и вторичноэлектронную эмиссию, не может быть стабильным во времени при работе магнетрона, так как имеет место перенос активного вещества с катода на анод, а также обратный процесс - перенос активного ве щества с анода на катод, и, как следствие, образование однородносмешанного покрытия по всей поверхности катода. Таким образом не обеспечивается автоэлектронное (холодное) возбуждение магнетрона. В случае возможного холодного возбуждения магнетрона за счет электроразрядных процессов происходит быстрое разрушение поверхи ости катода, покрытого эмиссионноактивными веществами, вследствие его бомбардировки отрицательными ионами. Таким образом, данный магнетрон не обеспечивает мгновенного запуска (с 25 первого импульса) без предварительного разогрева катода или без подачи входного (возбуждающего) сигнала и не может быть надежным и долговечным. В основу изобретения положена задача 30 создания магнетрона с таким конструктивным и технологическим его выполнением и с соответствующим выбором совместимых материалов элементов, обеспечивающих первичную и вторичную эмиссию, в котором 35 за счет создания напряженности электрического поля, необходимой для получения автоэлектронной эмиссии, достаточной по величине для возбуждения магнетрона обеспечивается мгновенный запуск (с пер40 вого импульса) без предварительного разогрева катода, увеличивается его срок службы, повышается надежность самого магнетрона и передающего устройства, в котором он используется. 45 Поставленная задача решается тем, что в магнетроне, содержащем анод и коаксиально размещенный внутри него катод, выполненный в виде цилиндрического стержня с расположенными на его поверх50 ности чередующимися элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии, согласно изобретению, элементы, обеспечивающие первичную и вторичную эмиссии, выполнены в виде, соответствен55 но, по меньшей мере одного плоского диска с центральным отверстием из сверхтонкой фольги тугоплавкого металла и по меньшей мере одной цилиндрической втулки из эмиссионноактивного материала, устаноолен ных соосно, при этом наружный диаметр плоского диска болыиенлру*' цилиндрической птул*си из ае^ичииу, находящуюся в пределах от 0. і до 0 2 величины межэлекгродного зазора, а торцы соседних плоского диска и цилиндрической втулки 5 примыкают друг к другу. Такс» расположение плоского диска относительно цилиндрической втулки обоспечнеэет достаточно высокую концентрацию электрического поля на кромке диска за 10 счет коэффициента fi форм-фзктора и нздежное возбуждение магнетрона. Выполнение в п л о с к о м диске іде и трального отверстия и установка его и цилиндрической втулки соосно обеспечивает го, что эле- 1Ь мент обеспечивающий первичную эмиссию, выступает над поверхностью элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, по всей окружности равномерно. Выполнение наружного диаметра элемен- 20 тое, обеспечивающих п^рничную эмиссию, больше наружных диаметров элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию на величину большую, чем 0,2 от величины межэлектродного зазора, приводит к тому, что, 25 элемент, обеспечивающий первичную эмиссию оказывается вне облака пространств е н н о г о заряда и происходит его разрушение, а также происходит нестабильная работа в виде искрения магнетрона Ее- 30 ли в ы с т у п а ю щ и й участок элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, меньше величины 0.Ї от величины межэлектродного зазора, то в этом случае не обеспечивается заданная величина 35 напряженности электрического поля, необходимая для получения автоэлектронной ЭМИССИИ. Таким образом выполнение элементов, обеспечивающих первичную и вторичную эмиссию в заданном виде и из заданных материалов обеспечивает за счет создания напряженности электрического поля, необходимой для получения ашоэлектронной эмиссии, достаточной по величине для возбуждения магнетрона и его мгновенный запуск (с первого импульса) без предварительного разогрева катода, увеличение срока службы магнетрона, повышение надежности самого магнетрона и передающего устройства, в котором он используется Целесообразно, чтобы элемент, обеспечивающий первичную эмиссию был выполнен в виде пяти плоских дисков, а элемент, обеспечивающий вторичную эмиссию Был выполнен в виде четырех цилиндрических втулок из эмиссионноэктивного материала. Наличие большего числа плоских дисков приводит к уменьшению расстояния АО 45 50 55 M C * £ V МИИИ И V 'M ' H U M L H h J І'ЯП 0 !>** >'Ht t f О Г О ПО'ІЯ И ! .)Я П Л И Н Н О Г О и СПСРДНМХ плоских д и г ^ п р Лредпочіигельнп r ї чіоГш горцы іґт ф'иШ*-Д[Н1ЧЄГІчОЙ ВГулкИ ИМОГІИ ВИД угРЧРМ ною конуса примыкающего СНОИСР ИГМЬ шим основанием к горцу соотвеїсгпучмцгго плоского дис^т, а диаметр Оопьшегпоснпр,} яия являлся бы наружным дизмеіром >:ілиндричпской втучкіі При примыкании с двух сторон к горнам элемента, ОБЄСПОЧИВЇІЮЩЄІ Г> перп эмиссию, _!лемгнтсш, обеспечивающих ричную эмиссию, с торцами, выполненными п мідо усеченного конуса, образуется килкцевая КЭНЗРГЭ. Кольцсалі 'сянавка уменьши ет экранирующее действие элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, при этом напряженность электрического пол? упєличиізаеіся. Также целесообразно, чгоби торцы со седмих плоского диска и цилиндрической втулки примыкали друг к другу через плоскую цилиндрическую защитную шайСу из тонкой фолы и TyronnaHKOFO металлу, при этом толщина пл&сюи цилиндрической защитной шайбы больше толщины плоского ДНСКЗ ПО №ЄН!.Ш&Й МРре ОТ ПЯ^и д о ДОСЯТМ раз Наличие защитных шайб позволяет исключить разрушение элементов, обеспечивающих первичную эмиссию, вследствие мехапичегкоге и химического воздействия на них элементов, ООРСПЄЧИВЗЮІДИУ вторичную эмиссию. При этом выполнение защитной шайбы из тонкой фольги тугоплавкого металла с толщинсі 1 больше толщины диска по меньшей мере от пяти до десяти рзз обеспечивает надежную зашиту диск£ от разрушения вследствпп физико химических процессов, происходящих о месте контакта диска с омисснониэакгивнпи цчлиидричрском зтупкой. Целесообразно, чтобы злємені, обеспе чивающий первичную эмиссию, был бы ВУ> полнен из одного из тугоплавких металлов Та, Nb. W. Выполнение элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, из одного из тугоплав^мх иетгппо'з Та, Nb, VV позволяет стабилизировать затозлектронную змис сию. Целесообразно, чтобы элемент, обеспечивающий первичную эмиссию, б У л выпал нон из сплава вольфрама и тантала. Применение сплзпов из тугоплавких металлов для элементоп, обеспечивающих первичную эмиссию, поз&олпєт стабилизировать эатозлактронную эмиссию и обеспечить их форноустойчивость. 7649 Данное изобретение ПОІВОЛЛЄГ за счет создания напряженности электрического ПОПЙ. необходимой для получения автозпекгронной эмиссии, достаточной по величине для возбуждения магнетрона, обеспечить мгновенный запуск (с первого импульса)без предварительного разогрева катода, увеличить срок службы магнетрона, повысить надежность самого магнетрона и передающего устройства, в котором он используется Данное изобретение позволяет создать безнакальные магнетроны с автоэлектронным возбуждением в двух, трех сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн на различные высокочастотные импульсные мощности. Эти магнетроны характеризуются мгновенной готовностью (готовность с первого импульса), высокой надежностью и долговечностью более десяти тысяч часов, возможностью безынерцио н н о г о перехода с режима с малым коэффициентом заполнения на режим с большим коэффициентом заполнения и наоборот, высокой экономичностью ввиду отсутствия потребления мощности в цепи накала. Использование таких магнетронов в передающих устройствах позволяет существенно упростить их схему, уменьшить габариты и массу, так как из схемы исключаются около пятидесяти радиокомпонентов. В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и чертежами, на которых: фиг. 1 изображает общий вид магнетрона, его рабочей части, с одним элементом, обеспечивающим первичную эмиссию, и одним элементом, обеспечивающим вторичную эмиссию, продольный разрез, согласно изобретению; фиг. 2 изображает общий вид магнетрона, его рабочей части, с одним плоским диском и двумя цилиндрическими втулками, продольный разрез; фиг. 3 изображает общий вид магнетрона, его рабочей части, с пятью плоскими дисками и четырьмя цилиндрическими втулками, продольный разрез; фиг. 4 изображает участок магнетрона, на котором показаны части элементов, обеспечивающих вторичную эмиссию, торцы которых имеют вид усеченного конуса, продольный разрез; фиг. 5 изображает участо- магнетрона, нэ котором показан один плоский диск и части двух элементов, обеспечивающих втормчную эмиссию, торцы которых имеют вид /сеченного конуса, и защитные шайбы, продольный разрез; фиг 6 изображает общий вид магнетрона, его рабочую часть, с тремя плоскими 5 1015 20 25 30 35 40 45 8 дисками и двумя цилиндрическими втулками, примыкающими друг к другу через защитные шайбы, продольный разрез. Магнетрон, его рабочая часть, содержит анод 1 (фиг. 1)и коаксиально размещенный внутри него кзтод, выполненный в виде цилиндрического полого стержня 2 с расположен ными нэ его поверхности чередующимися элементами, обеспечивающими первичную и вторичную эмиссии, примыкающими своими торцами друг к другу. Элемент, обеспечивающий первичную эмиссию, выполнен в виде по меньшей мере одного плоского диска 3 с центральным отверстием из сверхтонкой фольги тугоплавкого металла. В данном случае элемент, обеспечивающий первичную эмиссию, выполнен в виде одного плоского диска 3 с толщиной от долей микрона до нескольких микрон, изготовляемых методом штамповки или электроэрозии. Элемент, обеспечивающий вторичную эмиссию, выполнен в виде по меньшей мере одной цилиндрической втулки 4 из эмиссионноактивного материала, установленной соосно с диском 3 и стержнем 2. В данном случае элемент, обеспечивающий вторичную эмиссию, выполнен в виде одной цилиндрической втулки 4. В качестве элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, могут быть использованы импрегнированные катоды, а также катоды на основе сплавов металлов, включая металлы платиновой группы Pt, Ir, Os, Ru, Rh, Pd с добавками активаторов в виде одного или нескольких элементов щелочноземельных металлов (Вэ, Sr, Ca). Нз цилиндрическом полом стержне 2, который может быть выполнен из молибдена или другого тугоплавкого металла или их сплавов, расположены соосно с ним два фокусирующих экрана 5. Один фокусирующий экран 5 расположен со стороны цилиндрической втулки 4, а другой фокусирующий экран 5 расположен со стороны плоского диска 3. Наружный диаметр диска 3 больше наружного диаметра цилиндрической втулки 4 на величину, находящуюся в пределах от 0,1 до 0.2 величины межэлектродного зазора. 50 На фигуре 1 также обозначено: h - высота, на которую выступает край элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, над поверхностью элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию; 55 d - наружный диаметр элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию; D - диаметр анода 1. Пунктирными линиями показана условно концентрация электрического поля из тонком крае диска 3. 7649 10 Функциональным участком элемента, ти магнетрона, изображенного на фиг. 1. о&есиечивэгощего пе;рвичную эмиссию явОтличие заключается лишь в том, что один ляется его тонкий край, выступающий над фокусирующий экран 5 (фиг. 3) установлен поверхностью элемента. обеспеі>ивающєго со стороны первого диска 3, а второй фокувторичную эмиссию, на высоту b Высота h 5 сирующий экран 5 установлен со стороны выбирается из условия1 она должна быть последнего диска 3 Таким образом, в заэисимости от типа магнетрона и его конструкравна иди меньше эффективного размера ции, э также от значения юка возбуждения, облака синхронного пространственного заэлемент, обеспечивающий первичную эмисряда в магнетроне над поверхностью цилиндрической втулки 4 из 10 сию, может быть выполнен из нескольких дисков 3. При постановке нескольких таких змиссионноактивного материала и выражадисков 3 минимальное расстояние I между ется формулой: ними с целью ослабления их взаимной экраиироЕцси определяется КРК: (1). 15 1) I = {4 - 6) h (2). где h - высота выступающего края диска 3, значение которой определяется из выражегде d - наружный диаметр элемента, обесния (1), При соблюдении этого условия ток печивающего вторичную электронную запуска может быть уменьшен не более, чем эмиссию; 20 на 10% своего максимального значения, (о\ и од - круговая синхронная и цикпредставляющего собой сумму токов, прилотронная частоты, соответственно, при мыкающих по отдельным дискам 3 без учета этом их взаимного экранирования. Наличие пяти или более дисков 3, если это допускают про (О\ 25 дольные размеры анода 1 и соответственно катода позволяет существенно увеличить где fo - генерируемая частота, надежность автозлектроннсо возбуждения п - номер вида колебаний (для " л" -магнетрона. вида п = у , где N - число резонаторов • На фиг. 4 изображен участок рабочей части магнетрона, показывающий выполнемагнетрона), а 30 ние торцов цилиндрической втулки 4 в виде НУ) В. усеченного конуса, примыкающего своим гл меньшим основанием к торцу диска 3. При где е и m - заряд и масса свободного электэтом диаметр большеї о основания является рона соответственно, а наружным диаметром втулки 4. В - индукция постоянного магнитного 35 На фигуре 5 изображен участок рабочей поля. части магнетрона, конструктивное выполнеДля магнетронов различнойконструкние которого аналогично конструктивному ции значения h обычно составляют от 0,1 до выполнению участка, изображенного на фи0,2 от величины межэлектродного зазора, D -d 40 гуре 4. Отличие заключается лишь в том, что торцы соседних плоских дисков 3 (фиг. 5) и равного — у — , где D - диаметр анода магвтулок 4 примыкают друг к другу через плонетрона, a d - наружный диаметр элемента, скую цилиндрическую защитную шайбу 6, обеспечивающего вторичную электронную каждая шайба 6 .выполнена из тонкой фольги тугоплавкого металла. Толщина шайбы 6 эмиссию. Конструктивное выполнение рабочей 45 больше толщины диска 3 по меньшей мере от пяти до десяти раз. Преимущественно части магнетрона, изображенного на фиг 2 шайбы 6 изготовляют из вольфрама толщианалогично выполнению части магнетрона, ной от 15 до 30 мкм. изображенного на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что магнетрон, изображенКонструктивное выполнение рабочей ный на фиг. 2 имеет два элемента. 50 части магнетрона, изображенного на фиг. 6, обеспечивающих вторичную эмиссию, прианалогично выполнению части магнетрона, мыкающих торцами к торцам диска 3. При изображенного на фиг. 1. Отличие заключаэтом фокусирующие экраны 5 установлены ется лишь в том, что магнетрон, изображенсо стороны других торцев элементов, обесный на фигуре 6, содержит три диска 3, две печивающих вторичную эмиссию 55 втулки 4 и четыре шайбы 6 При этом экраны На фиг. 3 изображена рабочая часть 5 установлены со стороны первого и последмагнетрона, имеющего пять плоских дисков него дисков 3, а шайбы 6 установлены между 3 и четыре цилиндрические втулки 4, констсоседними диском 3 и втулкой 4. Шайбы 6 руктивное выполнение которой аналогично установлены с целью защиты дисков 3 от конструктивному выполнению рабочей час 7649 возможности их разрушения в результате химического и физического взаимодействия с материалом втуло.к 4. Например, при использовании в качестве элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, танталовой фольги, а в качестве элемента, обеспечивающего вторичную эмиссию, - сплава паллад и й - б а р и й . м о ж е т быть установлена защитная шайба 6 из вольфрама. Данный магнетрон работает следующим образом. Между однопроводным вводом и корпусом магнетрона подается анодное напряжение (ввод и корпус на фигурах не показаны). Ток возбуждения магнетрона обеспечивается автоэлектронной эмиссией с обращенного к аноду 1 (фиг. 1) края элемента, обеспечивающего первичную эмиссию, вызываемой сильным электрическим полем за счет приложенного анодного напряжения (разность потенциалов между катодом и анодом 1). Эмиттируемые указанным эле Упорядник Замовлення 4526 5 10 15 20 ментом электроны, ускоряясь и менян направление движения под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, частично попадают на элемент, обеспечивэющий вторичную эмиссию, и выбивают вторичные электроны, которые, в свою очередь, лавинно размножаясь, обеспечивают основной рабочий ток магнетрона. Работа магнетронов, изображенных нэ фигурах 2-6, аналогична работе магнетронов, изображенной на фиг. 1. Таким образом, данное изобретение позволяет за счет создания напряженности электрического поля, необходимой для получения автоэлектронной эмиссии, достаточной по величине для возбуждения магнетрона, обеспечить мгновенный запуск магнетрона с первого импульса без предварительного разогрева катода. Изобретение может быть использовано в локаторах, самолетной, корабельной, космической, ракетной и другой технике. Техред М.Моргентал Коректор М. Самборськэ Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Киів-53. Львівська пл., 8 Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, аул Гагаріна, 101