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 0,5-10,0мкм у вигляді плоских кілець із зовнішнім діаметром Dfe , 2 (19) 1 3 83534 Винахід належить 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. 1961p.], 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. 1962p.], 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=01¸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), можливістю миттєвого переходу від режиму із малим кое 5 83534 фіцієнтом заповнення до режиму з великим коефіцієнтом заповнення та навпаки, підвищеною економічністю внаслідок відсутності споживання потужності в ланцюгу розжарювання, невеликими габаритами та масою. Суттєвими недоліками конструкції магнетрона - прототипу є: 1) підвищена вірогідність появи ефекту пропускання імпульсів ефективного генерування електромагнітних коливань при значній крутизні фронту імпульсу робочої анодної напруги, наприклад, більшій, ніж 35-45кВ/мкс, що обумовлено формою елементів (у вигляді суцільних плоских кілець) польового емітера, який не забезпечує величину струм у запуску магнетрона за рахунок польової емісії первинних електронів значно більшу за 60-70мА, внаслідок чого при такому струмі зменшується надійність запуску магнетрона в режимі імпульсного генерування електромагнітних автоколивань; 2) відсутність можливості зменшити екранування робочої поверхні вторинноелектронного емітера (BEE), а саме спроможних до емісії частин поверхні елементів у вигляді циліндричних втулок, які суміжні з елементами польового емітера у вигляді тонких металевих суцільних плоских кілець. Наслідком екранування (створення тіні) є відсутність дії напруженості електричного поля на частині робочої поверхні BEE поблизу торців циліндричних втулок, тобто фактичне виключення затіненої поверхні із вторинно-емісійного процесу, що призводить до зменшення робочого струму магнетрона; 3) товщина 0,5-10,0мкм фольги із тугоплавких металів елементів польового емітера первинних електронів (ПЕПЕ) у вигляді суцільних плоских кілець із центральним отвором, діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметрові керна, обумовлює їх недостатню механічну міцність та стійкість форми при дії пондермоторних сил у полі потужних електромагнітних коливань надвисокої частоти (НВЧ), ускладнює технологію відтворення холодного катоду та створює умови для прискореної ерозії суцільних плоских кілець під дією заряджених часток, які рухаються між кінцевими областями холодного катоду, що призводить до зменшення надійності запуску процесу ефективної генерації електромагнітних коливань, терміну безвідмовної роботи холодного катоду та магнетрону в цілому. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити магнетрон шляхом удосконалення холодного катоду, що забезпечить збільшення надійності магнетрона при генеруванні коротких імпульсів стійких електромагнітних доливань. 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=01¸0,2×(Da-Dse), плоскі кільця 6 встановлені між циліндричними втулками, а відповідні торці кілець та втулок примикають один до одного, згідно із винаходом, плоскі кільця польового емітера - виконані із периметром у вигляді системи рівновисоких гострокутови х виступів із періодом L, при цьому 10мкм£L£150мкм ; товщина плоских кілець 1,0-150,0мкм, а кут при вершині виступів a£20°. Елементи польового емітера, які забезпечують первинну емісію, можуть бути виконані із одного з тугоплавких металів, переважно Mo Nb, Та, W, із домішками активаторів, зокрема одного або декількох лужноземельних металів Ва, Sr, Ca, або із сплавів вказаних тугоплавких металів та металів активаторів. Елементи польового емітера, які забезпечують первинну емісію, можуть бути виконані із високолегованого кремнію. Елементи польового емітера, які забезпечують емісію первинних електронів, можуть бути виконані із тугоплавких металів, переважно Mo Nb, Та, W, з домішками активаторів, зокрема одного або декількох лужноземельних металів Ва, Sr, Ca, або із сплавів вказаних тугоплавких металів та металів активаторів, або із високолегованого кремнію та покриті ультратонкою діелектричною плівкою, наприклад, діамантовою плівкою (ДП), діамантовоподібною плівкою (ДПП), або плівкою із діамантовоподібного вуглецю (ДПВ). Робоча емісійна поверхня елементів BEE може бути виконана у вигляді періодичної системи кутови х виступів із висотою (0,1- 0,2)(Da - Dse) та кутом 90°£b£110° при he £ 2 вершині. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу, що заявляються, та технічним результатом, що досягається полягає в наступному. Виконання елементів ПЕПЕ - плоских кілець із центральними отворами, які є джерелом емісії струму збудження, із фольги тугоплавких металів та їх сплавів товщиною 1,0-150,0мкм, або плівок високолегованого кремнію товщиною 10,0150,0мкм із периметром у вигляді системи рівновисоких гострокутових виступів із періодом L, при цьому 10мкм£L£150мкм, а кут при вершині виступів a£20°, забезпечує необхідну і доста тню величину стр уму 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 83534 ними плоскими кільцями у технічному рішенніпрототипі, в даному винаході знаходяться під дією електричного поля анодної напруги та вносять вклад в величину робочого струм у магнетрона. Виконання елементів польового емітера - плоских кілець із фольги тугоплавких металів та їх сплавів товщиною 1,0-150,0мкм або плівок високолегованого кремнію товщиною 10,0-150,0мкм із периметром у вигляді системи рівновисоких гострокутових виступів із періодом L, при цьому 10мкм£L£150мкм, а кут при вершині виступів a£20°, та покриття їх ультратонкою діелектричною плівкою, наприклад, діамантовою плівкою (ДП), або діамантовоподібною плівкою (ДПП), або плівкою із діамантовоподібного вуглецю (ДПВ), забезпечує необхідну і достатню величину струму для надійного запуску режиму стійкого імпульсного генерування магнетроном електромагнітних коливань, підвищення їх механічної міцності та стійкості форми при дії пондермоторних сил у потужному полі електромагнітних коливань НВЧ та при бомбардуванні емісійних зон ПЕПЕ зарядженими частками, а також збільшення терміну безвідмовної роботи як ПЕПЕ, так і магнетрона в цілому при вакуумі 10-4-10-6мм ртутного стовпчика. Виконання по новому профілю робочої емісійної поверхні елементів BEE - циліндричних втулок у вигляді періодичної системи кутових виступів із (0,1- 0,2)(Da - Dse) та кутом висотою he £ 2 90°£b£110° при вершині дає можливість збільшити коефіцієнт вторинної емісії та робочий струм магнетрона, а також суттєво зменшити час (його можна визначити як кількість періодів НВЧ електромагнітних коливань), за який струм магнетрона зростає від величини струму польової емісії (ПЕ) струму збудження до величини струму вторинноелектронної емісії (BE) - робочого струму магнетрона. Розташування по новому емітуючи х лез плоских кілець зменшує взаємне екранування елементами ПЕПЕ робочої поверхні елементів BEE. Це сприяє забезпеченню необхідного робочого струму магнетрона і підвищенню надійності запуску процесів збудження магнетрона і генерування ним електромагнітних коливань в дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль, а також зменшує вірогідність пропуску імпульсів при збільшеній крутизні фронту імпульсу робочої анодної напруги, наприклад, більшій, ніж 35-45кВ/мкс, та при тривалості імпульсів анодної напруги 20-70нc. Сутність винаходу пояснюється ілюстраціями. На Фіг.1 показано у розтині простір взаємодії магнетрона, на Фіг.2 - повздовжній розтин холодного катоду, на Фіг.3 показано поперечний перетин холодного катоду, на Фіг.4 та Фіг.5 показано фрагменти виконання периметрів плоских кілець - елементів польового емітера, вкритих ультратонкою діелектричною плівкою, на Фіг.6 - зовнішній вигляд одного із варіантів зборки вузла холодного катоду, на Фіг.7 та Фіг.8 показано варіанти втулок - елементів вторинно-електронного емітера холодного катоду, на Фіг.9 - фото зовнішнього вигляду магнетрона. 8 Магнетрон містить у собі коаксіально розташовані анод 1 із круглим отвором діаметром Da та холодний катод 2, який складається із круглого трубчасто го або стержневого керна 3 та закріплених на його поверхні вторинно-електронного 4 і польового 5 емітерів, при чому вторинноелектронний емітер 4 виконано із елементів електропровідного емісійно-активного матеріалу у вигляді циліндричних втулок 6 із зовнішнім діаметром Dse, а польовий емітер 5 - із фольги тугоплавких металів та їх сплавів у вигляді плоских кілець 7 із зовнішнім діаметром Dfe, плоскі кільця 7 встановлені між циліндричними втулками 6, а відповідні торці втулок 6 та кілець 7 примикають один до одного. З метою захисту елементів 7, які забезпечують ПЕ первинних електронів від можливості їх руйн ування в результаті хімічної та фізичної взаємодії із матеріалом елементів 6, які забезпечують BE, між ними може бути встановлено прокладки із захисних матеріалів у вигляді шайб (на фігурах не показані). Наприклад, при використанні плоского кільця 7 із фольги танталу, як елемента, який забезпечує ПЕ (автоелектронну), а циліндричної втулки 6 із сплаву паладійбарій, як елемента, який забезпечує BE, між вказаними елементами 6, 7 може бути встановлена захисна шайба із вольфраму. При покритті плоских кілець 7 ПЕПЕ ультратонкою діелектричною плівкою (Фіг.4 та Фіг.5) захисні шайби із вольфраму не встановлюють. На циліндричному трубчастому керні 3 закріплені також фокусуючі екрани 8. Циліндричний керн 3 холодного катоду 2, як правило, виготовляють із молібдену у вигляді трубки, в середині якої розміщують спіральний підігрівник 9, призначений для технологічної, обробки BEE 4 і ПЕПЕ 5 холодного катоду 2 з метою обезгажування та досягнення їх емісійної здатності при откачці та тренуванні магнетрона; в разі виконання керна 3 у вигляді суцільного циліндричного стержня для прогрівання катоду 2 може бути використано підігрівник аналогічний підігрівнику паяльника. В якості активного матеріалу втулок 6, які забезпечують BE можуть бути використані імпрегновані катоди, а також катоди на основі сплавів металів, включно з металами Pt, Ir, Os, Ru, Rh, Pd платинової групи із домішками активаторів у вигляді одного або декількох лужноземельних металів Ва, Sr, Ca. В якості елементів, які забезпечують ПЕ можуть використовуватись плоскі кільця 7 із периметрами у вигляді періодичної системи гострокутових лезоподібних виступів 10 та впадин 11 (Фіг.4 Фіг.6). Лезоподібні виступи 10 виготовлені методом електроерозії, гідроекструзії або плазмохімічного фрезерування із фольги товщиною від 1 мікрона до 150 мікрон. В якості елементів ПЕПЕ холодного катоду можуть бути використані плоскі кільця 7 із високолегованого кремнію. Функціональними емісійними дільницями (зонами) елементів ПЕПЕ, які забезпечують ПЕ, є періодична послідовність тонких лез 10 розташованих по периметру плоских кілець 7 із періодом L паралельно та дзеркально симетрично осі катода, які знаходяться на висоті h (Фіг.4 та Фіг.5) над поверхнею циліндрич 9 83534 них втулок 6 - елементів BEE, які забезпечують емісію робочого струму магнетрона. Висота h, на якій над поверхнею циліндричних втулок 6 розташовані функціональні емісійні зони лез 10 плоских кілець 7, вибирається із умови, що вона рівна або менша ефективного розміру хмари (синхронної „електронної втулки”) просторового заряду в магнетроні. Для магнетронів різних конструкцій значення h, як правило,складає 10-20% від величини D - Dse міжелектродного зазору a . В залежності 2 від типу магнетрона, його конструкції та величини "пускового" струм у (стр уму збудження) ПЕПЕ має у своєму складі як одно, так і декілька плоских кілець 7, що забезпечують ПЕ. При застосуванні ПЕПЕ із декількома елементами 7 (Фіг.1, Фіг.2, Фіг.6) мінімальна відстань l (Фіг.2) між ними вздовж осі катоду, як це показують теоретичні оцінки та експериментальні дослідження, із метою ослаблення їх обопільного екранування та екранування емісійної поверхні втулок 6 BEE може бути визначена як l=(4-6)×h, (1) де h - висота, на якій знаходиться функціональні емісійні дільниці (леза) 10 плоских кілець 7, які забезпечують ПЕ. Емісійна поверхня втулок 6 BEE суміжна із впадинами 11 не піддається екрануванню. Максимальна величина струму запуску процесу генерації магнетрона є сумою струмів із усіх лез 10 окремих плоских кілець 7 із врахування впливу їх взаємного екранування. Магнетрон працює таким чином. Струм збудження магнетрона забезпечують за рахунок польової емісії із повернутих до аноду 1 лез 10, розташованих на периметрах елементів 7 у вигляді системи гострокутови х виступів із періодом L, які забезпечують ПЕ. Польова емісія первинних електронів із лез 10 викликається сильним електричним полем за рахунок прикладеної різниці потенціалів (імпульсної анодної напруги) між анодом 1 та катодом 2 (Фіг.1). Електрони, емітовані під дією високої напруженості імпульсів електричного поля із емісійних дільниць у вигляді періодичних лез 10 (Фіг.3 - Фіг.6), що розташовані на периметрах плоских кілець 7 в площинах перпендикулярних площині симетрії кілець, потім прискорюються, змінюють напрямок руху під дією статичних схрещених електричного Е і магнітного 10 В полів та створюють хмару просторового заряду в проміжку між анодом 1 та катодом 2. Частки „електронної втулки”, рухаючись, в тому числі і вздовж осі простру взаємодії, в кінцевих областях холодного катоду біля торців анодного блоку (поруч із екранами 8 на Фіг.1), де напруженість електричного поля спадає, здобувають додаткову енергію і бомбардують плоску або гофровану робочу поверхню кінцевих втулок 6 BEE холодного катоду, які, емітують вторинні електрони і збільшують щільність просторового заряду в „електронній втулці”. Кулонівські сили неоднорідної по щільності просторового заряду „електронної втулки” сприяють ефективному лавинному розмноженню вторинних електронів. Впадини 11 периметрів плоских кілець 7 створюють певні умови „прозорості” для електронів „електронної втулки”, які рухаються на висоті меншій h до розташованих поряд із екранами 5 циліндричних втулок 6 в кінцевих областях холодного катоду 2. Таким чином забезпечується ефективний процес розмноження вторинних електронів та достатній робочий струм приладу для генерування потужних електромагнітних коливань в процесі взаємодії із електромагнітним полем поблизу робочої поверхні періодичної системи резонаторів аноду 1 магнетрона при тривалості імпульсів анодної напруги 20-70нс. У відповідності із формулою винаходу створені та випускаються серійно магнетрони 3-х сантиметрового діапазону хвиль (Фіг.9). Створені магнетрони характеризуються раптовою готовністю (готовність із першого імпульсу), високою надійністю запуску і імпульсним генеруванням електромагнітних коливань (без пропуску імпульсів) при збільшеній крутизні фронту імпульсу робочої анодної напруги, наприклад, більшій, ніж 35¸45кВ/мкс, та при тривалості імпульсів анодної напруги 20¸70нс, можливістю безінерційного переходу від імпульсного режиму із малим коефіцієнтом заповнення до імпульсного режиму із великим коефіцієнтом заповнення та навпаки, високою економічністю, менш складною (порівняно із прототипом) технологією відтворення вузла катода без розжарювання (холодного катода), довготривалістю дії більше 5000 годин. Використання такого магнетрона в НВЧ передавачах сучасних радарів дозволяє суттєво спростити їх схему живлення, зменшити габарити та масу. 11 83534 12 13 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 83534 Підписне 14 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