eng
Выпуск #7-8/2022
И.П.Ли, В.И.Капустин, Н.Е.Леденцова, А.В.Шуманов
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТРЕХМОДУЛЬНЫХ КПУ МАГНЕТРОНОВ С МГНОВЕННОЙ ГОТОВНОСТЬЮ
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТРЕХМОДУЛЬНЫХ КПУ МАГНЕТРОНОВ С МГНОВЕННОЙ ГОТОВНОСТЬЮ
Просмотры: 810
Получено: 15.09.2022 г. | Принято: 24.09.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
Научная статья
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТРеХМОДУЛЬНЫХ КПУ МАГНЕТРОНОВ С МГНОВЕННОЙ ГОТОВНОСТЬЮ
И.П.Ли,1, 2, д.т.н., зам. генерального директора
В.И.Капустин1, д.ф.-м.н., проф., / kapustin@mirea.ru
Н.Е.Леденцова1, к.т.н., начальник лаборатории, ORCID: 0000-0002-7859-2048
А.В.Шуманов1, директор, ORCID: 0000-0002-6284-2700
Аннотация. Использование в магнетронах с мгновенной готовностью трехмодульных катодно-подогревательных узлов (КПУ), состоящих из чередующихся вторично-эмиссионных катодов (ВЭК) и автоэмиссионных блоков (АЭБ), позволяет повысить стабильность и воспроизводимость электрических параметров приборов. Подобная конструкция КПУ может быть успешно использована при проектировании и производстве магнетронов с безнакальным запуском с импульсной мощностью до нескольких сотен кВт, что в десятки раз превышает мощность серийно выпускаемых магнетронов с безнакальным запуском.
Ключевые слова: катодно-подогревательный узел, термоэлектронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия, вторично-электронная эмиссия, вискеры, кристаллиты окиси бария, металлопористые катоды, оксидно-никелевые катоды
Для цитирования: И.П. Ли, В.И. Капустин, Н.Е. Леденцова, А.В. Шуманов. Особенности конструкции трехмодульных КПУ магнетронов с мгновенной готовностью. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7-8. С. 434–441. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
Received: 15.09.2022 | Accepted: 24.09.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
Original paper
DESIGN FEATURES OF THREE-MODULE CATHODE HEATING UNITS IN THE INSTANTANEOUSLY READY MAGNETRONS
I.P.Li,1, 2, Doct. of Sci. (Tech), Deputy Director of TC "Basic EVD technologies"
V.I.Kapustin1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Chief specialist / kapustin@mirea.ru
N.E.Ledentsova1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-7859-2048
A.V.Shumanov1, Director, ORCID: 0000-0002-6284-2700
Abstract. The use of three-module cathode heating units in the instantaneously ready magnetrons makes it possible to increase stability and reproducibility of the electrical parameters of devices. Such design of the cathode heating units can be successfully used in production of magnetrons with a non-heating start having a pulse power up to several hundred kilowatts.
Keywords: cathode heating unit, thermoelectronic emission, autoelectronic emission, secondary electron emission, whiskers, barium oxide crystallites, metal-porous cathodes, nickel-oxide cathodes
For citation: I.P. Li, V.I. Kapustin, N.E. Ledentsova, A.V. Shumanov. Design features of three-module cathode heating units in the instantaneously ready magnetrons. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7-8. PP. 434–441. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Выпускаемые в настоящее время магнетроны с мгновенной готовностью отличаются сравнительно низкой, не более 20–25 кВт, импульсной мощностью генерируемых СВЧ-колебаний. В этих приборах используются стандартные двухмодульные катодные узлы (рис.1a), состоящие из чередующихся автоэлектронных и вторично-эмиссионных катодов [1–4].
Автоэлектронные катоды, ответственные за инициирование начала генерации, представляют собой шайбы из танталовой фольги. В качестве ВЭК в этих узлах применяются прессованные палладий-бариевые катоды, которые наряду со своим основным предназначением должны обеспечивать непрерывное, от импульса к импульсу, активирование автоэлектронных катодов. В магнетронах с подобной конструкцией КПУ вторично-эмиссионный катод подвергается бомбардировке обратными электронами, в результате чего могут происходить необратимые изменения как структуры, так и состава приповерхностного слоя эмитирующей поверхности, обуславливающие в совокупности деградацию эмиссионных свойств. Кроме этого, если энергия бомбардирующих электронов достаточно высока, то возможен перегрев катода и изменение его геометрических размеров. В связи с этим использование стандартной двухмодульной конструкции КПУ в мощных магнетронах с импульсной мощностью более 50 кВт может не обеспечить необходимую долговечность.
Для создания современных быстродействующих комплексов, предназначенных для локации и сопровождения высокоскоростных объектов (ракет, самолетов, беспилотников и др.) с большим радиусом действия, необходимы генераторы СВЧ-колебаний с совершенно новыми тактико-техническими характеристиками, в частности малогабаритные магнетроны с мгновенной готовностью с импульсной мощностью в несколько сотен киловатт. Время готовности серийно выпускаемых мощных магнетронов, в которых используются одномодульные КПУ (накаливаемые магнетроны), составляет 3–5 мин и более. Поэтому задача по созданию магнетронов с мгновенной готовностью с выходной мощностью более 100–150 кВт чрезвычайно актуальна и востребована. Однако стандартный подход к решению этой задачи за счет конструирования нового типа прибора или усовершенствования конструкций действующих магнетронов слишком трудоемок и дорог.
Исследования, выполненные в последние годы сотрудниками Технического Центра "Базовые технологии ЭВП" АО "Плутон", показали, что подобная задача, впервые в мировой практике, может быть успешно решена в результате использования в серийно выпускаемых мощных магнетронов с накаливаемым катодом, уникальным по своей сути, конструкции катодного узла – трехмодульного КПУ, работа которого основана на сочетании трех видов эмиссии: термоэмиссионной; автоэлектронной и вторично-эмиссионной. Для трехмодульной конструкции КПУ введены следующие определения: АЭК – первый модуль; активатор АЭК – второй модуль и ВЭК – третий модуль. Принципиальной особенностью трехмодульного КПУ (рис.1b) является разделение катода на два функциональных элемента, каждый из которых выполняет вполне определенную, конкретную роль. Одним из элементов конструкции КПУ является автоэмиссионный блок (рис.1c), состоящий из автоэлектронного катода, по обе стороны которого симметрично размещены активаторы АЭК, а вторым функциональным элементом является высокоэффективный вторично-эмиссионный катод. При этом АЭБ служит источником первичных электронов, инициирующих начало генерации магнетрона, а ВЭК, благодаря своим свойствам, обеспечивает поддержание режима генерации на протяжении всего срока службы прибора. Автоэлектронный катод выполнен из танталовой фольги, а активаторы изготавливаются, например, прессованием и спеканием порошка палладия или смеси порошков палладия с фазой Pd5Ba. В качестве ВЭК могут быть использованы различные типы эффективных катодов, имеющих высокую формоустойчивость, стабильные термо- и вторично-эмиссионные свойства с σмах ≥ 2,5 – 3,0, достаточную устойчивость к воздействию обратной электронной бомбардировки, диапазон рабочей температуры в пределах 900–1050 °С и др. Предложенная конструкция трехмодульного КПУ состоит из чередующихся автоэмиссионных блоков и вторично-эмиссионных катодов, причем оптимальное расстояние между АЭБ должно быть в пределах 0,5…1,0 мм.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АЭБ
Стабильность работы автоэмиссионного блока основана на эмиссии электронов с активированными кристаллитами окиси бария палладиевых вискеров, сформированных на торцевой поверхности АЭК в результате специального активирования КПУ в электрическом поле [5–10].
Исследования, выполненные в макетах магнетронов и в приборах электронной микроскопии, подтвердили, что ток автоэлектронной эмиссии преимущественно формируется за счет тока эмиссии с палладиевых вискеров, образующихся на торцевой поверхности АЭК во время активирования КПУ. На рис.2 приведена микрофотография структуры вискеров на поверхности АЭК, а на рис.3 – распределение интенсивности сигналов тантала, бария и палладия на торцевой поверхности, полученное методом рентгенофлуоресцентного анализа при различных значениях энергии электронов зондирующего пучка. С увеличением энергии зондирующих электронов возрастает интенсивность сигнала тантала с одновременным уменьшением сигнала палладия и бария, что свидетельствует о палладиевой природе вискеров.
Оценка эмиссионной способности АЭБ проводилась с помощью специального импульсного высоковольтного источника питания, работающего в следующих режимах: амплитудное значение Uа = 5,0 кВ; скважность Q = 1000; скорость линейной развертки высоковольтного напряжения 200 В/с; длительность импульса напряжения дискретная: t = 0,5; 1; 6 мкс.
Измерение тока автоэлектронной эмиссии проводилось с использованием электрической схемы (установки), показанной на рис.4, а типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) магнетрона приведена на рис.5.
Оценка стабильности автоэмиссионных свойств трехмодульного КПУ проводилась измерением величины спада тока эмиссии при фиксированном напряжении, например, при Uа = 4,5 кВ (рис.6).
На рис.7 приведены графики скорости спада тока эмиссии трехмодульного (1) и двухмодульного КПУ (2).
Из анализа характеристик, приведенных на рис.6 и 7, следует, что трехмодульные КПУ в сравнении с двухмодульными узлами имеют явное преимущество. В частности, при прочих равных условиях, скорость спада тока автоэлектронной эмиссии у трехмодульного КПУ происходит в шесть раз медленнее, чем у двухмодульного, а уровень тока автоэлектронной эмиссии в характеристической точке у этого узла более чем в два раза превосходит аналогичный параметр у своего визави.
ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ КАТОД
В качестве ВЭК в трехмодульных КПУ, помимо палладий-бариевых катодов, могут быть использованы платина-бариевые катоды, металлопористые пропитанные или прессованные вольфрам-алюминатные катоды (МПК), аналогичные катоды, обработанные импульсными потоками плазмы, прессованные оксидно-никелевые катоды (ПОНК) с агломерированным эмиссионно-активным компонентом [6], технология изготовления которых не предусматривает использование связующих на основе органических соединений и др.
При этом, следует отметить, что если у стандартного двухмодульного КПУ с палладий-бариевым ВЭК предельно допустимая температура не превышает 950–970 °С, то у трехмодульного КПУ температура может быть увеличена до 1050–1070 °С. Это объясняется тем, что у трехмодульного КПУ в качестве материала вторично-эмиссионного катода используются соединения, обладающие высокой формоустойчивостью, а изменение геометрических размеров активатора, вплоть до 5–7%, не влечет за собой ухудшения электрических параметров магнетронов. Это важнейшее свойство трехмодульных КПУ позволяет проводить полноценное активирование катодных узлов, в которых в качестве третьего модуля используются МПК, ПОНК или другие типы ВЭК.
АПРОБАЦИЯ ТРЕХМОДУЛЬНЫХ КПУ В МАГНЕТРОНАХ
Технология изготовления компонентов и порядок сборки трехмодульного КПУ для различных типов магнетронов являются стандартными.
Для исследовательских работ было изготовлено два прибора 2–3-см диапазонов длин волн на основе безнакального магнетрона со стандартным двухмодульным КПУ с номинальной импульсной мощностью 7,5–8,0 кВт. В качестве АЭК использовали шайбы из танталовой фольги стандартной толщины, а активаторы толщиной 0,2 мм были изготовлены методами порошковой технологии из смеси порошков палладия и фазы Pd5Ba с концентрацией Ba ~ 2% вес. Вторично-эмиссионный модуль катода был изготовлен из пористого вольфрама с пористостью 28±1%, пропитанного алюминатом состава 3BaO · 0,5CaO · Al2O3, полученным методом совместного осаждения. В результате испытания приборов на соответствие требованиям приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) получены следующие результаты: импульсная мощность 9,5 кВт (у первого прибора) и 9,7 кВт (у второго прибора), флуктуации СВЧ-колебаний – менее 1%. Полученные параметры приборов полностью соответствуют требованиям ПСИ.
Для оценки возможности создания мощных магнетронов с безнакальным запуском был изготовлен экспериментальный прибор на основе накаливаемого магнетрона с металлопористым одномодульным катодом с номинальной импульсной мощностью 110–150 кВт, в котором накаливаемый МПК был заменен на трехмодульный КПУ. В этом узле использовались активаторы из сплава ПдБ-2. В качестве ВЭК также использовались металлопористые вольфрам-алюминатные эмиттеры. При исследовании электрических параметров были получены следующие результаты: время готовности менее 0,5 с; импульсная мощность Р = 65–70 кВт; полное отсутствие двоений спектра СВЧ-колебаний; безнакальный запуск прибора в режим генерации на холоде при температуре Т = 60 °С.
При увеличении анодного напряжения до номинального значения импульсная мощность увеличилась до 140 кВт, однако при этом появились двоения спектра СВЧ-колебаний. Причиной этого нежелательного фактора являлась недостаточная температура катода, нагрев которого, при отсутствии накала подогревателя, обеспечивается только лишь его бомбардировкой обратными электронами. На основании анализа конструкции и технологии изготовления КПУ эту проблему можно разрешить, например, путем снижения тепловых потерь за счет введения тепловых развязок на керне катода, или замены МПК на высокоэффективный прессованный агломерированный оксидно-никелевый катод.
ВЫВОДЫ
Полученные результаты подтвердили принципиальную возможность создания линейки малогабаритных магнетронов с безнакальным запуском с широким диапазоном импульсной мощности (от десятков до нескольких сотен кВт) без какой-либо существенной переработки или модернизации конструкции приборов путем замены использующихся в магнетронах катодно-подогревательных узлов на трехмодульные КПУ с определенным подбором модулей.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Ли И.П., Дюбуа Б.Ч., Каширина Н.В., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д., Зыбин М.Н. Магнетрон с безнакальным катодом: Патент РФ № 2380784 // Приоритет от 24 октября 2008 г.
Ли И.П., Поливникова О.В. Прессованный металлосплавной палладий-бариевый катод. Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Вып. 1 (512). 2012. С. 21–24.
Ли И.П. Особенности создания источников электронов магнетронных приборов с мгновенным временем готовности для современных электронных систем. Электромагнитные волны и электронные системы. 2020. Т. 25. № 3. С. 14–19.
Ли И.П., Петров В.С., Поляков В.С., Силаев А.Д., Харитонова Н.Е., Минин А.А., Гайдар А.И. Одновременное активирование автоэлектронного и вторично-эмиссионного катодов магнетрона с безнакальным запуском. Известия вузов. Электроника. № 3 (107). 2014. С. 3037.
Ли И.П. Наноструктуры в палладий – бариевых катодах СВЧ приборов. Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. № 5. 2018. С. 144–151.
Леденцова Н.Е., Ли И.П. Исследование возможности создания прессованных оксидно-никелевых катодов для магнетронов сантиметрового диапазона длин волн. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Материалы Международной научно-технической конференции "Intermatic-2014". М.: МГТУ МИРЭА, 2014, ч. 3. С. 156–158.
Научная статья
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТРеХМОДУЛЬНЫХ КПУ МАГНЕТРОНОВ С МГНОВЕННОЙ ГОТОВНОСТЬЮ
И.П.Ли,1, 2, д.т.н., зам. генерального директора
В.И.Капустин1, д.ф.-м.н., проф., / kapustin@mirea.ru
Н.Е.Леденцова1, к.т.н., начальник лаборатории, ORCID: 0000-0002-7859-2048
А.В.Шуманов1, директор, ORCID: 0000-0002-6284-2700
Аннотация. Использование в магнетронах с мгновенной готовностью трехмодульных катодно-подогревательных узлов (КПУ), состоящих из чередующихся вторично-эмиссионных катодов (ВЭК) и автоэмиссионных блоков (АЭБ), позволяет повысить стабильность и воспроизводимость электрических параметров приборов. Подобная конструкция КПУ может быть успешно использована при проектировании и производстве магнетронов с безнакальным запуском с импульсной мощностью до нескольких сотен кВт, что в десятки раз превышает мощность серийно выпускаемых магнетронов с безнакальным запуском.
Ключевые слова: катодно-подогревательный узел, термоэлектронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия, вторично-электронная эмиссия, вискеры, кристаллиты окиси бария, металлопористые катоды, оксидно-никелевые катоды
Для цитирования: И.П. Ли, В.И. Капустин, Н.Е. Леденцова, А.В. Шуманов. Особенности конструкции трехмодульных КПУ магнетронов с мгновенной готовностью. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7-8. С. 434–441. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
Received: 15.09.2022 | Accepted: 24.09.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
Original paper
DESIGN FEATURES OF THREE-MODULE CATHODE HEATING UNITS IN THE INSTANTANEOUSLY READY MAGNETRONS
I.P.Li,1, 2, Doct. of Sci. (Tech), Deputy Director of TC "Basic EVD technologies"
V.I.Kapustin1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Chief specialist / kapustin@mirea.ru
N.E.Ledentsova1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-7859-2048
A.V.Shumanov1, Director, ORCID: 0000-0002-6284-2700
Abstract. The use of three-module cathode heating units in the instantaneously ready magnetrons makes it possible to increase stability and reproducibility of the electrical parameters of devices. Such design of the cathode heating units can be successfully used in production of magnetrons with a non-heating start having a pulse power up to several hundred kilowatts.
Keywords: cathode heating unit, thermoelectronic emission, autoelectronic emission, secondary electron emission, whiskers, barium oxide crystallites, metal-porous cathodes, nickel-oxide cathodes
For citation: I.P. Li, V.I. Kapustin, N.E. Ledentsova, A.V. Shumanov. Design features of three-module cathode heating units in the instantaneously ready magnetrons. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7-8. PP. 434–441. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.434.441
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Выпускаемые в настоящее время магнетроны с мгновенной готовностью отличаются сравнительно низкой, не более 20–25 кВт, импульсной мощностью генерируемых СВЧ-колебаний. В этих приборах используются стандартные двухмодульные катодные узлы (рис.1a), состоящие из чередующихся автоэлектронных и вторично-эмиссионных катодов [1–4].
Автоэлектронные катоды, ответственные за инициирование начала генерации, представляют собой шайбы из танталовой фольги. В качестве ВЭК в этих узлах применяются прессованные палладий-бариевые катоды, которые наряду со своим основным предназначением должны обеспечивать непрерывное, от импульса к импульсу, активирование автоэлектронных катодов. В магнетронах с подобной конструкцией КПУ вторично-эмиссионный катод подвергается бомбардировке обратными электронами, в результате чего могут происходить необратимые изменения как структуры, так и состава приповерхностного слоя эмитирующей поверхности, обуславливающие в совокупности деградацию эмиссионных свойств. Кроме этого, если энергия бомбардирующих электронов достаточно высока, то возможен перегрев катода и изменение его геометрических размеров. В связи с этим использование стандартной двухмодульной конструкции КПУ в мощных магнетронах с импульсной мощностью более 50 кВт может не обеспечить необходимую долговечность.
Для создания современных быстродействующих комплексов, предназначенных для локации и сопровождения высокоскоростных объектов (ракет, самолетов, беспилотников и др.) с большим радиусом действия, необходимы генераторы СВЧ-колебаний с совершенно новыми тактико-техническими характеристиками, в частности малогабаритные магнетроны с мгновенной готовностью с импульсной мощностью в несколько сотен киловатт. Время готовности серийно выпускаемых мощных магнетронов, в которых используются одномодульные КПУ (накаливаемые магнетроны), составляет 3–5 мин и более. Поэтому задача по созданию магнетронов с мгновенной готовностью с выходной мощностью более 100–150 кВт чрезвычайно актуальна и востребована. Однако стандартный подход к решению этой задачи за счет конструирования нового типа прибора или усовершенствования конструкций действующих магнетронов слишком трудоемок и дорог.
Исследования, выполненные в последние годы сотрудниками Технического Центра "Базовые технологии ЭВП" АО "Плутон", показали, что подобная задача, впервые в мировой практике, может быть успешно решена в результате использования в серийно выпускаемых мощных магнетронов с накаливаемым катодом, уникальным по своей сути, конструкции катодного узла – трехмодульного КПУ, работа которого основана на сочетании трех видов эмиссии: термоэмиссионной; автоэлектронной и вторично-эмиссионной. Для трехмодульной конструкции КПУ введены следующие определения: АЭК – первый модуль; активатор АЭК – второй модуль и ВЭК – третий модуль. Принципиальной особенностью трехмодульного КПУ (рис.1b) является разделение катода на два функциональных элемента, каждый из которых выполняет вполне определенную, конкретную роль. Одним из элементов конструкции КПУ является автоэмиссионный блок (рис.1c), состоящий из автоэлектронного катода, по обе стороны которого симметрично размещены активаторы АЭК, а вторым функциональным элементом является высокоэффективный вторично-эмиссионный катод. При этом АЭБ служит источником первичных электронов, инициирующих начало генерации магнетрона, а ВЭК, благодаря своим свойствам, обеспечивает поддержание режима генерации на протяжении всего срока службы прибора. Автоэлектронный катод выполнен из танталовой фольги, а активаторы изготавливаются, например, прессованием и спеканием порошка палладия или смеси порошков палладия с фазой Pd5Ba. В качестве ВЭК могут быть использованы различные типы эффективных катодов, имеющих высокую формоустойчивость, стабильные термо- и вторично-эмиссионные свойства с σмах ≥ 2,5 – 3,0, достаточную устойчивость к воздействию обратной электронной бомбардировки, диапазон рабочей температуры в пределах 900–1050 °С и др. Предложенная конструкция трехмодульного КПУ состоит из чередующихся автоэмиссионных блоков и вторично-эмиссионных катодов, причем оптимальное расстояние между АЭБ должно быть в пределах 0,5…1,0 мм.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АЭБ
Стабильность работы автоэмиссионного блока основана на эмиссии электронов с активированными кристаллитами окиси бария палладиевых вискеров, сформированных на торцевой поверхности АЭК в результате специального активирования КПУ в электрическом поле [5–10].
Исследования, выполненные в макетах магнетронов и в приборах электронной микроскопии, подтвердили, что ток автоэлектронной эмиссии преимущественно формируется за счет тока эмиссии с палладиевых вискеров, образующихся на торцевой поверхности АЭК во время активирования КПУ. На рис.2 приведена микрофотография структуры вискеров на поверхности АЭК, а на рис.3 – распределение интенсивности сигналов тантала, бария и палладия на торцевой поверхности, полученное методом рентгенофлуоресцентного анализа при различных значениях энергии электронов зондирующего пучка. С увеличением энергии зондирующих электронов возрастает интенсивность сигнала тантала с одновременным уменьшением сигнала палладия и бария, что свидетельствует о палладиевой природе вискеров.
Оценка эмиссионной способности АЭБ проводилась с помощью специального импульсного высоковольтного источника питания, работающего в следующих режимах: амплитудное значение Uа = 5,0 кВ; скважность Q = 1000; скорость линейной развертки высоковольтного напряжения 200 В/с; длительность импульса напряжения дискретная: t = 0,5; 1; 6 мкс.
Измерение тока автоэлектронной эмиссии проводилось с использованием электрической схемы (установки), показанной на рис.4, а типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) магнетрона приведена на рис.5.
Оценка стабильности автоэмиссионных свойств трехмодульного КПУ проводилась измерением величины спада тока эмиссии при фиксированном напряжении, например, при Uа = 4,5 кВ (рис.6).
На рис.7 приведены графики скорости спада тока эмиссии трехмодульного (1) и двухмодульного КПУ (2).
Из анализа характеристик, приведенных на рис.6 и 7, следует, что трехмодульные КПУ в сравнении с двухмодульными узлами имеют явное преимущество. В частности, при прочих равных условиях, скорость спада тока автоэлектронной эмиссии у трехмодульного КПУ происходит в шесть раз медленнее, чем у двухмодульного, а уровень тока автоэлектронной эмиссии в характеристической точке у этого узла более чем в два раза превосходит аналогичный параметр у своего визави.
ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ КАТОД
В качестве ВЭК в трехмодульных КПУ, помимо палладий-бариевых катодов, могут быть использованы платина-бариевые катоды, металлопористые пропитанные или прессованные вольфрам-алюминатные катоды (МПК), аналогичные катоды, обработанные импульсными потоками плазмы, прессованные оксидно-никелевые катоды (ПОНК) с агломерированным эмиссионно-активным компонентом [6], технология изготовления которых не предусматривает использование связующих на основе органических соединений и др.
При этом, следует отметить, что если у стандартного двухмодульного КПУ с палладий-бариевым ВЭК предельно допустимая температура не превышает 950–970 °С, то у трехмодульного КПУ температура может быть увеличена до 1050–1070 °С. Это объясняется тем, что у трехмодульного КПУ в качестве материала вторично-эмиссионного катода используются соединения, обладающие высокой формоустойчивостью, а изменение геометрических размеров активатора, вплоть до 5–7%, не влечет за собой ухудшения электрических параметров магнетронов. Это важнейшее свойство трехмодульных КПУ позволяет проводить полноценное активирование катодных узлов, в которых в качестве третьего модуля используются МПК, ПОНК или другие типы ВЭК.
АПРОБАЦИЯ ТРЕХМОДУЛЬНЫХ КПУ В МАГНЕТРОНАХ
Технология изготовления компонентов и порядок сборки трехмодульного КПУ для различных типов магнетронов являются стандартными.
Для исследовательских работ было изготовлено два прибора 2–3-см диапазонов длин волн на основе безнакального магнетрона со стандартным двухмодульным КПУ с номинальной импульсной мощностью 7,5–8,0 кВт. В качестве АЭК использовали шайбы из танталовой фольги стандартной толщины, а активаторы толщиной 0,2 мм были изготовлены методами порошковой технологии из смеси порошков палладия и фазы Pd5Ba с концентрацией Ba ~ 2% вес. Вторично-эмиссионный модуль катода был изготовлен из пористого вольфрама с пористостью 28±1%, пропитанного алюминатом состава 3BaO · 0,5CaO · Al2O3, полученным методом совместного осаждения. В результате испытания приборов на соответствие требованиям приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) получены следующие результаты: импульсная мощность 9,5 кВт (у первого прибора) и 9,7 кВт (у второго прибора), флуктуации СВЧ-колебаний – менее 1%. Полученные параметры приборов полностью соответствуют требованиям ПСИ.
Для оценки возможности создания мощных магнетронов с безнакальным запуском был изготовлен экспериментальный прибор на основе накаливаемого магнетрона с металлопористым одномодульным катодом с номинальной импульсной мощностью 110–150 кВт, в котором накаливаемый МПК был заменен на трехмодульный КПУ. В этом узле использовались активаторы из сплава ПдБ-2. В качестве ВЭК также использовались металлопористые вольфрам-алюминатные эмиттеры. При исследовании электрических параметров были получены следующие результаты: время готовности менее 0,5 с; импульсная мощность Р = 65–70 кВт; полное отсутствие двоений спектра СВЧ-колебаний; безнакальный запуск прибора в режим генерации на холоде при температуре Т = 60 °С.
При увеличении анодного напряжения до номинального значения импульсная мощность увеличилась до 140 кВт, однако при этом появились двоения спектра СВЧ-колебаний. Причиной этого нежелательного фактора являлась недостаточная температура катода, нагрев которого, при отсутствии накала подогревателя, обеспечивается только лишь его бомбардировкой обратными электронами. На основании анализа конструкции и технологии изготовления КПУ эту проблему можно разрешить, например, путем снижения тепловых потерь за счет введения тепловых развязок на керне катода, или замены МПК на высокоэффективный прессованный агломерированный оксидно-никелевый катод.
ВЫВОДЫ
Полученные результаты подтвердили принципиальную возможность создания линейки малогабаритных магнетронов с безнакальным запуском с широким диапазоном импульсной мощности (от десятков до нескольких сотен кВт) без какой-либо существенной переработки или модернизации конструкции приборов путем замены использующихся в магнетронах катодно-подогревательных узлов на трехмодульные КПУ с определенным подбором модулей.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Ли И.П., Дюбуа Б.Ч., Каширина Н.В., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д., Зыбин М.Н. Магнетрон с безнакальным катодом: Патент РФ № 2380784 // Приоритет от 24 октября 2008 г.
Ли И.П., Поливникова О.В. Прессованный металлосплавной палладий-бариевый катод. Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Вып. 1 (512). 2012. С. 21–24.
Ли И.П. Особенности создания источников электронов магнетронных приборов с мгновенным временем готовности для современных электронных систем. Электромагнитные волны и электронные системы. 2020. Т. 25. № 3. С. 14–19.
Ли И.П., Петров В.С., Поляков В.С., Силаев А.Д., Харитонова Н.Е., Минин А.А., Гайдар А.И. Одновременное активирование автоэлектронного и вторично-эмиссионного катодов магнетрона с безнакальным запуском. Известия вузов. Электроника. № 3 (107). 2014. С. 3037.
Ли И.П. Наноструктуры в палладий – бариевых катодах СВЧ приборов. Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. № 5. 2018. С. 144–151.
Леденцова Н.Е., Ли И.П. Исследование возможности создания прессованных оксидно-никелевых катодов для магнетронов сантиметрового диапазона длин волн. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Материалы Международной научно-технической конференции "Intermatic-2014". М.: МГТУ МИРЭА, 2014, ч. 3. С. 156–158.
Отзывы читателей
