МАГНЕТРОН НА ЧАСТОТУ 95 ГГц С РЕСУРСОМ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВЫШЕ 10000 ЧАСОВ

March 24, 2012 by admin Комментировать »

Науменко В. Д., Суворов А. Н. Радиоастрономический институт НАН Украины Тел.: +38(0572) 448312, факс: +38(0572) 448327, E-mail: naumenko@rian.kharkov.ua

Аннотация – Рассмотрены проблемы, возникающие при разработке долговечных магнетронов имеющих основной холодный вторично-эмиссионный катод и вспомогательный импрегнированныйс термокатод для возбуждения вторичной эмиссии.

I.  Введение

Использование холодных вторично-эмиссионных катодов в магнетронах представляется одним из перспективных направлений развития этого класса приборов. Для "поджига", т.е. возбуждения процесса вторичной эмиссии в таких магнетронах предложены различные способы. Наиболее простым и широко применяемым для этой цели средством является вспомогательный термокатод.

Считается, что магнетроны с вторично-эмис- сионными катодами будут иметь очень большую долговечность, если использовать в качестве материала катода чистый металл, например платину [1]. Однако в литературе практически нет сведений о реальной долговечности приборов М-типа с такими катодами. В тоже время имеются некоторые основания сомневаться в однозначной справедливости такого утверждения. Особенно это касается магнетронов, имеющих вспомогательный термокатод. В этом случае долговечность магнетрона может быть ограничена, в первую очередь, долговечностью вспомогательного катода. Однако и вторично – эмиссионный катод также може изменить свои параметры в условиях интенсивной электронной и, особенно, ионной бомбардироки

[2]    . Кроме того, возможно появление нестабильности свойств этого катода из-за напыления на его поверхность продуктов испарения с термокатода [3].

II.  Основная часть

Проведенные за последние несколько лет испытания магнетронов такой конструкции на срок службы показали, что эти явления действительно имеют место. В частности выяснилось, что после длительной работы полированная поверхность платинового вто- рично-эмиссионного катода становится матовой, а ближайшая к термокатоду часть покрывается налетом в состав которого входят, в основном, компоненты активного вещества катода [4

Необходимым условием длительной работы термокатода, является низкая рабочая температура. Если в магнетроне используется термокатод в виде диска расположенного на месте одного из концевых экранов, то по нашим данным уверенное возбуждение вторичной эмиссии достигается при начальном токе, составляющем 1…2 % от рабочего. При этом плотность тока на поверхности вспомогательного катода оказывается на уровне 2…5 А/см2, а рабочая температура обычного импрегнированного катода составляет 950… 1000 °С. Однако при характерных для импульсных магнетронов высоких анодных напряжениях оказывается, как правило, что нужную плотность тока можно получить лишь в режиме ограничения эмиссии температурой.

Как известно, эмиссионная способность катода зависит от большого количества факторов. Особенно это характерно для магнетронов, где кроме всего прочего катод подвержен интенсивной электроннной и ионной бомбардировке. Обычно катоды электровак- кумных приборов работают в режиме ограничения пространственным зарядом. При этом существенно ослабляется влияние изменения эмиссионой способности катода на выходные характеристики прибора. В нашем случае изменение эмиссионной способности катода приводит к немедленному изменению первичного.тока. Хотя практически весь рабочий ток обеспечивается за счет вторично-эмиссионного катода, однако нестабильность первичного тока приводит к нестабильности положения переднего фронта выходного импульса или даже к полному прекращению генерации.

Попытки работать при температуре катода выше необходимой, чтобы иметь запас по эмиссионной способности катода приводят не только к сокращению долговечности термокатода, но и увеличивает напыление продуктов испарения катода на поверхности, окружающие пространство взаимодействия магнетрона. Опыт показывает, что напыление на поверхность анода сравнительно невелико и мало сказывается на работе магнетрона. В тоже время напыление бария на поверхность платинового покрытия основного вторич- но-эмиссиононого катода приводит к снижению коэффициента вторичной эмииссии вплоть до значений меньших единицы. Физически это проявляется в невозможности возбудить вторичную эмиссию при любых значениях первичного тока. Напыление оксидов обладающих диэлектрическими свойствами приводит к размытию огибающей СВЧ импульса вызванной нестабильностью анодного тока.

Таким образом, при использовании термокатода в качесве стартового сталкиваемся с рядом проблем, настолько серьезных, что возникает вопрос о целесообразности использования такой схемы построения магнетронов. На наш взгляд эти трудности можно все-таки преодолеть, используя, в частности, следующие подходы:

Улучшение вакуумного состояния. Это позволяет улучшить стабильность работы магнетрона как за счет устранения явлений отравления катода остаточными газами, так и за счет уменьшения уровня ионной бомбардировки.

Выбор типа катода. Хотя в настоящее время в качестве стартовых в магнетронах чаще всего применяются импрегнированные катоды, возможно более целесообразно было бы применить другие типы катодов например борид-лантановые или сплавные. К сожалению, эти катоды имеют более высокую рабочую температуру, что снижает надежность подогревателя.

Использование автоматической системы регулировки накала поддерживающей его на минимально необходимом уровне. В качестве критерия при этом могут быть использованы, например, величина среднего анодного тока или отсутствие пропусков импульсов. При современной элементной базе такая система может быть достаточно компактной и надежной.

Попытка реализации этих подходов была предпринята нами при разработке экспериментального магнетрона на длину волны 3 мм для РЛС с высоким разрешением [5, 6].

Этот магнетрон имел симметроичный анодный блок с числом резонаторов N=24 и работал в режиме взаимодейсвия электронного потока с -1й пространственной гармоникой вида N/4-2. Магнетрон имел основной холодный платиновый катод и стартовый термокатод. Термокатод имел форму диска и располагался на месте одного из концевых экранов. С целью понижения рабочей температуры в этом магнетроне использоватся импрегнированный катод с пленкой осмия.

Для поддержания высокого вакуума, эти приборы были снабжены миниатюрным магниторазрядным насосом. Кроме того, после обезгаживания в печи приборы подвергались длительной динамической тренироке в режимах более жестких, чем при работе в аппаратуре. При этом осуществлялась непрерывная откачка титановым испарительным насосом, который после завершения тренировки отделялся от магнетрона.

Предварительные испытания показали, что рабочая температура осмированных катодов оказалась примерно на 50°С ниже чем обычных, что несомненное сказалось в дальнейшем на их долговечности. К сожалению, использование осмированных катодов повлекло и негативные последствия. У приборов с такими катодами существенно возросла зависимость выходной мощности от мощности накала. Видимо это связано с более высоким КВЭЭ осмированных катодов. Электроны инжектированные в пространство взаимодействия магнетрона с большой аксиальной составляющей скорости могут, при определенных условиях, отбирать энергию от высокочастотного поля и возвращаться на боковой катод выбивая все новые вторичные электроны. При повышении температуре вспомогательного катода в пространство взаимодействия инжектируется больший ток. Это приводит к снижению эффективности процесса взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем, так как траектории электронов, вылетающих с бокового вспомогательного катода существенно отличаются от траекторий электронов эмитируемых основным вто- рично-эмиссионным катодом.

Кроме того, уменьшение мощности накала вызванное понижением рабочей температуры привело к тому, что она стала сравнимой с мощностью обратной бомбардировки. Вследствие этого появилась необходимость корректировать мощность накала при изменении режима работы магнетрона.

Были проведены испытания таких магнетронов с целью определения ресурса долговечности. В процессе испытаний анодное напряжение поддерживалось неизменным, а мощность накала минимально необходимой для стабильной работы прибора. Магниторазрядный насос оставался включенным на протяжении всего времени испытаний, однако ток его не контролировался.

Из поставленных на испытания трех приборов все три отработали по 5000 часов при длительности импульса 20 не, частоте повторения 20 кГц и выходной импульсной мощности около 1 кВт. В процессе работы у двух магнетронов нарушалась центровка, основного катода и ее приходилось восстанавливать. По этой причине эти приборы были сняты с дальнейших испытаний. Испытания третьего прибора были продолжены в более жестком режиме. Длительность импульса была увеличена до 30 не, а выходная мощность до 1,5 кВт. В таком режиме магнетрон отработал еще 5000 часов и остался вполне работоспособным. На рис.1 приведена зависимость мощности, а на рис. 2 частоты от времени наработки. Из первого рисунка видно, что на первом этапе испытаний мощность монотонно уменьшалась, а на втором, сначала возрастала, а затем тоже стала уменьшаться.

Рис. 2. Зависимость частоты генерации от времени наработки.

Fig. 2. Operation frequency versus operating time

Монотонное изменение частоты, по-видимому, связано с напылением на резонаторную систему продуктов испарения вспомогательного катода и, как видно из рисунка, за 10000 ч не превысило 100 МГц. Эти, очень хорошие для Змм диапазона результаты были бы невозможны без применения холодного вторичноэмиссионного катода.

При длительных испытаниях в полной мере проявились недостатки обусловленные работой вспомогательного катода в режиме ограничения эмиссии температурой. Они проявлялись, главным образом, в

необходимости время от времени корректировать мощность накала этого катода. Даже сравнительно небольшие, в пределах 3-5 градусов, изменения температуры в помещении, где проводились испытания через несколько десятков или сотен часов приводили к заметному изменению эмиссионной способности катода, требующей корректировки напряжения накала. В противном случае при понижении эмиссии происходил срыв анодного тока, а при ее увеличении снижалась выходная мощность. В связи с этим, была предпринята попытка использовать систему автоматического регулирования мощности накала, поддерживавшей средний анодный ток в заданных пределах. При выходе величины среднего тока за пределы заданного коридора она осуществляла автоматический выбор нужной величины мощности накала. К сожалению, эта система оказалась недостаточно надежной и универсальной. Кроме того, при каждой переустановке мощности накала магнетрон на несколько минут выходил из режима генерации, что существенно сужает область применения таких магнетронов.

III.  Заключение

Полученные результаты показывают, что проблема создания импульсных магнетронов с долговечностью 10000 и более часов в коротковолновой части миллиметрового диапазона вполне разрешима. Основные трудности, возникающие при этом, связаны с нестабильностью эмиссии стартового катода, работающего в режиме температурного ограничения. При использовании дискового импрегнированного катода с пленкой осмия расположенного на месте одного из концевых экранов возникает необходимость частой корректировки напряжения накала, что делает такие магнетроны малопригодными для практических применений. Трудности, связанные с использованием термокатодов для "поджига" магнетронов с вторичноэмиссионным катодом, оставляют актуальным поиск альтернативных вариантов.

IV. Список литературы

[1]    Сковрон. Усилитель М-типа с распределенной эмиссией. В сб. "Мощные электровакуумные приборы СВЧ": Под ред. Л. Клэмпитта. Перев. с англ. М., Мир, 1974.

[2]    К. П. Редега, Д. И. Ширяева, Г. Ф. Лоренц. Изменение структуры поверхности кеатодов в процессе длительной эксплуатации. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, №2, 1988.

[3]    Воронин В. И. Вторичная электронная эмиссия Pt, Pd, Ge и сплавов Pt-C, Pd-C, и Ni-C в потоке бария. Элек- троння техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1969, №8,

[4]    С. В. Гоицаенко, А. Н. Суворов, В. В. Бобков,

Р. И. Старовойтов. Процессы на поверхности вторич- но-эмиссионного катода магнетрона миллиметрового дапазона // Материалы 16-й международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью". Москва, 2003, 25-29 августа 2003 г. Т. 2, С. 350-353.

[5]    А. Е. Моисеенко, В. Д. Науменко, А. Н. Суворов,

А. Р. Сыров. Импульсный 3 мм магнетрон с большим сроком службы. Радиофизика и радиоастрономия,

2002,          т. 8, №4.

95 GHz MAGNETRON WITH THE MEAN LIFE OVER 10,000 HOURS

Naumenko V. D., Suvorov О. М., Grytsayenko S. V. Institute of Radio Astronomy,

National Academy of Sciences of Ukraine Phone: +38 (057) 7448312, Fax: +38 (057) 7448327 E-mail: naumenko@rian.kharkov.ua

Abstract – Reviewed in this paper are the problems arising during elaboration of durable magnetron with main secondary- emissive cathode and auxiliary impregnated thermionic cathode for starting of seconary electron emission.

I.  Introduction

Auxiliary thermionic cathodes are often used for a drive of magnetrons with secondary-emissive cathodes. It is considered that magnetrons with secondary-emissive cathode would have greater lifetime if a pure metal, for example platinum, is used as the cathode material. However, in the literature any information about the real lifetime of M-type devices with a platinum main cathode and an auxiliary thermionic one is practically absent. At the same time a deposition of evaporation products from the auxiliary cathode is possible in such magnetrons, that can result in a change of its characteristics.

II.  Main part

Tests of the experimental device on 94 GHz have been performed for ascertaining of the mean life of such magnetrons. The magnetron had a secondary-emissive main cathode in the interaction space and a disk auxiliary cathode placed near its butt-end. The main cathode was a platinum foil soldered on the copper core. The auxiliary cathode was impregnated type with deposited osmium film. The interaction with -1st harmonic of oscillation mode with N/4-2 number was used.

At the first stage the magnetron was tested in the operating mode with a pulse duration of 20 ns, a repetition frequency of 20 kHz, at an output power of about 1 kW. In such an operating mode the magnetron had worked 5,000 hours. Then the output power was increased to 1.5 kW, and the pulse duration – to 30 ns. After that the magnetron have again worked 5,000 hours and have remained quite efficient.

The changes of the output power are depicted in Fig. 1, and the changes of the generated oscillation frequency – in Fig. 2.

The tests have clarified that, if a heating power of the auxiliary cathode is keeping at a minimum level which necessary for the stable magnetron operating, a problem of evaporation products from the auxiliary cathode deposit on the anode and on the main cathode does not arise.

At the same time serious difficulties connected with instability of auxiliary cathode emission, when it working in a temperature limitation mode have been found. Even little temperature changes for lengthy period had result in the noticeable change of the emission ability of the cathode, that caused a necessity of a periodical regulation of the heating voltage.

III.  Conclusion

The obtained result showed that the problem of elaboration of pulse magnetrons with the mean life 10,000 and more hours in the short-wavelength region of the millimeter band can be completely solved. Main difficulties arising in that case are conditioned by an instability of an emission of the starting cathode, which is working in the temperature limitation mode.

When using the disk impregnated cathode with the osmium film mounted in the place of one of the end screens the necessity of frequent correction of the heating voltage arises, that makes such magnetrons of little use for the practical applications.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты