ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ РАБОТЫ КАТОДА В МАГНЕТРОНЕ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

April 14, 2012 by admin Комментировать »

Гурко А. А. Открытое акционерное общество «Плутон» 11,           ул. Ново-Сыромятническая, Москва, 105120, Россия Тел:. 916-87-57, Факс:916-19-20 Марин В. П. Центр по исследованию материалов и технологий 4, ул. Мосфильмовская, Москва, 119285, Россия Тел.: 143-67-77Факс:143-06-45, E-mail: atom@gol.ru

Аннотация – Приведены экспериментальные результаты повышения эмиссионной способности малоразмерных катодов магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.

I.  Введение

Создание надежных современных магнетронов миллиметрового диапазона длин волн по-прежнему остается технически сложной задачей. С помощью магнетронов практически освоена длинноволновая область миллиметрового диапазона длин волн. Предпринимаются энергичные попытки освоения с помощью магнетронов коротковолновой области миллиметрового диапазона. В ИРЭ НАН Украины созданы экспериментальные образцы импульсных магнетронов на волне 1,25 мм с выходной мощностью 1 кВт [1]. Малые размеры пространства взаимодействия низковольтных маломощных магнетронов и магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона обусловливают необходимость работы катода в режиме отбора больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры. Это приводит к существенному уменьшению срока службы магнетронов.

Величина плотности рабочего тока магнетрона зависит от типа его колебательной системы и режима взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем. Анализ показывает, что при длинах волн менее 8-мм в коаксиальном магнетроне происходит потеря управления частотой генерации вследствие увеличения плотности перестройки частоты. Метод масштабного моделирования разноре- зонаторной системы типа «rising-sun» пока не позволил создать магнетроны с рабочей волной короче 3 мм. Теоретическое и экспериментальное исследование в России нестандартного режима работы магнетронов, предложенного в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины (г. Харьков), позволило создать первую и пока единственную в мире промышленную конструкцию импульсного 2-мм магнетрона с рекордным для диапазона уровнем выходной мощности 4 кВт [2]. «Харьковский режим» работы магнетронов базируется на механизме взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой поля одного из дублетных видов колебаний анодной равно- резонаторной системы. При равенстве напряжений анода радиальные размеры пространства взаимодействия магнетронов, работающих в режиме колебаний не тт-вида, в 1,5-2 раза больше соответствующих размеров колебательной системы магнетрона- аналога, работающего на тт-виде колебаний [3], что позволяет существенно уменьшить токовую нагрузку на катод. Однако при этом долговечность созданных магнетронов не превышает минимально приемлемой для практических применений. Дальнейшее увеличение срока службы, в частности, импульсных коротковолновых магнетронов, вероятно, определяется возможностью повышения роли вторичной эмиссии.

В сообщении представлены результаты исследования возможности оптимизации условий работы катода в магнетроне миллиметрового диапазона с учетом процессов вторичной эмиссии.

II.  Основная часть

В [4] для повышения эффективности работы катода в магнетроне предлагается рабочий режим по магнитному полю выбирать из условия

СО с — 4лпй)0, где СОс – циклотронная частота, со0– частота генерации, п =1,2,3… Утверждается, что зависимость тока вторичной эмиссии от СОс имеет максимумы при выполнения этого соотношения. Однако, в миллиметровом диапазоне величина СОс оказывается меньше 4ЖФ0

Результаты исследования волновых и колебательных явлений в электронных потоках на сверхвысоких частотах при всем разнообразии исходных предпосылок и механизмов поведения пространственного заряда в подавляющем большинстве предсказывают увеличение бомбардировки катода при ухудшении однородности постоянных полей в пространстве взаимодействия [5]. Установлено, что катод подвергается сильной бомбардировке не только несинфазными электронами, но даже в отсутствие генерации на рабочем виде. «Уровень обратной бомбардировки претерпевает мало заметное изменение при переходе порога генерации колебаний»[6]. «Избыточную» мощность бомбардировки катода электроны приобретают вследствие существования в пространственном заряде колебательных процессов. Согласно [7] колебания в электронном облаке возникают при значениях плотности тока термоэмиссии с катода значительно меньших, чем величины, необходимые для установления режима ограничения тока пространственным зарядом при отсутствии в нем колебательных процессов.

Признавая зависимость работоспособности магнетрона от конфигурации скрещенных полей, на практике оптимизацию их распределения разработчики сводят преимущественно к подбору экспериментальным путем размеров катодных экранов и расстояния между ними, конфигурации торцов полюсных наконечников, обеспечивающих необходимое качество спектра электромагнитных колебаний и величину электронного смещения частоты. При этом факт влияния топографии скрещенных полей на эффект «размножения» первичных электронов оказывается вне поля зрения. Так, например, повышение стабильности работы магнетрона с кольцевым выступом на эмиттере объясняется как результат описанного в [7] последствия увеличения отношения

радиусов гк катода и Га анода.

В [8] отмечается возможность увеличения стабильности возбуждения рабочего вида колебаний при небольшом увеличении диаметра катода «на протяжении малого расстояния от концов». Анализ на основе современны представлений возникающего при этом искажения вольтамперной характеристики свидетельствует об усилении колебательных процессов в пространственном заряде. Естественным было предположить, что усиление колебательных процессов в пространственном заряде вызывает увеличение обратной бомбардировки катода и, как следствие, повышение вторичной эмиссии. Замена цилиндрического эмиттера на эмиттер с буртиком показала, что граница максимального тока, положение которой по утверждению [9] «очень чувствительно к вторичноэмиссионным свойствам» катода, сместилась в область больших значений. Замена выступающего буртика геометрически подобной канавкой на поверхности эмиттера давала аналогичный результат.

Конструкция эмиттера с выступающим буртиком не получила широкого распространения. И наиболее вероятной причиной этого было явление уменьшения КПД магнетрона, которое имело место одновременно с повышением стабильности возбуждения.

Увеличения эффективности колебательных процессов во втулке пространственного заряда можно добиться только за счет изменения величины осевой составляющей индукции магнитного поля Bz{z)r=const

по высоте пространства взаимодействия. В области от радиуса синхронизации до границы анода осевая составляющая магнитного поля в пределах высоты анода h сохранялась максимально постоянной. На рис. 1 приведена оптимальная, судя по влиянию ее изменения на параметры магнетрона, эпюра продольной составляющей индукции магнитного поля для магнетрона коротковолновой части миллиметрового диапазона. Улучшение однородности поля в

области между радиусом га анода и радиусом гс

синхронизации приводит к уменьшению ЭСЧ и необходимости увеличения стартовой температуры катода.. И наоборот, увеличение неоднородности индукции магнитного поля в прикатодной области позволяет уменьшить стартовую температуру катода, но сопровождается ростом ЭСЧ, поскольку ухудшается

однородность поля в области Тас. Это происходит

потому, что не удается уменьшить неоднородность поля в весьма ограниченной зоне. При изменении конфигурации полюсных наконечников происходит одновременное изменение Bz(r) в плоскости поперечного сечения пространства взаимодействия (h = const) и Bz{h) на поверхности цилиндра постоянного радиуса (г = const). В этом основной недостаток управления интенсивностью обратной бомбардировки катода путем изменения неоднородности магнитного поля. Этот недостаток в значительно меньшей степени присущ управлению изменением неоднородности постоянного электрического поля при локальном изменении диаметра эмиттера.

При малых размерах поверхности эмиттера наиболее эффективной представляется неоднородность в форме многозаходной резьбы.

Колебательные процессы во втулке пространственного заряда вызывают значительные по величине токи утечки в пространстве взаимодействия, и это обстоятельство является фактором, ограничивающим возможность увеличения вторичной эмиссии. При распределении индукции магнитного поля, показанном на рис. 1, стартовая и рабочая температура композиционного эмиттера по сравнению с однородной структурой магнитного поля допускали снижение на 200. ..250 °С.

III.  Заключение

Увеличение вторичной эмиссии в совокупности с увеличением радиальных размеров пространства взаимодействия за счет перехода в не тт-видном магнетроне на разнорезонаторную систему щель- лопатка или перехода к взаимодействию электронного потока с высшими пространственными гармониками тт – вида позволяют увеличить долговечность магнетрона практически в 5 – 7 раз при сохранении эффекта старения (изменения частоты за счет катодных напылений).

IV. Список литературы

[1]  Усиков А. Я, Канер Э. А., Трутень И. Д. и др. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых ралиоволн. – Киев: Наукова думка, 1986. с.7-20.

[2]  Гурко А. А., Еремка В. Д. Состояние и перспективы развития магнетронов миллиметрового диапазона волн. // Материалы 10-ой Международной Крымской микроволновой конференции («КрыМиКо-2000») «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Украина. – Р. 23

[3]  Бернштейн, Кролл. «Магнетроны разнорезонаторного типа импульсного и непрерывного действия, работающие в режиме слабого поля». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М. М. Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

[4]  Патент США № 3.305.753 Кл.315-39.63. Приоритет в США-1953 г. Заявитель: «Westinghouse Electronic Corporation». Изобретатель: Richard A. White.

[5]  «Динамические явления (Шум и волны пространственного заряда)». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под общей редакцией М. М. Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

[6]  Симс. «Предгенерационные явления в облаке пространственного заряда ниже основного порога колебаний». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под общей редакцией М. М. Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

[7]  Соминский Г. Г. Определение минимальных значений тока термоэмиссии, необходимых для возникновения колебаний пространственного заряда в магнетроне. Тезисы докладов VI Межвузовской конференции по электронике СВЧ. Минск. 1969 г.

[8]  Коваленко В. Ф. «Введение в электронику сверхвысоких частот». Изд. «Советское радио». М.: 1955 г.

[9]  «Магнетроны сантиметрового диапазона», т.1. Перевод под редакцией С. А. Зусмановского. «Советское радио». Москва. 1950 г.

[10] Джепсен. «Увеличенная эмиссия». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под общей редакцией М. М. Федорова. «Иностранная литература». Москва, 1961 г.

Рис. 1. Топография осевой составляющей магнитного поля Bz(z) в пространстве взаимодействия (ниже см. пояснения).

Fig. 1. Topography of the magnetic Held axial component Bz(z) in the interaction space

Левая вертикальная ось: Осевая составляющая индукции магнитного поля, В2, отн.ед.

Правая вертикальная ось: Радиальная координата Горизонтальная ось: Осевая координата в пространстве взаимодействия, мм Тк – радиус катода (1,025 мм);

Г – радиус синхронизации (1,17 мм);

Гд – радиус Бриллюэна (1,45 мм) ;

Га – радиус анода (1,6 мм).

OPTIMIZING CATHODE OPERATION IN ММ-WAVE MAGNETRONS

Gurko A. A.

‘Pluton’ Joint Stock Company

11  N. Syromyatnicheskaya St., Moscow, 105120, Russia phone: +7 (095) 9168757, fax: +7 (095) 9161920 Marin V. P.

Centre for Research of Materials and Technologies

4         Mosfilmovskaya Str., 119285, Moscow, Russia phone: +7 (095) 1436777, fax: +7 (095) 1430645 e-mail: atom@gol.ru

Possible ways of optimizing operating conditions for cathodes in mm-wave magnetrons are considered with regard to secondary electron emission processes.

An increased secondary emission in combination with a larger interaction space resulting from transition to a heteroresonator slot-vane system in a non-n-mode magnetron or from transition to the electron stream interaction with higher spatial тт-mode harmonics allows for a magnetron service life to be increased 5-7 times.

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