МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ МАГНЕТРОНЫ С ХОЛОДНЫМ ВТОРИЧНОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ: В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ, БУДУЩЕМ – ЧАСТЬ 1

January 17, 2013 by admin Комментировать »

Еремка В. Д., Копоть М. А., Кулагин О. П.

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры 12, г. Харьков, 61085, Украина e-mail: yeryomka@ire.l<harl<ov. иа С. В. Грицаенко, В. Д. Науменко, А. Н. Суворов Институт радиоастрономии НАН Украины ул. Краснознаменная 4, г. Харьков, 61002, Украина e-mail: naumenko@rian.kharkov. иа

I.                                       Введение

Магнетрон одна из первых вакуумных электронных ламп – генераторов электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты [1-25]. И в настоящее время магнетроны находят широкое применение вследствие того, что имеют сравнительно высокие КПД и мощность, простую конструкцию, небольшие габариты и вес [5-8]. Это приборы с замкнутым электронным потоком и замкнутой периодической замедляющей системой, в которых эффективное взаимодействие электронного потока с высокочастотным электромагнитным полем происходит в статических скрещенных электрическом и магнитном полях. Взаимодействие в магнетронах осуществляется в пространстве между коаксиально расположенными катодом и анодом, которое называют пространством взаимодействия.

Можно отметить две особенности магнетронов, которые отличают их от других СВЧ приборов. Одна из них – периодическая замедляющая система (ЗС) анодного блока магнетрона, выполняющая функцию резонансной электродинамической системы, служит также коллектором отработавших электронов. Другая

–   в магнетронах всегда имеет место бомбардировка катода электронами, возвращающимися на его рабочую поверхность. Срок службы термоэлектронных катодов магнетронов заметно сокращается при продвижении генераторов в коротковолновую область миллиметрового диапазона, где плотность рабочего тока на катоде достигает 100 А/см^ и более. В связи с этим разработка эффективных катодов, обеспечивающих большой срок службы магнетронов была и остается актуальной задачей.

Применение даже наиболее эффективных типов современных термоэлектронных катодов не приводит к решению проблемы срока службы магнетронов, работающих в коротковолновой области миллиметрового диапазона волн (МДВ) [10].

Коаксиальные магнетроны (КМ) и обращенные КМ (ОКМ) являются прогрессивным решением упомянутых выше проблем. Однако при продвижении КМ в коротковолновую область МДВ возникают новые технологические трудности при изготовлении его сложной резонаторной системы [9].

Для освоения МДВ успешно применены предложенные, созданные и исследованные в ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины конструкции магнетронов поверхностной волны (МПВ), т. е. магнетронов на пространственных гармониках [4-6, 14-24]. По сравнению с конструкциями традиционных магнетронов на коротких миллиметровых волнах МПВ имеют увеличенные размеры пространства взаимодействия и работают при меньших величинах магнитных полей и анодных напряжений [4-8]. Результаты разработки и создания МПВ МДВ на пространственных гармониках представлены в обзорах [4-6].

В настоящее время решение задач, направленных на улучшение энергетических характеристик и увеличение срока службы магнетронов сантиметрового и МДВ, остается актуальным.

В течение последних 60 лет в Украине и России выполнено много проектов посвященных многорезо- наторным магнетронам с холодным вторичноэмиссионным катодом (ВЭК) – генераторам как сантиметровых, так и миллиметровых волн [8-39]. Рабочий ток

–   ток вторично-электронной эмиссии (ВЭЭ) стимулируют первичными электронами, испускаемыми маломощным термоэлектронным (в МПВ) или полевым эмиттером (в КМ). Такие магнетроны находят широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре.

В данном сообщении представлен обзор основных результатов исследований и разработок магнетронов с холодным ВЭК сантиметрового (КМ) и МДВ (МПВ), выполненных в ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины (ИРЭ НАНУ) за период с 1955 по 2005 гг. и в РИ НАН Украины (РИ НАНУ) – с 1985 по 2005 гг.

II.                              Основная часть

2.1.          Из истории создания магнетронов с холодным ВЭК в Харькове.

С целью устранения дополнительного подогрева катода возвратными электронами, возникающего вследствие процессов в пространстве взаимодействия магнетрона, в 1945 – 1947 гг. в Украинском (Харьковском) физико-техническом институте (УФТИ-ХФТИ) Вигдорчиком И. М. была предложена и экспериментально обследована конструкция «магнетрона с боковым катодом» (МБК), работавшего в сантиметровом диапазоне волн [12, 13]. В МБК (рис.1, а, б), вдоль оси пространства взаимодействия вместо термоэлектронного катода установлен металлический стержень – медный цилиндр с графитовым чехлом или платиновым покрытием (холодный катод). Дополнительный термоэлектронный катод (ДТК) прямого накала (в виде спирали из вольфрама) размещен соосно с холодным катодом возле торца анодного блока за пределами пространства взаимодействия.

Первые МБК имели два режима работы. В одном режиме рабочий анодный ток генератора, был инжектирован с ДТК 2. При этом коэффициент вторич- но-электронной эмиссии (ВЭЭ) холодного катода был меньше единицы (металлический цилиндр 6 закрыт чехлом 4 из графита).

В другом режиме ток обеспечивали за счет ВЭЭ с металлической поверхности внутреннего цилиндра 6. При этом материал эмиттера холодного катода в пространстве взаимодействия магнетрона имел КВЭЭ больше единицы.

Рис. 1. а) Внешний вид макета МБК, б) схематическое изображение макета МБК:

1-экран; 2 -дополнительный термоэлектронный катод; 3 – анодный блок; 4 – чехол; 5 – система жидкостного охлаждения; 6 – металлический цилиндр.

Fig. 1. а) Appearance of breadboard modei the iaterai cathode magnetron (LCM), 6) the schematic drawing of breadboard modei LCM: 1-screen; 2 – the iaterai thermionic cathode (LTC); 3 – the anode bioci<; 4 -a cover; 5 – system ofiiquid cooiing; 6 – the metai cyiinder

В 1965 г. по инициативе И. М. Вигдорчика в Отделе импульсного генерирования ИРЭ НАНУ (зав. отделом И. Д. Трутень) были начаты исследования МПВ на пространственных гармониках МДВ с холодными ВЭК. За период с 1965 по 1985 гг. были реализованы разработки и исследования экспериментальных образцов импульсных МПВ с ВЭК на пространственных гармониках практически во всем МДВ [14- 23]. С 1985г. при разработке и создании импульсных магнетронов МДВ с основным холодным ВЭК и боковым ДТК в РИ НАНУ больше внимания уделяется технологическим и прикпадным аспектам [24-29].

В конце 1990-х г. в ИРЭ НАНУ возобновлены исследования КМ [30, 34-36]. Проводится разработка и исследование импульсных КМ сантиметрового диапазона волн с холодным ВЭК и дополнительным полевым (автоэлектронным) эмиттером, а также импульсных КМ МДВ на пространственной гармонике с холодным ВЭК.

2.2.         Холодные ВЭК в магнетронах.

В магнетронах холодные ВЭК являются источниками рабочего тока. Широкое применение в магнетронах нашли объемные ВЭК – металлические (Мо, Pt) [5-8, 14-24], импрегнированные эмиттеры на основе пористого вольфрама, пропитанного алюминатом бария-кальция [30, 34-41], а также сплавные (1г- Се; Pd-Ba; Pt-Ba) [42, 43],

Результаты исследования холодных катодов, в том числе ВЭК, в генераторных магнетронах, представлены в ряде работ [4-8, 14-41]. Jepsen R. L, и Muiier М. W. провели обстоятельное экспериментальное исследование магнетронов сантиметрового диапазона волн с холодными ВЭК, в которых в качестве вторично-электронного эмиттера были применены чистые металлы – платина и молибден [44]. Процесс ВЭЭ может быть самоподдерживающимся, если эффективный коэффициент ВЭЭ материала катода больше единицы.

Фундаментальные исследования импульсных магнетронов МДВ с различными способами возбуждения ВЭЭ с холодного катода осуществлены в ИРЭ НАНУ [14-23]. Вольтамперная характеристика одного из таких магнетронов, представлена на рис. 2.

Срыв анодного тока происходит, как правило, при величине рабочего напряжения близкой к критическому её значению. Линию, соединяющую точки срыва тока при различных напряженностях магнитного поля называют обычно границей максимальных токов

(ГМТ). Положение ГМТ для каждого отдельного магнетрона определяется величиной коэффициента ВЭЭ материала эмиттера. Максимальную величину анодного тока магнетрона определяют величина анодного напряжения, вторичноэмиссионные свойства катода и геометрия пространства взаимодействия.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика магнетрона с холодным ВЭК.

Fig. 2. The voit-ampere characteristic of the coid SEC magnetron

Для осуществления рационального выбора геометрии пространства взаимодействия магнетрона, необходимо иметь данные о величине максимального рабочего тока прибора. Известен ряд соотношений, позволяющих рассчитать максимальный ток вторичной эмиссии. Одно из них имеет вид [15]

где Sffj – максимальное значение КВЭЭ для выбранного материала эмиттера холодного ВЭК; h^- осевая

‘Л

длина анода; β – функция отношения г^г^ ·, г^радиус анодного отверстия; – радиус ВЭК.

Результаты расчета максимального тока ВЭЭ по соотношению (1) соответствуют результатам измерений максимального тока в магнетронах с ВЭК, работающих вблизи критического режима. В упомянутых магнетронах протяженность пространства взаимодействия вдоль оси прибора обычно составляет

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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