МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ МАГНЕТРОНЫ С ХОЛОДНЫМ ВТОРИЧНОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ: В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ, БУДУЩЕМ – ЧАСТЬ 6

February 16, 2013 by admin Комментировать »

Fig. 17. Spectra of а target signal magnetrons at work in a usual mode and in a mode of automatic stabilization of a working point

Ha рис. 17 верхняя спектрограмма является типичной для случая, когда магнетрон работает в обычном режиме без стабилизации рабочей точки. Нижняя спектрограмма соответствует режиму автоматической стабилизации рабочей точки.

Представленные результаты свидетельствуют о перспективности описанного выше способа стабилизации выходных характеристик МПВ МДВ с холодным ВЭК.

4.         Коаксиальные магнетроны.

Исследования КМ в ИРЭ НАНУ проводятся с 1960-х г. [61, 62]. Исследованы первые экспериментальные образцы КМ миллиметрового диапазона волн на пространственных гармониках [62]. С 1990-х г. в ИРЭ НАНУ проводятся исследования и разработка коаксиальных магнетронов сантиметрового диапазона волн с холодным ВЭК [26, 27]. Некоторые конструкции экспериментальных образцов КМ сантиметрового диапазона волн, созданные при сотрудничестве с разработчиками СККБ «Спектр» (г. Киев), внедрены в серийное производство на ГП завод «Генератор» [26] (рис. 18).

Ρυο.ΐδ. Внеи^най вид Ш саптимегг^ровоео диапазона волн с холодным ВЗК.

Fig. i δ. General view ofX-band coid caWode coaxiai rnagnetron

KM привлекли к себе внимание разработчиков тем, что конструкции их электродинамической системы позволяют применять анодный блок с ЗС, образованной значительным количеством (более 40) лопаточных резонаторов, при этом радиальные размеры пространства взаимодействия не уменьшаются при укорочении длины рабочей волны. Кроме того, в КМ основной резонатор, возбуждающийся на колебаниях типа Но11, повышает стабильность частоты колебаний выходного сигнала.

4.1.         Коаксиальные магнетроны на пространственной гармонике миллиметрового диапазона волн.

В разработанной и исследованной в ИРЭ НАНУ конструкции КМ МДВ с термоэлектронным катодом.

объединены положительные свойства конструкций и принципов действия КМ и МПВ (КМПВ), работающих на пространственной гармонике («харьковский режим работы»). Режим взаимодействия электронного потока и электромагнитных волн МПВ способствует как увеличению объема пространства взаимодействия в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, так и уменьшению рабочих магнитного поля и анодного напряжения [62].

Особенность КМПВ МДВ на пространственной гармонике состоит в том, что работать он может на одном из нескольких колебаний не Л"-вида. В качестве рабочего в КМПВ выбран вид с номером 7V/4 ,

здесь N – число резонаторов. В этом случае для возбуждения коаксиального резонатора на волне типа Но11 количество щелей связи между основным (стабилизирующим) резонатором и резонаторами ЗС анодного блока должно быть равным или меньшим номера рабочего вида колебаний. На рис.19 показана резонаторная система КМПВ МДВ, разработанного в ИРЭ НАНУ в 1967-1969 гг.

Рис. 19. Резонаторная система КМПВ на пространственной гармонике: 1 – экран; 2 – щели связи со стабилизирующим резонатором.

Fig. 19. Resonator system CSWM on a spatial harmonic:

1            – the screen; 2 – cracks of connection with the stabilizing resonator

0,      Ha фиксированной частоте 44,1 ГГц в одном из экспериментальных образцов КМ осуществлена генерация излучения в интервале рабочего магнитного поля 0,4552 Тл при импульсном анодном токе 10-40 А. При магнитном поле 0,51 Т и рабочем токе 35 А КМ генерировал импульсную мощность 40 кВт с КПД 8 %.

В другом экспериментальном образце КМ, работавшем в окрестностях частот 45 ГГц, опробована механическая перестройка частоты в полосе 600 МГц с изменением мощности выходного сигнала в полосе перестройки менее, чем в два раза [62]. Результаты исследований КМ, работающих на пространственных гармониках колебаний не Л"-вида, создали предпосылки для разработки и создания генераторов с холодным вторичноэмиссионным катодом, как на длинноволновом, так и на коротковолновом участках миллиметрового диапазона волн

4.2.        Коаксиальные магнетроны сантиметрового диапазона с холодным катодом.

Основные особенности магнетронов с холодным катодом, рабочий вторично-электронный ток с которого получают с помощью первичных электронов из полевых эмиттеров, проявляются в конструкции и технологии узла катода, в процессе откачки и тренировки приборов, в критериях оценки характеристик эмиссии, в более высоком техническом КПД, в надежности и большом сроке службы.

Известно, что ток возбуждения вторичной эмиссии (ток запуска) в СВЧ генераторах М-типа и магнетронах, в частности, составляет доли и редко единицы процентов величины рабочего тока. Одним из технологических критериев для магнетрона является величина тока возбуждения. Магнетрон с холодным катодом и током запуска, полученным вследствие полевой эмиссии, отличается от магнетрона с термоэлектронным катодом механизмом формирования пространственного заряда. При одинаковых анодных напряжениях и геометрии пространства взаимодействия величина тока возбуждения вследствие полевой эмиссии меньше величины тока возбуждения вследствие термоэлектронной эмиссии. Поэтому при возбуждении магнетрона током полевой эмиссии необходимо стремиться увеличить рабочий ток за счет вторичной электронной эмиссии путем повышения эффективности процесса вторично-электронного размножения.

Известно, что увеличение радиуса кривизны цилиндрического пространства взаимодействия магнетрона, способствует увеличению эффективности бомбардировки катода [33]. Вследствие этого реализация возбуждения за счет полевой эмиссии в КМ имеет высокую вероятность. Возбуждение магнетрона первичными полевыми электронами происходит на переднем фронте каждого импульса анодного напряжения. Время «размножения» первичных электронов за счет полевой эмиссии оказывается значительно меньшим, чем время «размножения» за счет термоэлектронной эмиссии. Поэтому при сравнительно невысоких анодных напряжениях и возбуждении КМ вследствие полевой эмиссии существенно уменьшается вероятность конкуренции со стороны щелевых видов колебаний основного (стабилизирующего) резонатора.

Создан и передан в серийное производство экспериментальный образец КМ трехсантиметрового диапазона волн, работающий в импульсном режиме:

г = 70нс, Q= — = ^ ООО [26]. В нем применен метал- τ

лопористый ВЭК в виде набора втулок, между которыми расположены ПЭ в виде плоских колец из тугоплавкого металла, по периметру которых выполнена периодическая структура остроугольных выступов (рис.4). Для получения тока запуска путем автоэлек- тронной эмиссии с рабочих зон остроугольных (лезвийных) выступов ПЭ на их вершинах необходимо обеспечить значение напряженности электрического

поля {Е^ф) около 10^ В/см. Работоспособность экспериментального образца КМ обеспечивают за счет геометрии и материала ПЭ, созданных в процессе

исследований. Было достигнуто увеличение Е^ф на

вершине лезвийных выступов до значения -10^ В/см, а также понижение работы выхода ПЭ с помощью активного вещества ВЭК.

Перспективу для применения имеет также холодный ВЭК, выполненный по схеме (рис. 20) В этой схеме применен ПЭ подобный катоду Спиндта. На электроде 1, который изолирован от керна 2 и корпуса магнетрона, размещены элементы 3 ПЭ в виде острий (иголок) из тугоплавких металлов. В проводящей стенке керна 2 и в слое 4 ВВЭ над каждым острием 3 выполнены круглые концентричные отверстия. Фланцы 5, 6 выполняют функцию концевых экранов [35].

Отметим особенности эмиссии первичных и вторичных электронов с помощью представленных схем холодных катодов. В первой (рис. 4) и второй (рис. 20) схемах конструкции холодного катода ПЭЭ (автоэлек- тронная эмиссия) реализуется при подаче импульсов рабочего напряжения между анодом и катодом и достижении величины напряженности электрического по

ля на кромках дисков-лезвий {1-Ъ)Л(Р В/см. Укажем причины, определяющие нестабильный запуск процесса генерации электромагнитных колебаний магнетроном при использовании холодных катодов, конструкции которых выполнены по упомянутым схемам (рис. 4, рис. 20). Известно, что в скрещенном, статическом электрическом и магнитном полях цилиндрических магнетронов, вылетевшие с поверхности эмиттера частицы совершают движение по эпициклоидам. При этом частицы, возвращающиеся на поверхность ВЭЭ, бомбардируют её с той энергией, с которой они покинули эту поверхность. Энергия электронов, покидающих поверхность эмиттера, составляет величину:

–        для термоэлектронных катодов – до 0,5 эВ;

–        для ВЭК- до 10 эВ;

–        для ПЭ (автокатодов) – меньше 5 эВ.

Рис. 20. Схема узла холодного ВЭК магнетрона с острийными элементами ПЭ: 1 – изолированный от керна электрод-держатель ПЭ; 2 – керн катода;

3 – острийные элементы ПЭ; 4 – слой ВЭЭ;

5, 6- фланцы-экраны.

Fig. 20. А РЕ eiectrode isoiated from the core;

2            – SEE washers; 3 – spiiied PEE eiements;

4                     – SEE iayer; 5,6- fianges-screen

Схема (рис. 4) холодного катода обеспечивает энергию первичных электронов достаточную для запуска процессов вторично-электронного размножения при определенных условиях, в частности, при подаче анодного напряжения в виде тандема импульсов. Первый вспомогательный импульс имеет длительность в три раза большую, чем длительность наносе- кундного импульса рабочего напряжения и амплитуду меньшую, чем амплитуда рабочего напряжения. Можно предположить, что в этом случае автоэмиссионные процессы на рабочих поверхностях ПЭ обеспечивают создание в пространстве между анодом и катодом «начальной» плотности пространственного заряда, которая запускает процесс вторично-электронного размножения при спаде вспомогательного импульса. Процесс вторично-электронного размножения электронов в таких эмиссионных системах при возрастании плотности пространственного заряда до значения около 15-20% ее величины в рабочем режиме запускается под действием флуктуаций поля пространственного заряда. При возбуждении автоколебаний – процесс вторично-электронного размножения лавинообразно нарастает под действием высокочастотного поля. В конструкции холодного катода (рис. 4) элементы 1 ПЭ, расположенные в пространстве взаимодействия, постоянно находятся под действием электроэрозии, пондермоторных сил. Если в конструкции холодного катода (рис.4) в качестве ПЭ электронов применены сплошные плоские кольца в виде пленки толщиной меньше 11 мкм, то их срок службы существенно сокращается вследствие электроэрозии под действие потока электронов «электронной втулки» вдоль оси катода. «Прозрачные» ПЭ с остроугольными выступами по периметру (рис.4, а) имеют повышенную устойчивость к электроэрозии и действию пондермоторных сил.

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