eng
Современная СВЧ-техника характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Особое место среди них занимают магнетроны. Благодаря высокому КПД, компактности, надежности, стабильности, большой мощности генерируемых колебаний они нашли широкое применение в радиолокационных и навигационных системах, медицине и других отраслях. Но создание долговечных магнетронов со стабильными и воспроизводимыми параметрами возможно лишь в случае применения высокоэффективных и надежных катодных систем, сохраняющих свои свойства при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Магнетроны с такими катодами созданы в ОАО "Плутон".
Особенностью работы катодов в магнетронах является то, что они подвергаются очень большим нагрузкам в результате интенсивной "бомбардировки" потоками электронов и ионов. Для оценки этих нагрузок можно воспользоваться соотношением С = Рufo2 [1], где Рu – импульсная мощность магнетрона в МВт, fо – частота генерируемых колебаний в ГГц. Параметр С используется для классификации магнетронов по мощности (табл.1).
Все магнетроны, выпускаемые в РФ и за рубежом, можно разбить на две группы, отличающиеся типами катодов: магнетроны с накаливаемым катодом и магнетроны с "холодным", не накаливаемым, катодом (магнетроны с безнакальным запуском).
В магнетронах первой группы инициирование и поддержание генерации обеспечивается нагретым до рабочей температуры термо-вторично-эмиссионным катодом. В зависимости от уровня выходной мощности используются оксидные катоды (как правило, в маломощных магнетронах), различные модификации металлопористых катодов (преимущественно в магнетронах с малой и средней мощностью), металлосплавные катоды, изготовленные из интерметаллических соединений металлов платиновой группы и редкоземельных металлов (в мощных и сверхмощных магнетронах) [2–10].
Среди магнетронов, серийно выпускаемых в ОАО "Плутон", несомненный интерес представляют различные модификации сверхмощных (Рufo2>100) магнетронов 2-мм диапазона длин волн (рис.1, 2). За счет модернизации конструкции катодно-подогревательного узла (КПУ) и разработки специальной технологии изготовления иридий-лантановых катодов ресурс работы этих магнетронов будет повышен до 2000 ч.
В приложениях, характеризующихся высокими скоростями и маневренностью движущихся целей, особое внимание уделяется не только надежности и долговечности, но и времени готовности аппаратуры, где используются магнетроны. Время готовности магнетронов с накаливаемыми катодами колеблется от нескольких секунд (прямонакальные катоды) до нескольких минут (катоды с косвенным накалом). Препятствием для снижения времени готовности является необходимость разогрева катода до рабочей температуры. В отдельных случаях снижение времени готовности магнетронов достигается в результате кратковременной подачи на подогреватель повышенного напряжения накала (форсированный режим) или за счет поддержания катода в нагретом состоянии ("дежурный" режим).
Однако как форсированный, так и "дежурный" режимы неблагоприятно сказываются на эксплуатационных параметрах магнетронов: форсированный режим снижает надежность подогревателей, а "дежурный" режим, вследствие напыления продуктов испарения с катода на элементы приборов, снижает их электрическую прочность, изменяет частоту генерируемых колебаний и др.
Кардинальное решение проблемы по снижению времени готовности было достигнуто в результате создания магнетронов с безнакальным запуском, заслуженно являющихся гордостью ОАО "Плутон" [11–15]. Сегодня предприятие выпускает более 14 типов магнетронов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с безнакальным запуском. От магнетронов с накаливаемыми катодами они отличаются большей долговечностью и малым временем готовности (табл.2).
Готовность с первого импульса достигается за счет специальной конструкции катодного узла. Катоды безнакальных магнетронов состоят из чередующихся автоэлектронных катодов (АЭК) – колец из танталовой фольги толщиной около 4 мкм – и вторично-эмиссионных катодов (ВЭК) – втулок протяженностью от долей до нескольких миллиметров, изготовленных из материала со стабильными вторично-эмиссионными свойствами (рис.3). Инициирование генерации обеспечивается током полевой эмиссии с АЭК, а генераторный режим поддерживается ВЭК. При подаче на анод высоковольтного импульсного напряжения на острых кромках АЭК концентрируется значительное по величине электрическое поле (рис.4), благодаря чему в пространстве взаимодействия магнетрона формируется электронный поток с АЭК. Он под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей бомбардирует эмитирующую поверхность ВЭК. В результате в пространстве взаимодействия образуется пространственный заряд определенной конфигурации – "спица", который, взаимодействуя с ВЧ-полем магнетрона, обеспечивает генерацию электромагнитных колебаний.
Следует упомянуть, что ранее в магнетронах с безнакальным запуском использовались "литые" палладий-бариевые катоды из сплава ПдБ-2. Эти магнетроны имели ряд несовершенств, которые были устранены только после замены ПдБ-2-катодов на прессованные [16–19] (табл.3).
В заключение отметим, что сегодня в ОАО "Плутон", наряду с работами по совершенствованию типовых технологий изготовления катодов, ведутся интенсивные исследования по созданию катодов для мощных и сверхмощных магнетронов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн с безнакальным запуском, а также для различных типов ЛБВ с малым (менее 2–3 с) временем готовности.
Литература
Петроченков В.И. Расчет электрических характеристик магнетрона на основе приближенной аналитической модели. – Радиотехника и электроника, 1994, №11, с.1825–1844.
Никонов Б.П. Оксидный катод. – М.: Энергия, 1978.
Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. – М.-Л.: Энергия, 1966.
Коржавый А.П., Редега К.П. Материалы для катодов с низкими значениями первого критического потенциала. – Обзоры по электронной технике, 1987, сер.6, вып.2 (1269).
Green M.C., Skinner H.B., Tack R.A. Osmium-tangsten alloys and their relevance to improved M-type cathodes. – Appl. Surface Science, 1981, v.8, №12, p.13–35.
Yamomoto S., Taguchy S., Aida T., Kawase S. Some fundamental properties of Sc2O3 mixed matrix impregnated Cathode. – Appl. Surface Science, 1984, v.17, №14, p.504–516.
Вирин Я.Л., Дюбуа Б.Ч. Эмиссионные свойства металлопористых катодов на основе осмия. – Известия АН СССР, 1979, сер. физическая, т.43, №3, с.662.
А.С. №1299376,1986. Способ изготовления металлопористого термокатода./Семенов Л.А., Ли И.П., Рухляда Н.Я. и др.
Ли И.П., Рухляда Н.Я. Создание поверхностных структур с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц. – Физика и химия обработки материалов,
2005, №1, с.61–65.
Lee I.P., Maslennikov O.Yu., Roukhlyada N.Ya. Modification of the dispenser cathode surface with a pulse plasma. – Fourth IEEE International Vacuum Electron Source Conference, IVESC 2003, Seoul, Korea, 2003, p.313–314.
А.С. №2040821, 1991. СВЧ-прибор М-типа./ Махов В.И., Бондаренко Б.В., Копылов М.Ф.
Патент РФ №2019877. Приоритет 17.04.1991. Магнетрон с безнакальным катодом./Пипко Ю.А., Семенов Л.А., Галактионова И.А. и др.
Патент РФ № 2380784. Приоритет с 24.10.2008. Магнетрон с безнакальным запуском./Ли И.П., Дюбуа Б.Ч., Каширина Н.В. и др.
Васильева Е.В., Дюбуа Б.Ч., Ермолаев Л.А., Култашев О.К. Эмиссионные свойства сплавов Pt-Ba, Ir-La, Os-La. – Радиотехника и электроника, 1966, т.11, вып.11, с.1150.
Дюбуа Б.Ч. Современные эффективные катоды. – Радиотехника и электроника, 1999, №4, с.55.
Ли И.П., Поливникова О.В. Прессованный катод. – Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника, 2012, №1, с.21–24.
Ли И.П., Бондаренко Г.Г. Использование водородно-вакуумной обработки порошков палладия для получения эффективных металлосплавных катодов безнакального магнетрона. – Перспективные материалы, 2012, №1, с.30–34.
Ли И.П., Петров В.С., Поляков В.С. и др. Анализ современных представлений о синтезе наноразмерных эмиссионных гетероструктур на поверхности палладий-бариевого катода при активировании. – Известия вузов. Электроника, 2012, №3, с.19–25.
Харитонова Н.Е., Ли И.П., Силаев А.Д. и др. Исследование путей повышения качества прессованных палладий-бариевых катодов. – Материалы XXII Международной конференции "Радиационная физика твердого тела", 2012.
Все магнетроны, выпускаемые в РФ и за рубежом, можно разбить на две группы, отличающиеся типами катодов: магнетроны с накаливаемым катодом и магнетроны с "холодным", не накаливаемым, катодом (магнетроны с безнакальным запуском).
В магнетронах первой группы инициирование и поддержание генерации обеспечивается нагретым до рабочей температуры термо-вторично-эмиссионным катодом. В зависимости от уровня выходной мощности используются оксидные катоды (как правило, в маломощных магнетронах), различные модификации металлопористых катодов (преимущественно в магнетронах с малой и средней мощностью), металлосплавные катоды, изготовленные из интерметаллических соединений металлов платиновой группы и редкоземельных металлов (в мощных и сверхмощных магнетронах) [2–10].
Среди магнетронов, серийно выпускаемых в ОАО "Плутон", несомненный интерес представляют различные модификации сверхмощных (Рufo2>100) магнетронов 2-мм диапазона длин волн (рис.1, 2). За счет модернизации конструкции катодно-подогревательного узла (КПУ) и разработки специальной технологии изготовления иридий-лантановых катодов ресурс работы этих магнетронов будет повышен до 2000 ч.
В приложениях, характеризующихся высокими скоростями и маневренностью движущихся целей, особое внимание уделяется не только надежности и долговечности, но и времени готовности аппаратуры, где используются магнетроны. Время готовности магнетронов с накаливаемыми катодами колеблется от нескольких секунд (прямонакальные катоды) до нескольких минут (катоды с косвенным накалом). Препятствием для снижения времени готовности является необходимость разогрева катода до рабочей температуры. В отдельных случаях снижение времени готовности магнетронов достигается в результате кратковременной подачи на подогреватель повышенного напряжения накала (форсированный режим) или за счет поддержания катода в нагретом состоянии ("дежурный" режим).
Однако как форсированный, так и "дежурный" режимы неблагоприятно сказываются на эксплуатационных параметрах магнетронов: форсированный режим снижает надежность подогревателей, а "дежурный" режим, вследствие напыления продуктов испарения с катода на элементы приборов, снижает их электрическую прочность, изменяет частоту генерируемых колебаний и др.
Кардинальное решение проблемы по снижению времени готовности было достигнуто в результате создания магнетронов с безнакальным запуском, заслуженно являющихся гордостью ОАО "Плутон" [11–15]. Сегодня предприятие выпускает более 14 типов магнетронов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с безнакальным запуском. От магнетронов с накаливаемыми катодами они отличаются большей долговечностью и малым временем готовности (табл.2).
Готовность с первого импульса достигается за счет специальной конструкции катодного узла. Катоды безнакальных магнетронов состоят из чередующихся автоэлектронных катодов (АЭК) – колец из танталовой фольги толщиной около 4 мкм – и вторично-эмиссионных катодов (ВЭК) – втулок протяженностью от долей до нескольких миллиметров, изготовленных из материала со стабильными вторично-эмиссионными свойствами (рис.3). Инициирование генерации обеспечивается током полевой эмиссии с АЭК, а генераторный режим поддерживается ВЭК. При подаче на анод высоковольтного импульсного напряжения на острых кромках АЭК концентрируется значительное по величине электрическое поле (рис.4), благодаря чему в пространстве взаимодействия магнетрона формируется электронный поток с АЭК. Он под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей бомбардирует эмитирующую поверхность ВЭК. В результате в пространстве взаимодействия образуется пространственный заряд определенной конфигурации – "спица", который, взаимодействуя с ВЧ-полем магнетрона, обеспечивает генерацию электромагнитных колебаний.
Следует упомянуть, что ранее в магнетронах с безнакальным запуском использовались "литые" палладий-бариевые катоды из сплава ПдБ-2. Эти магнетроны имели ряд несовершенств, которые были устранены только после замены ПдБ-2-катодов на прессованные [16–19] (табл.3).
В заключение отметим, что сегодня в ОАО "Плутон", наряду с работами по совершенствованию типовых технологий изготовления катодов, ведутся интенсивные исследования по созданию катодов для мощных и сверхмощных магнетронов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн с безнакальным запуском, а также для различных типов ЛБВ с малым (менее 2–3 с) временем готовности.
Литература
Петроченков В.И. Расчет электрических характеристик магнетрона на основе приближенной аналитической модели. – Радиотехника и электроника, 1994, №11, с.1825–1844.
Никонов Б.П. Оксидный катод. – М.: Энергия, 1978.
Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. – М.-Л.: Энергия, 1966.
Коржавый А.П., Редега К.П. Материалы для катодов с низкими значениями первого критического потенциала. – Обзоры по электронной технике, 1987, сер.6, вып.2 (1269).
Green M.C., Skinner H.B., Tack R.A. Osmium-tangsten alloys and their relevance to improved M-type cathodes. – Appl. Surface Science, 1981, v.8, №12, p.13–35.
Yamomoto S., Taguchy S., Aida T., Kawase S. Some fundamental properties of Sc2O3 mixed matrix impregnated Cathode. – Appl. Surface Science, 1984, v.17, №14, p.504–516.
Вирин Я.Л., Дюбуа Б.Ч. Эмиссионные свойства металлопористых катодов на основе осмия. – Известия АН СССР, 1979, сер. физическая, т.43, №3, с.662.
А.С. №1299376,1986. Способ изготовления металлопористого термокатода./Семенов Л.А., Ли И.П., Рухляда Н.Я. и др.
Ли И.П., Рухляда Н.Я. Создание поверхностных структур с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц. – Физика и химия обработки материалов,
2005, №1, с.61–65.
Lee I.P., Maslennikov O.Yu., Roukhlyada N.Ya. Modification of the dispenser cathode surface with a pulse plasma. – Fourth IEEE International Vacuum Electron Source Conference, IVESC 2003, Seoul, Korea, 2003, p.313–314.
А.С. №2040821, 1991. СВЧ-прибор М-типа./ Махов В.И., Бондаренко Б.В., Копылов М.Ф.
Патент РФ №2019877. Приоритет 17.04.1991. Магнетрон с безнакальным катодом./Пипко Ю.А., Семенов Л.А., Галактионова И.А. и др.
Патент РФ № 2380784. Приоритет с 24.10.2008. Магнетрон с безнакальным запуском./Ли И.П., Дюбуа Б.Ч., Каширина Н.В. и др.
Васильева Е.В., Дюбуа Б.Ч., Ермолаев Л.А., Култашев О.К. Эмиссионные свойства сплавов Pt-Ba, Ir-La, Os-La. – Радиотехника и электроника, 1966, т.11, вып.11, с.1150.
Дюбуа Б.Ч. Современные эффективные катоды. – Радиотехника и электроника, 1999, №4, с.55.
Ли И.П., Поливникова О.В. Прессованный катод. – Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника, 2012, №1, с.21–24.
Ли И.П., Бондаренко Г.Г. Использование водородно-вакуумной обработки порошков палладия для получения эффективных металлосплавных катодов безнакального магнетрона. – Перспективные материалы, 2012, №1, с.30–34.
Ли И.П., Петров В.С., Поляков В.С. и др. Анализ современных представлений о синтезе наноразмерных эмиссионных гетероструктур на поверхности палладий-бариевого катода при активировании. – Известия вузов. Электроника, 2012, №3, с.19–25.
Харитонова Н.Е., Ли И.П., Силаев А.Д. и др. Исследование путей повышения качества прессованных палладий-бариевых катодов. – Материалы XXII Международной конференции "Радиационная физика твердого тела", 2012.
Отзывы читателей
