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

Анотація – Розглянуто проблеми, що виникають при розробці довговічних магнетронів мають основний холодний вторинно-емісійний катод і допоміжний імпрегнірованнийс термокатодом для порушення вторинної емісії.

I. Вступ

Використання холодних вторинно-емісійних катодів в магнетронах представляється одним з перспективних напрямків розвитку цього класу приладів. Для “підпалу”, тобто порушення процесу вторинної емісії в таких магнетронах запропоновані різні способи. Найбільш простим і широко застосовуваним для цієї мети засобом є допоміжний термокатодом.

Вважається, що магнетрони з вторинно-Аміс-сійного катодами будуть мати дуже велику довговічність, якщо використовувати в якості матеріалу катода чистий метал, наприклад платину [1]. Проте в літературі практично немає відомостей про реальну довговічності приладів М-типу з такими катодами. У той же час є деякі підстави сумніватися в однозначною справедливості такого твердження. Особливо це стосується магнетронів, які мають допоміжний термокатодом. В цьому випадку довговічність магнетрона може бути обмежена, в першу чергу, довговічністю допоміжного катода. Однак і вдруге – емісійний катод також Може змінити свої параметри в умовах інтенсивної електронної та, особливо, іонної бомбардірокі

[2]. Крім того, можлива поява нестабільності властивостей цього катода через напилення на його поверхню продуктів випаровування з термокатодом [3].

II. Основна частина

Проведені за останні кілька років випробування магнетронів такої конструкції на термін служби показали, що ці явища дійсно мають місце. Зокрема з’ясувалося, що після тривалої роботи полірована поверхня платинового дру-річно-емісійного катода стає матовою, а найближча до термокатодом частина покривається нальотом до складу якого входять, в основному, компоненти активної речовини катода [4

Необхідною умовою тривалої роботи термокатодом, є низька робоча температура. Якщо в магнетроні використовується термокатодом у вигляді диска розташованого на місці одного з кінцевих екранів, то за нашими даними впевнене збудження вторинної емісії досягається при початковому струмі, що становить 1 … 2% від робочого. При цьому щільність струму на поверхні допоміжного катода виявляється на рівні 2 … 5 А / см2, А робоча температура звичайного импрегнірованого катода становить 950 … 1000 ° С. Однак при характерних для імпульсних магнетронів високих анодних напругах виявляється, як правило, що потрібну щільність струму можна отримати лише в режимі обмеження емісії температурою.

Як відомо, емісійна здатність катода залежить від великої кількості факторів. Особливо це характерно для магнетронів, де крім усього іншого катод схильний інтенсивної електроннной і іонної бомбардуванню. Зазвичай катоди електровак-кумних приладів працюють в режимі обмеження просторовим зарядом. При цьому істотно послаблюється вплив зміни емісійної здатності катода на вихідні характеристики приладу. У нашому випадку зміна емісійної здатності катода приводить до негайного зміни первічного.тока. Хоча практично весь робочий струм забезпечується за рахунок вторинно-емісійного катода, проте нестабільність первинного струму призводить до нестабільності положення переднього фронту вихідного імпульсу або навіть до повного припинення генерації.

Спроби працювати при температурі катода вище необхідної, щоб мати запас по емісійної здатності катода призводять не тільки до скорочення довговічності термокатодом, але і збільшує напилення продуктів випаровування катода на поверхні, що оточують простір взаємодії магнетрона. Досвід показує, що напилення на поверхню анода порівняно невелике і мало позначається на роботі магнетрона. В Водночас напилення барію на поверхню платинового покриття основного вторинний-но-еміссіононого катода приводить до зниження коефіцієнта вторинної емііссіі аж до значень менших одиниці. Фізично це проявляється в неможливості порушити вторинну емісію при будь-яких значеннях первинного струму. Напилювання оксидів володіють діелектричними властивостями приводить до розмиття огинаючої СВЧ імпульсу викликаної нестабільністю анодного струму.

Таким чином, при використанні термокатодом в качесве стартового стикаємося з низкою проблем, настільки серйозних, що виникає питання про доцільність використання такої схеми побудови магнетронів. На наш погляд ці труднощі можна все-таки подолати, використовуючи, зокрема, такі підходи:

Поліпшення вакуумного стану. Це дозволяє поліпшити стабільність роботи магнетрона як за рахунок усунення явищ отруєння катода залишковими газами, так і за рахунок зменшення рівня іонної бомбардування.

Вибір типу катода. Хоча в даний час в якості стартових в магнетронах найчастіше застосовуються імпрегновану катоди, можливо більш доцільно було б застосувати інші типи катодів наприклад борид-лантанових або сплавні. На жаль, ці катоди мають більш високу робочу температуру, що знижує надійність підігрівача.

Використання автоматичної системи регулювання напруження підтримує його на мінімально необхідному рівні. В якості критерію при цьому можуть бути використані, наприклад, величина середнього анодного струму або відсутність пропусків імпульсів. При сучасній елементній базі така система може бути досить компактною і надійною.

Спроба реалізації цих підходів була зроблена нами при розробці експериментального магнетрона на довжину хвилі 3 мм для РЛС з високою роздільною здатністю [5, 6].

Цей магнетрон мав сімметроічний анодний блок з числом резонаторів N = 24 і працював в режимі взаімодейсвія електронного потоку з-1й просторової гармонікою виду N/4-2. Магнетрон мав основний холодний платиновий катод і стартовий термокатодом. Термокатодом мав форму диска і розташовувався на місці одного з кінцевих екранів. З метою зниження робочої температури в цьому магнетроні використовуватися імпрегноване катод з плівкою осмію.

Для підтримки високого вакууму, ці прилади були забезпечені мініатюрним магніторазрядних насосом. Крім того, після знегажування в печі прилади піддавалися тривалій динамічної треніроке в режимах більш жорстких, ніж при роботі в апаратурі. При цьому здійснювалася безперервна відкачка титановим випарним насосом, який після завершення тренування відокремлювався від магнетрона.

Попередні випробування показали, що робоча температура осмірованних катодів виявилася приблизно на 50 ° С нижче ніж звичайних, що безсумнівну позначилося надалі на їх довговічності. На жаль, використання осмірованних катодів спричинило і негативні наслідки. У приладів з такими катодами істотно зросла залежність вихідної потужності від потужності напруження. Мабуть це пов’язано з більш високим КВЕЕ осмірованних катодів. Електрони інжектовані в простір взаємодії магнетрона з великою аксіальної складової швидкості можуть, за певних умов, відбирати енергію від високочастотного поля і повертатися на бічній катод вибиваючи все нові вторинні електрони. При підвищенні температури допоміжного катода в простір взаємодії інжектується більший струм. Це призводить до зниження ефективності процесу взаємодії електронного потоку з високочастотним полем, так як траєкторії електронів, що вилітають з бокового допоміжного катода істотно відрізняються від траєкторій електронів емітованих основним дру-річно-емісійним катодом.

Крім того, зменшення потужності напруження викликане зниженням робочої температури призвело до того, що вона стала порівнянною з потужністю зворотного бомбардування. Внаслідок цього з’явилася необхідність коригувати потужність напруження при зміні режиму роботи магнетрона.

Були проведені випробування таких магнетронів з метою визначення ресурсу довговічності. В процесі випробувань анодна напруга підтримувалося незмінним, а потужність розжарення мінімально необхідної для стабільної роботи приладу. Магніторазрядних насос залишався включеним протягом усього часу випробувань, проте струм його не контролювався.

З поставлених на випробування трьох приладів всі три відпрацювали по 5000 годин при тривалості імпульсу 20 не, частоті повторення 20 кГц і вихідний імпульсної потужності близько 1 кВт. В процесі роботи у двох магнетронів порушувалася центровка, основного катода і її доводилося відновлювати. З цієї причини ці прилади були зняті з подальших випробувань. Випробовування третього приладу були продовжені в більш жорсткому режимі. Тривалість імпульсу була збільшена до 30 не, а вихідна потужність до 1,5 кВт. В такому режимі магнетрон відпрацював ще 5000 годин і залишився цілком працездатним. На рис.1 приведена залежність потужності, а на рис. 2 частоти від часу напрацювання. З першого малюнка видно, що на першому етапі випробувань потужність монотонно зменшувалася, а на другому, спочатку зростала, а потім теж стала зменшуватися.

Рис. 2. Залежність частоти генерації від часу напрацювання.

Fig. 2. Operation frequency versus operating time

Монотонне зміна частоти, мабуть, пов’язано з напиленням на резонаторних систему продуктів випаровування допоміжного катода і, як видно з малюнка, за 10000 год не перевищила 100 МГц. Ці, дуже хороші для Змм діапазону результати були б неможливі без застосування холодного вторічноеміссіонного катода.

При тривалих випробуваннях в повній мірі проявилися недоліки обумовлені роботою допоміжного катода в режимі обмеження емісії температурою. Вони проявлялися, головним чином, в

необхідності час від часу коригувати потужність розжарення цього катода. Навіть порівняно невеликі, в межах 3-5 градусів, зміни температури в приміщенні, де проводилися випробування через кілька десятків або сотень годин приводили до помітного зміни емісійної здатності катода, що вимагає коригування напруги напруження. В іншому випадку при зниженні емісії відбувався зрив анодного струму, а при її збільшенні знижувалася вихідна потужність. У зв’язку з цим, була зроблена спроба використовувати систему автоматичного регулювання потужності напруження, що підтримувала середній анодний струм в заданих межах. При виході величини середнього струму за межі заданого коридору вона здійснювала автоматичний вибір потрібної величини потужності напруження. На жаль, ця система виявилася недостатньо надійною і універсальною. Крім того, при кожній перевстановлення потужності напруження магнетрон на кілька хвилин виходив з режиму генерації, що істотно звужує сферу застосування таких магнетронів.

III. Висновок

Отримані результати показують, що проблема створення імпульсних магнетронів з довговічністю 10000 і більше годин в короткохвильовій частині міліметрового діапазону цілком вирішувана. Основні труднощі, виникають при цьому, пов’язані з нестабільністю емісії стартового катода, що працює в режимі температурного обмеження. При використанні дискового импрегнірованого катода з плівкою осмію розташованого на місці одного з кінцевих екранів виникає необхідність частого коригування напруги напруження, що робить такі магнетрони малопридатними для практичних застосувань. Труднощі, пов’язані з використанням термокатодом для “підпалу” магнетронів з вторічноеміссіонним катодом, залишають актуальним пошук альтернативних варіантів.

IV. Список літератури

[1] Сковрон. Підсилювач М-типу з розподіленою емісією. В СБ “Потужні електровакуумні прилади НВЧ”: Під ред. Л. Клемпітта. Перев. з англ. М., Мир, 1974.

[2] К. П. Редега, Д. І. Ширяєва, Г. Ф. Лоренц. Зміна структури поверхні кеатодов в процесі тривалої експлуатації. Електронна техніка. Сер. Електроніка НВЧ, № 2, 1988.

[3] Воронін В. І. Вторинна електронна емісія Pt, Pd, Ge і сплавів Pt-C, Pd-C, і Ni-C в потоці барію. Елек-тронна техніка. Сер. 1. Електроніка СВЧ, 1969, № 8,

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

Р. І. Старовойтов. Процеси на поверхні вторинний-но-емісійного катода магнетрона міліметрового дапазона / / Матеріали 16-ї міжнародної конференції “Взаємодія іонів з поверхнею”. Москва, 2003, 25-29 серпня 2003 Т. 2, С. 350-353.

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

А. Р. Сиров. Імпульсний 3 мм магнетрон з великим терміном служби. Радіофізика і радіоастрономія,

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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»