Гурко А. А. Відкрите акціонерне товариство «Плутон» 11, вул. Ново-Сиромятніческая, Москва, 105120, Росія Тел:. 916-87-57, Факс :916-19-20 Марин В. П. Центр по дослідженню матеріалів і технологій 4, вул. Мосфільмовская, Москва, 119285, Росія Тел.: 143-67-77Факс :143-06-45, E-mail: atom@gol.ru

Анотація – Наведено експериментальні результати підвищення емісійної здатності малорозмірних катодів магнетронів міліметрового діапазону довжин хвиль.

I. Вступ

Створення надійних сучасних магнетронів міліметрового діапазону довжин хвиль, як і раніше залишається технічно складною задачею. За допомогою магнетронів практично освоєна довгохвильова область міліметрового діапазону довжин хвиль. Робляться енергійні спроби освоєння з допомогою магнетронів короткохвильової області міліметрового діапазону. В ІРЕ НАН України створені експериментальні зразки імпульсних магнетронів на хвилі 1,25 мм з вихідною потужністю 1 кВт [1]. Малі розміри простору взаємодії низьковольтних малопотужних магнетронів і магнетронів короткохвильової частини міліметрового діапазону обумовлюють необхідність роботи катода в режимі відбору великих густин струму, що досягається форсуванням робочої температури. Це призводить до суттєвого зменшення терміну служби магнетронів.

Величина щільності робочого струму магнетрона залежить від типу його коливальної системи і режиму взаємодії електронного потоку з високочастотним полем. Аналіз показує, що при довжинах хвиль менше 8-мм в коаксіальному магнетроні відбувається втрата управління частотою генерації внаслідок збільшення щільності перебудови частоти. Метод масштабного моделювання разноре-зонаторной системи типу «rising-sun» поки не дозволив створити магнетрони з робочою хвилею коротше 3 мм. Теоретичне та експериментальне дослідження в Росії нестандартного режиму роботи магнетронів, запропонованого в ІРЕ ім. А.Я. Усикова НАН України (м. Харків), дозволило створити першу і поки єдину в світі промислову конструкцію імпульсного 2-мм магнетрона з рекордним для діапазону рівнем вихідної потужності 4 кВт [2]. «Харківський режим »роботи магнетронів базується на механізмі взаємодії електронного потоку з нижчою просторової гармонікою поля одного з дублетних видів коливань анодної одно-резонатора системи. При рівність напруг анода радіальні розміри простору взаємодії магнетронів, які працюють в режимі коливань не тт-виду, в 1,5-2 рази більше відповідних розмірів коливальної системи магнетрона- аналога, що працює на тт-вигляді коливань [3], що дозволяє істотно зменшити струмовий навантаження на катод. Однак при цьому довговічність створених магнетронів не перевищує мінімально прийнятною для практичних застосувань. Подальше збільшення терміну служби, зокрема, імпульсних короткохвильових магнетронів, ймовірно, визначається можливістю підвищення ролі вторинної емісії.

У повідомленні представлені результати дослідження можливості оптимізації умов роботи катода в магнетроні міліметрового діапазону з урахуванням процесів вторинної емісії.

II. Основна частина

В [4] для підвищення ефективності роботи катода в магнетроні пропонується робочий режим по магнітному полю вибирати з умови

СО з – 4лпй)0, Де СОз – Циклотронна частота, з0– Частота генерації, п = 1,2,3 … Стверджується, що залежність струму вторинної емісії від СОз має максимуми при виконання цього співвідношення. Однак, в міліметровому діапазоні величина СОз виявляється менше 4ЖФ0

Результати дослідження хвильових і коливальних явищ в електронних потоках на надвисоких частотах при всій різноманітності вихідних передумов і механізмів поведінки просторового заряду в переважній більшості передбачають збільшення бомбардування катода при погіршенні однорідності постійних полів в просторі взаємодії [5]. Встановлено, що катод піддається сильної бомбардування не тільки несінфазнимі електронами, але навіть за відсутності генерації на робочому вигляді. «Рівень зворотного бомбардування зазнає мало помітна зміна при переході порога генерації коливань» [6]. «Надмірну» потужність бомбардування катода електрони набувають внаслідок існування в просторовому заряді коливальних процесів. Згідно [7] коливання в електронному хмарі виникають при значеннях щільності струму термоемісії з катода значно менших, ніж величини, необхідні для встановлення режиму обмеження струму просторовим зарядом при відсутності в ньому коливальних процесів.

Визнаючи залежність працездатності магнетрона від конфігурації схрещених полів, на практиці оптимізацію їх розподілу розробники зводять переважно до підбору експериментальним шляхом розмірів катодних екранів і відстані між ними, конфігурації торців полюсних наконечників, забезпечують необхідну якість спектру електромагнітних коливань і величину електронного зсуву частоти. При цьому факт впливу топографії схрещених полів на ефект «розмноження» первинних електронів виявляється поза полем зору. Так, наприклад, підвищення стабільності роботи магнетрона з кільцевим виступом на емітер пояснюється як результат описаного в [7] наслідки збільшення відносини

радіусів гдо катода і Га анода.

В [8] відзначається можливість збільшення стабільності збудження робочого виду коливань при невеликому збільшенні діаметру катода «протягом малого відстані від кінців». Аналіз на основі сучасні уявлень виникає при цьому спотворення вольтамперной характеристики свідчить про посилення коливальних процесів в просторовому заряді. Природним було припустити, що посилення коливальних процесів в просторовому заряді викликає збільшення зворотного бомбардування катода і, як наслідок, підвищення вторинної емісії. Заміна циліндричного емітера на емітер з буртиком показала, що межа максимального струму, положення якої за твердженням [9] «дуже чутливо до вторічноеміссіонним властивостями» катода, змістилася в область більших значень. Заміна виступаючого буртика геометрично подібної канавкою на поверхні емітера давала аналогічний результат.

Конструкція емітера з виступаючим буртиком не отримала широкого розповсюдження. І найбільш імовірною причиною цього було явище зменшення ККД магнетрона, яке мало місце одночасно з підвищенням стабільності збудження.

Збільшення ефективності коливальних процесів у втулці просторового заряду можна досягти тільки за рахунок зміни величини осьової складової індукції магнітного поля Bz{z)r=const

по висоті простору взаємодії. В області від радіуса синхронізації до кордону анода осьова складова магнітного поля в межах висоти анода h зберігалася максимально постійною. На рис. 1 приведена оптимальна, судячи з впливу її зміни на параметри магнетрона, епюра поздовжньої складової індукції магнітного поля для магнетрона короткохвильової частини міліметрового діапазону. Поліпшення однорідності поля в

області між радіусом га анода і радіусом гз

синхронізації призводить до зменшення ЕСЧ і необхідності збільшення стартовою температури катода .. І навпаки, збільшення неоднорідності індукції магнітного поля в прикатодной області дозволяє зменшити стартову температуру катода, але супроводжується зростанням ЕСЧ, оскільки погіршується

однорідність поля в області Таз. Це відбувається

тому, що не вдається зменшити неоднорідність поля в дуже обмеженій зоні. При зміні конфігурації полюсних наконечників відбувається одночасна зміна Bz(R) в площині поперечного перерізу простору взаємодії (h = const) і Bz{H) на поверхні циліндра постійного радіуса (г = const). У цьому основний недолік управління інтенсивністю зворотного бомбардування катода шляхом зміни неоднорідності магнітного поля. Цей недолік в значно меншій мірі притаманний управління зміною неоднорідності постійного електричного поля при локальному зміні діаметра емітера.

При малих розмірах поверхні емітера найбільш ефективною представляється неоднорідність у формі многозаходной різьблення.

Коливальні процеси у втулці просторового заряду викликають значні за величиною струми витоку в просторі взаємодії, і ця обставина є чинником, що обмежує можливість збільшення вторинної емісії. При розподілі індукції магнітного поля, показаному на рис. 1, стартова і робоча температура композиційного емітера в порівнянні з однорідною структурою магнітного поля допускали зниження на 200. .. 250 ° С.

III. Висновок

Збільшення вторинної емісії в сукупності зі збільшенням радіальних розмірів простору взаємодії за рахунок переходу в не тт-видному магнетроні на разнорезонаторную систему щілину-лопатка або переходу до взаємодії електронного потоку з вищими просторовими гармоніками тт – виду дозволяють збільшити довговічність магнетрона практично в 5 – 7 разів при збереженні ефекту старіння (зміни частоти за рахунок катодних напилених).

IV. Список літератури

[1] Усиков А. Я, Канер Е. А., Трутень І. Д. та ін Електроніка та радіофізика міліметрових і субміліметрових раліоволн. – Київ: Наукова думка, 1986. с.7-20.

[2] Гурко А. А., Еремко В. Д. Стан та перспективи розвитку магнетронів міліметрового діапазону хвиль. / / Матеріали 10-ій Міжнародній Кримської мікрохвильової конференції («КриМіКо-2000») «СВЧ-техніка та телекомунікаційні технології ». Севастополь, Україна. – Р. 23

[3] Бернштейн, Кролл. «Магнетрони разнорезонаторного типу імпульсного і безперервного дії, що працюють в режимі слабкого поля». Збірка «Електронні СВЧ прилади зі схрещеними полями», т. 2. Переклад під загальною редакцією М. М. Федорова. «Іноземна література». Москва. 1961

[4] Патент США № 3.305.753 Кл.315-39.63. Пріоритет в США-1953 року заявник: «Westinghouse Electronic Corporation». Винахідник: Richard A. White.

[5] «Динамічні явища (Шум і хвилі просторового заряду)». Збірка «Електронні СВЧ прилади зі схрещеними полями», т. 1. Переклад під загальною редакцією М. М. Федорова. «Іноземна література». Москва. 1961

[6] Сімс. «Предгенераціонние явища в хмарі просторового заряду нижче основного порога коливань». Збірка «Електронні СВЧ прилади зі схрещеними полями», т. 1. Переклад під загальною редакцією М. М. Федорова. «Іноземна література». Москва. 1961

[7] соминського Г. Г. Визначення мінімальних значень струму термоемісії, необхідних для виникнення коливань просторового заряду в магнетроні. Тези доповідей VI Міжвузівської конференції по електроніці НВЧ. Мінськ. 1969

[8] Коваленко В. Ф. «Введення в електроніку надвисоких частот». Вид. «Радянське радіо». М.: 1955

[9] «Магнетрони сантиметрового діапазону», т.1. Переклад за редакцією С. А. Зусмановського. «Радянське радіо». Москва. 1950

[10] Джепсен. «Збільшена емісія». Збірка «Електронні СВЧ прилади зі схрещеними полями», т. 1. Переклад під загальною редакцією М. М. Федорова. «Іноземна література». Москва, 1961 р.

Рис. 1. Топографія осьової складової магнітного поля Bz(Z) в просторі взаємодії (нижче див пояснення).

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

Ліва вертикальна вісь: Осьова складова індукції магнітного поля, В2, Відн.од.

Права вертикальна вісь: Радіальна координата Горизонтальна вісь: Осьова координата в просторі взаємодії, мм Тдо – Радіус катода (1,025 мм);

Г – радіус синхронізації (1,17 мм);

Гд – радіус Бріллюена (1,45 мм);

Га – Радіус 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.

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