Еремка В Д, Копоть М А, Кулагін О П

Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Академіка Проскури 12, м Харків, 61085, Україна e-mail: yeryomka@irel

I                                       Введення

Магнетрон одна з перших вакуумних електронних ламп – генераторів електромагнітних коливань надвисокої частоти [1-25] І в даний час магнетрони знаходять широке застосування внаслідок того, що мають порівняно високі ККД і потужність, просту конструкцію, невеликі габарити і вага [5-8] Це прилади із замкнутим електронним потоком і замкнутою періодичної замедляющей системою, в яких ефективне взаємодія електронного потоку з високочастотним електромагнітним полем відбувається в статичних схрещених електричному і магнітному полях Взаємодія в магнетронах здійснюється в просторі між коаксиально розташованими катодом і анодом, яке називають простором взаємодії

Можна відзначити дві особливості магнетронов, які відрізняють їх від інших НВЧ приладів Одна з них – періодична уповільнююча система (ЗС) анодного блоку магнетрона, що виконує функцію резонансної електродинамічної системи, служить також колектором відпрацьованих електронів Інша

– в магнетронах завжди має місце бомбардування катода електронами, що повертаються на його робочу поверхню Термін служби термоелектронних катодів магнетронов помітно скорочується при просуванні генераторів в короткохвильову область міліметрового діапазону, де щільність робочого струму на катоді досягає 100 А / см ^ і більше У звязку з цим розробка ефективних катодів, що забезпечують великий термін служби магнетронов була і залишається актуальним завданням

Застосування навіть найбільш ефективних типів сучасних термоелектронних катодів не приводить до вирішення проблеми терміну служби магнетронов, що працюють в короткохвильовій області міліметрового діапазону хвиль (МДВ) [10]

Коаксіальні магнетрони (КМ) і звернені КМ (ОКМ) є прогресивним рішенням згаданих вище проблем Однак при просуванні КМ в короткохвильову область МДВ виникають нові технологічні труднощі при виготовленні його складною системи резонатора [9]

Для освоєння МДВ успішно застосовані запропоновані, створені та досліджені в ІРЕ ім А Я Усикова НАН України конструкції магнетронів поверхневої хвилі (МПВ), тобто магнетронов на просторових гармоніках [4-6, 14-24] У порівнянні з конструкціями традиційних магнетронів на коротких міліметрових хвилях МПВ мають збільшені розміри простору взаємодії і працюють при менших величинах магнітних полів і анодних напруг [4-8] Результати розробки і створення МПВ МДВ на просторових гармоніках представлені в оглядах [4-6]

В даний час рішення задач, спрямованих на поліпшення енергетичних характеристик і збільшення терміну служби магнетронов сантиметрового і МДВ, залишається актуальним

Протягом останніх 60 років в Україні та Росії виконано багато проектів присвячених многорезо-наторним магнетрон з холодним вторічноеміссіонним катодом (ВЕК) – генераторів як сантиметрових, так і міліметрових хвиль [8-39] Робочий струм

– струм вторинно-електронної емісії (ВЕЕ) стимулюють первинними електронами, що випускаються малопотужним термоелектронним (в МПВ) або польовим емітером (в КМ) Такі магнетрони знаходять широке застосування в сучасній радіоелектронної апаратурі

У даному повідомленні представлений огляд основних результатів досліджень і розробок магнетронов з холодним ВЕК сантиметрового (КМ) і МДВ (МПВ), виконаних в ІРЕ ім А Я Усикова НАН України (ІРЕ НАНУ) за період з 1955 по 2005 рр. і в РІ НАН України (РІ НАНУ) – з 1985 по 2005 рр.

II                              Основна частина

21 З історії створення магнетронов з холодним ВЕК в Харкові

З метою усунення додаткового підігріву катода зворотніми електронами, що виникає внаслідок процесів в просторі взаємодії магнетрона, в 1945 – 1947 рр. в Українському (Харківському) фізико-технічному інституті (УФТІ-ХФТІ) Вигдорчик І М була запропонована і експериментально обстежена конструкція «магнетрона з боковим катодом» (МБК), що працював в сантиметровому діапазоні хвиль [12, 13] В МБК (рис1, а, б), уздовж осі простору взаємодії замість термоелектронного катода встановлений металевий стрижень – мідний циліндр з графітовим чохлом або платиновим покриттям (холодний катод) Додатковий термоелектронний катод (ДТК) прямого напруження (у вигляді спіралі з вольфраму) розміщений співвісно з холодним катодом біля торця анодного блоку за межами простору взаємодії

Перші МБК мали два режими роботи В одному режимі робочий анодний струм генератора, був інжектовані з ДТК 2 При цьому коефіцієнт вторинний-но-електронної емісії (ВЕЕ) холодного катода був менше одиниці (Металевий циліндр 6 закритий чохлом 4 з графіту)

В іншому режимі ток забезпечували за рахунок ВЕЕ з металевої поверхні внутрішнього циліндра 6 При цьому матеріал емітера холодного катода в просторі взаємодії магнетрона мав КВЕЕ більше одиниці

Рис 1 а) Зовнішній вигляд макета МБК, б) схематичне зображення макета МБК:

1-екран 2-додатковий термоелектронний катод 3 – анодний блок 4 – чохол 5 – система рідинного охолодження 6 – металевий циліндр

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

У 1965 р з ініціативи І М Вигдорчик у Відділі імпульсного генерування ІРЕ НАНУ (зав відділом І Д Трутень) були розпочаті дослідження МПВ на просторових гармоніках МДВ з холодними ВЕК За період з 1965 по 1985 рр. були реалізовані розробки і дослідження експериментальних зразків імпульсних МПВ з ВЕК на просторових гармоніках практично у всьому МДВ [14 – 23] З 1985р при розробці та створенні імпульсних магнетронів МДВ з основним холодним ВЕК і бічним ДТК в РІ НАНУ більше уваги приділяється технологічним та прікпадним аспектам [24-29]

Наприкінці 1990-х р в ІРЕ НАНУ відновлені дослідження КМ [30, 34-36] Проводиться розробка та дослідження імпульсних КМ сантиметрового діапазону хвиль з холодним ВЕК і додатковим польовим (Автоелектронний) емітером, а також імпульсних КМ МДВ на просторової гармоніці з холодним ВЕК

22 Холодні ВЕК в магнетронах

У магнетронах холодні ВЕК є джерелами робочого струму Широке застосування в магнетронах знайшли обємні ВЕК – металеві (Мо, Pt) [5-8, 14-24], імпрегновану емітери на основі пористого вольфраму, просоченого алюмінатом барію-кальцію [30, 34-41], а також сплавні (1г-Се Pd-Ba Pt-Ba) [42, 43],

Результати дослідження холодних катодів, в тому числі ВЕК, в генераторних магнетронах, представлені в ряді робіт [4-8, 14-41] Jepsen R L, і Muiier М W провели грунтовне експериментальне дослідження магнетронов сантиметрового діапазону хвиль з холодними ВЕК, в яких як вторинно-електронного емітера були застосовані чисті метали – платина і молібден [44] Процес ВЕЕ може бути самопідтримуваним, якщо ефективний коефіцієнт ВЕЕ матеріалу катода більше одиниці

Фундаментальні дослідження імпульсних магнетронів МДВ з різними способами збудження ВЕЕ з холодного катода здійснені в ІРЕ НАНУ [14-23] Вольтамперная характеристика одного з таких магнетронів, представлена ​​на рис 2

Зрив анодного струму відбувається, як правило, при величині робочої напруги близької до критичного її значенням Лінію, що зєднує точки зриву струму при різних напряженностях магнітного поля називають зазвичай кордоном максимальних струмів

(ГМТ) Положення ГМТ для кожного окремого магнетрона визначається величиною коефіцієнта ВЕЕ матеріалу емітера Максимальну величину анодного струму магнетрона визначають величина анодного напруги, вторічноеміссіонние властивості катода і геометрія простору взаємодії

Рис 2 Вольтамперная характеристика магнетрона з холодним ВЕК

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

Для здійснення раціонального вибору геометрії простору взаємодії магнетрона, необхідно мати дані про величину максимального робочого струму приладу Відомий ряд співвідношень, що дозволяють розрахувати максимальний струм вторинної емісії Одне з них має вигляд [15]

де Sffj – максимальне значення КВЕЕ для обраного матеріалу емітера холодного ВЕК h ^ – осьова

‘Л

довжина анода β – функція відношення г ^ г ^ ·, г ^ радіус анодного отвору – Радіус ВЕК

Результати розрахунку максимального струму ВЕЕ за співвідношенням (1) відповідають результатам вимірювань максимального струму в магнетронах з ВЕК, працюють поблизу критичного режиму У згаданих магнетронах протяжність простору взаємодії вздовж осі приладу зазвичай становить

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р