Современная техника сверхвысоких частот (СВЧ) характеризуется большим разнообразием типов генераторов, среди которых особое место занимают магнетроны, конструкция и технология изготовления которых непрерывно совершенствуются. Это обусловлено тем, что магнетроны импульсного или непрерывного действия благодаря ряду достоинств: высокому коэффициенту полезного действия (КПД), компактности, надёжности, стабильности, большой мощности генерируемых колебаний и т. д., нашли широкое применение в радиолокационных и навигационных системах, в аппаратуре слежения и радиопротиводействия, в сельском хозяйстве, медицине и в устройствах оборонно-промышленного комплекса (ОПК). Работоспособность и стабильность эксплуатационных параметров магнетронов в значительной степени зависят от физических свойств катодов. Это связано с тем, что эмитирующая поверхность катодов, находясь непосредственно в области взаимодействия электронных потоков и высокочастотных электромагнитных полей, подвергается интенсивной бомбардировке потоками ионов и электронов. Такое воздействие приводит к изменению физико-химических, геометрических, эмиссионных и других свойств катодов, влияющих на эксплуатационные параметры приборов. Поэтому при конструировании магнетронов чрезвычайно важно из множества существующих вариантов катодно-подогревательных узлов (КПУ) сделать правильный выбор конструкции и технологии изготовления катодных узлов (КУ), которые в полной мере обеспечивали бы достижение требуемых эксплуатационных параметров приборов.
В настоящее время в России и за рубежом выпускаются различные типы магнетронов импульсного действия, отличающиеся друг от друга частотой генерируемых колебаний, выходной мощностью и временем готовности, классифицировать которые по тем или иным признакам весьма затруднительно. Однако после создания в ОАО «Плутон» совершенно нового класса импульсных магнетронов с практически «мгновенной» готовностью [1, 2], стало возможным разделение магнетронов на две условные группы: накаливаемые магнетроны с конечным временем готовности (первая группа) и магнетроны мгновенного действия (вторая группа).
В магнетронах первой группы возбуждение генерации и его поддержание обеспечивается термо-вторично-эмиссионным катодом, который требует определённого промежутка времени между подачей питающего напряжения накала и его нагревом до рабочей температуры. Это время, в течение которого температура катода достигает такого уровня, при которой величина тока термоэлектронной эмиссии становится достаточной для инициирования генерации, что собственно, и определяет время готовности магнетрона. Время готовности магнетронов с накаливаемыми катодами, в зависимости от конструкции и технологии изготовления КПУ, колеблется от нескольких секунд (прямонакальные катоды) до нескольких минут (катоды с косвенным накалом). В отдельных случаях уменьшение времени готовности магнетронов достигается в результате кратковременной подачи на подогреватель повышенного напряжения накала (форсированный режим) или за счёт поддержания катода в нагретом состоянии («дежурный» режим).
Однако, как первый, так и второй режимы неблагоприятно сказываются на эксплуатационных параметрах магнетронов: форсированный режим снижает надёжность подогревателей, а «дежурный» — сопровождается испарением компонентов с катодов и их конденсацией на изоляторах, полюсных наконечниках, ламелях анодно-резонаторных систем и других внутренних деталях магнетрона, снижая электрическую прочность приборов, искрения, уходы частоты генерируемых колебаний [3,4].
Совершенно иными тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками обладают магнетроны с безнакальным запуском, в которых инициирование генерации обеспечивается полевой эмиссией с «холодных» автоэлектронных катодов (АЭК), благодаря чему достигается практически мгновенная готовность магнетрона. В табл. 1 приведены отдельные сравнительные характеристики магнетронов с накаливаемым катодом и безнакальным запуском.
Таблица 1.
Некоторые отличительные особенности магнетронов с накаливаемыми катодами и магнетронов с безнакальным запуском.
Характеристики магнетронов Магнетрон с накаливаемым термо-вторично-эмиссионым катодом Магнетрон с безнакальным запуском.
Необходимость в нагреве катода во время запуска магнетрона в режим генерации Требуется Не требуется.
Необходимость в блоке накала катода при эксплуатации магнетрона Требуется Не требуется.
Температура катода при запуске магнетрона в режим генерации 1300- 1400 (К) в зависимости от типа катода Температура окружающей среды, в том числе при т — ре Т~-60°С.
Время готовности магнетрона До 1,5 — 2 с (КПУ с прямым накалом) — до 3 мин. и более (КПУ с косвенным накалом) Запуск в режим ~ «генерации с первого импульса.
Срок службы магнетрона (час) Не более 3 ООО Не менее 5 ООО.
Катодные узлы магнетронов с безнакальным запуском состоят из комбинации или симбиоза чередующихся автоэлектронных и вторично-эмиссионных катодов (ВЭК), изготовленных из специальных композиционных материалов с определённой структурой и свойствами. Детальные исследования, выполненные при разработке и выпуске подобных магнетронов, показали, что воспроизводимость электрических параметров и срок их службы в первую очередь зависят от надёжности ВЭК. Свойства ВЭК в условиях интенсивной ионной и электронной бомбардировок должны быть многоплановыми: наряду с сохранением своих вторично-эмиссионных свойств, должны обеспечивать непрерывную и стабильную активировку АЭК. Процесс активирования заключается в том, что испарённое из ВЭК активное вещество, например, барий, частично конденсируясь на рабочей поверхности АЭК, снижает работу выхода электронов из материала АЭК от значения фТа" 4,25 эВ до Фта-ва 2,2 эВ. Благодаря этому, несмотря на сравнительно низкое значение напряжённости электрического поля у поверхности АЭК (Е ~ 5 105 В/см для магнетрона МИ-463), ток полевой эмиссии возрастает в десятки тысяч раз. В частности, у магнетрона МИ-463 величина тока автоэлектронной эмиссии возрастает от нескольких микроампер до 30.40 мА после активирования АЭК. Степень и стабильность активирования АЭК целиком и полностью зависят от физических свойств ВЭК.
Учитывая чрезвычайную важность создания и производства отечественных магнетронов с безнакальным запуском на основе ВЭК, целью настоящей диссертационной работы является изыскание способов формирования структуры и требуемых физических свойств ВЭК и разработка на этой основе управляемой технологии изготовления катодов из композиционных соединений, обеспечивающей высокую надёжность, стабильность и воспроизводимость эксплуатационных параметров магнетронов такого типа.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ и обобщение физических процессов, протекающих во время работы катодов с различными типами эффективных эмиттеров, направленные на выяснение причин, обуславливающих деградацию электрических параметров магнетронов с безнакальным запуском в процессе их производства и эксплуатации.
2. Исследование влияния различных факторов: зернистости исходных порошков (палладия и интерметаллида Pd5Ba), соотношения компонентов в пресс — порошке, режимов прессования и спекания и др., на эмиссионные и активирующие свойства ВЭК.
3. Исследование физических свойств ВЭК (механизма доставки активного вещества из объёма катода на рабочую поверхность, процесса испарения компонентов во время термической обработки, структуры, элементного состава и др.), влияющих на процессы активирования АЭК с целью установления критериальных параметров, обуславливающих протекание этих процессов и, в конечном счёте, управления ими.
4. Разработка воспроизводимой технологии изготовления ВЭК с регулируемой структурой и физическими свойствами, позволяющими повысить надежность, воспроизводимость и стабильность эксплуатационных параметров магнетронов с безнакальным запуском.
Научная новизна работы заключается в развитии новых подходов в создании структуры и физических свойств палладий — бариевых катодов с использованием методов и технологий порошковой металлургии.
1. Исследовано влияние концентрации бария на эмиссионные свойства ВЭК. Получена зависимость работы выхода электронов (ф) и коэффициента вторичной электронной эмиссии (стмах) от концентрации бария. При содержании бария в материале ВЭК ~ 6% получены следующие эмиссионные параметры: работа выхода электронов ф ~ 2,2 эВ, коэффициент вторичной электронной эмиссии стмах. ~ 3,5, первый критический потенциал Epi = ~ 60 эВ.
2. Изучен характер испарения компонентов (палладия и бария) из прессованных катодов с разной пористостью и составом во время термической обработки. Найдена оптимальная пористость ВЭК. При пористости П = 5. .6% обеспечивается непрерывное и стабильное активирование АЭК.
3. Изучено влияние температуры и длительности термической обработки катодов во время откачки магнетронов на величину тока автоэлектронной эмиссии с АЭК.
4. Впервые в мировой практике разработана управляемая технология изготовления прессованных вторично-эмиссионных палладий — бариевых ВЭК с регулируемыми физическими свойствами. Имеется акт внедрения разработанной технологии в серийное производство ОАО «Плутон» и получен патент на изобретение РФ «Магнетрон с безнакальным запуском». Внедрение этих катодов в серийное производство обеспечило достижение высокой стабильности и воспроизводимости их эксплуатационных параметров.
5. Разработана и внедрена в серийное производство технология водородно-вакуумного отжига порошка палладия, обеспечивающая, наряду с его очисткой от различных примесей и включений, стабилизацию гранулометрического состава порошка и повышение эмиссионных, тепловых, активирующих и других физических свойств ВЭК.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
1. Внедрение в серийное производство управляемой технологии изготовления прессованных вторично-эмиссионных палладий-бариевых катодов с регулируемыми физическими свойствами обеспечило достижение стабильных и воспроизводимых эксплуатационных параметров магнетронов с безнакальным запуском.
2. Технология изготовления прессованных катодов внедрена на 14 типах серийно выпускаемых магнетронов с безнакальным запуском. В результате внедрения этих катодов получены следующие результаты:
— выход годных магнетронов повысился с 45. 60% в случае использования «литых» катодов из сплава ПдБ-2, до 75.80% с прессованными катодами;
— более чем в 5 раз сократилась длительность тренировки приборов в динамическом режиме с 16.24 часов (в случае «литых» катодов) до 3.4 часов (с прессованными катодами);
— коэффициент использования материала (КИМ), содержащий около 98% палладия, повысился более чем в 4 раза (с 15.20% при использовании пластин из сплава ПдБ-2 до 70.80% в случае прессованных катодов).
Получен акт о внедрении разработанных катодов в серийное производство безнакальных магнетронов в ОАО «Плутон».
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, и их обоснованность подтверждается достаточно хорошим совпадением данных, полученных на основе экспериментальных исследований и численных расчётов, получением воспроизводимых результатов при использовании различной аппаратуры и методов исследования, опытом применения созданных катодов в условиях серийного выпуска безнакальных магнетронов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Для стабильной работы магнетронов с безнакальным запуском необходимо поддерживать постоянный уровень тока автоэлектронной эмиссии с АЭК, величина которой зависит от типа и параметров прибора.
2. Уровень тока автоэлектронной эмиссии, зависящий от степени активирования рабочей кромки АЭК адсорбированным барием, в прессованных катодах регулируется пористостью и элементным составом ВЭК.
3. Увеличение потока испарённого бария, наряду с диффузией по границам зёрен, обеспечивается Кнудсеновским переносом бария из объёма к поверхности, из областей с большим давлением паров испарённого вещества в область меньших давлений.
Личный вклад автора состоит в исследовании работы катодов в магнетронах с безнакальным запуском и в выборе критериальных параметров, определяющих работоспособность симбиоза АЭК-ВЭК, в разработке технологического процесса изготовления прессованных палладий — бариевых вторично-эмиссионных катодов, в разработке технологии водородно-вакуумного отжига порошков палладия, в формулировании и постановке экспериментальных работ, в обработке, анализе и интерпретации результатов исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в ФГУП НПО «Алмаз» (г. Саратов) в 2010 г., на XVIII и XIX научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (г. Судак) в 2011 и 2012 г. г., на трёх заседаниях НТС ОАО «Плутон» в 2010; 2011 и в 2012 г. г.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в серийное производство ОАО «Плутон». Имеется акт внедрения и патент на изобретение РФ (см. приложения 1 — 4).
Публикации. Основные материалы диссертационной работы отражены в 17 печатных работах, из которых 5 — в рецензируемых журналах перечня, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Результаты защищены 1 патентом на изобретение РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх основных разделов, заключения, общих выводов. Общий объём составляет 114 страниц, включая 65 рисунков и 8 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 60 наименований. Представлены 4 приложения на 8 стр.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Показано, что время готовности магнетронов с накаливаемыми катодами, несмотря на многообразие известных конструктивно-технологических вариантов, не может быть ниже своего, вполне определённого значения, зависящего от времени разогрева катодно-подогревательных узлов. Время готовности этих магнетронов колеблется от нескольких секунд (у магнетронов с прямонакальными катодами) до нескольких минут (у магнетронов с косвенным накалом). Практически мгновенная готовность магнетронов (генерация с первого импульса) достигнута у магнетронов с безнакальным запуском, в которых катод разделён на две функциональные части, одна из которых ответственна за инициирование генерации (полевая эмиссия с холодных АЭК) а другая часть — за её поддержание (ВЭК).
2. Установлено, что стабильность и воспроизводимость электрических параметров магнетронов с безнакальным запуском зависят от физических свойств комбинации АЭК-ВЭК — симбиоза автоэлектронных и вторично-эмиссионных катодов, являющейся единой, неразрывно связанной системой. При этом вторичные катоды, наряду с сохранением своих эмиссионных свойств в условиях ионной и электронной бомбардировок, должны быть постоянными источниками активного вещества для непрерывного и стабильного.
———-активирования^АЭКг.
3. Исследовано влияние концентрации бария на эмиссионные свойства ВЭК. Получена зависимость работы выхода электронов (ф) и параметров вторичной электронной эмиссии от концентрации бария. При содержании бария в ВЭК ~ 6% получены следующие значения: работа выхода электронов Ф ~ 2,2 эВ, коэффициент вторичной электронной эмиссии амах. ~ 3,5, первый критический потенциал ЕР1 = ~ 60 эВ.
4. Изучен характер испарения компонентов (палладия и бария) из прессованных катодов с разной пористостью и составом во время активирования. Найдена оптимальная пористость ВЭК. При пористости П = 5. .6% обеспечивается непрерывное и стабильное активирование АЭК.
5. Изучено влияние режимов изотермического активирования катодов на структуру и свойства прессованных палладий-бариевых катодов, позволившее выработать основные принципы активирования катодов во время откачки магнетронов.
6. Впервые в мировой практике разработана управляемая технология изготовления прессованных вторично-эмиссионных палладий — бариевых ВЭК с регулируемыми физическими свойствами. Внедрение этих катодов в серийное производство магнетронов с безнакальным запуском обеспечило достижение высокой стабильности и воспроизводимости их эксплуатационных параметров.
7. Разработана и внедрена в серийное производство технология водородно-вакуумного отжига порошка палладия, обеспечившая, наряду с его очисткой от различных примесей и включений, — стабилизацию гранулометрического состава порошка и повышение эмиссионных, тепловых, активирующих и других физических свойств ВЭК.
8. Технология изготовления прессованных палладий — бариевых катодов внедрена в серийное производство на четырнадцати типах магнетронов с безнакальным запуском сантиметрового и миллиметрового диапазона длин ———волн. Имеется акт внедрения" в серийное производство ОАО «Плутон» технологии изготовления прессованных катодов. Получен патент на изобретение «Магнетрон с безнакальным запуском» № 2 380 784 от 24.10.2008 г.
9. Внедрение в серийное производство разработанной технологии обеспечило: снижение длительности тренировки магнетронов в динамическом режиме с 16.24 час при использовании литых катодов из сплава ПдБ-2 до 3.4 час с прессованными палладий-бариевыми катодами. повышение коэффициента использования материала (КИМ), содержащего 98% палладия с 15.20% (при использовании полосы из сплава.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненная научно-квалификационная работа представляет собой экспериментальное исследование процессов, происходящих в катодах магнетронов с безнакальным запуском. Научной целью поставленной задачи было изучение физических процессов, происходящих в катодах, состоящих из комбинации АЭК-ВЭК, являющейся единой, взаимосвязанной системой. Необходимость в проведении этих исследований вызвано тем, что выпускаемые в настоящее время магнетроны с безнакальным запуском отличаются значительной нестабильностью и невоспроизводимостью электрических параметров.
Во время работы катода в магнетроне с безнакальным запуском эмиссионно-активное вещество, испарённое с ВЭК, частично адсорбируясь на поверхности АЭК, снижает работу выхода электронов и тем самым обуславливает возникновение в пространстве взаимодействия необходимый уровень тока автоэлектронной эмиссии. Величина этого тока имеет решающее значение для надёжной работы магнетронов: недостаточный уровень тока полевой эмиссии приводит к появлению флуктуации на переднем фронте импульсов, пропускам импульсов генерации и др. Иными словами вторичные катоды, наряду с сохранением своих эмиссионных свойств в условиях ионной и электронной бомбардировок, должныбыть постоянными источниками активного вещества для непрерывного и стабильного активирования АЭК. Поэтому актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью создания структуры вторично-эмиссионных катодов со свойствами, обеспечивающими надёжную и стабильную работу магнетронов с безнакальным запуском в течение всего срока эксплуатации.
Таким образом, представленная диссертационная работа на тему «Формирование структуры и физических свойств катодов для разработки малогабаритных магнетронов с безнакальным запуском» является завершённой научно-квалификационной работой, решающей одну из фундаментальных задач физики конденсированного состояния — создание высокоэффективного вторично-эмиссионного катода для магнетронов с безнакальным запуском.
В перспективе предстоит проведение комплекса исследований, направленных на модернизацию конструкции катодов магнетронов. Практическая реализация данных исследований позволит создать мощные и сверхмощные малогабаритные безнакальные магнетроны сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн (настоящее время выпускаются безнакальные магнетроны сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн с малой и средней выходной мощностью).
