Исследование и разработка эффективных магнетронных катодов на принципе переноса активного вещества из независимого источника на эмитирующую поверхность через вакуум тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Поливникова, Ольга Валентиновна

• Поливникова, Ольга Валентиновна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Поливникова, Ольга Валентиновна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

3. ПРЯМОНАКАЛЬНЫЕ КАТОДЫ (ПК).

3.1. Конструкция катодов.

3.2. Исследование технологических процессов слоисто-структурированных катодов (ССК).

3.3. Исследование эмиссионных характеристик прямонакальных (ПК) и автотермоэлектронных (АТЭК) катодов.

4. ПРЯМОНАКАЛЬНЫЕ И КВАЗИПРЯМОНАКАЛЬНЫЕ КАТОДЫ С ВАКУУМНЫМ ПРОМЕЖУТКОМ (КВП).

4.1. Конструкции катодов и принцип их работы.

4.2. Исследование и разработка технологий изготовления катодов.

4.3. Исследование эмиссионных характеристик прямонакальных и квазипрямонакальных катодов с вакуумным промежутком.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КАТОДОВ В МАГНЕТРОНАХ.

5.1. Методика исследований.

5.2. Результаты исследования разработанных катодов магнетронах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка эффективных магнетронных катодов на принципе переноса активного вещества из независимого источника на эмитирующую поверхность через вакуум»

Удачное сочетание электроники с колебательной системой позволило магнетрону стать одним из наиболее эффективных импульсных генераторов для применения в диапазоне сантиметровых волн [1]. Широкое применение импульсные магнетроны получили в радиолокационных и навигационных системах, а во время второй мировой войны была также создана группа магнетронов непрерывного генерирования мощностью до 1 кВт для использования в системах радиопротиводействия. Эти магнетроны и явились прямыми предшественниками магнетронов, используемых в настоящее время в качестве источников СВЧ-энергии в промышленных, медицинских и бытовых установках.

Область применения магнетронов непрерывного генерирования постоянно расширяется, что обусловлено рядом их достоинств: высоким к.п.д., низким анодным напряжением (а, следовательно, низким уровнем рентгеновского излучения), стабильностью работы в условиях рассогласованной нагрузки, компактностью, простотой изготовления и низкой стоимостью [2, 3, 4].

Однако все эти достоинства магнетрона могут быть реализованы только при решении целого комплекса катодных проблем.

Параметры всех вакуумных приборов существенно зависят от свойств катодов, но для магнетронов эта взаимосвязь выражена наиболее сильно.

Особенностью работы катода в магнетроне является то, что катод находится непосредственно в области взаимодействия электронных потоков и высокочастотных полей. Катод подвергается воздействию электронной бомбардировки, вследствие чего в пространстве взаимодействия появляются вторичные электроны, так что анодный ток складывается из тока термо- и вторично-электронной эмиссии. Однако электронная бомбардировка одновременно приводит и к изменению эмиссионных свойств катода, и к дополнительному его разогреву. Изменения же эмиссионных характеристик катода влияют на стабильность работы магнетрона и могут привести к изменению ряда его параметров (частоты генерируемых колебаний, электронного к.п.д. и пр. [5, 6]), не говоря уже о том, что перегрев катода может привести к существенному уменьшению его долговечности.

Несмотря на интенсивное развитие устройств, в том числе и самих магнетронов, для высокочастотного нагрева источником электронов в магнетронах непрерывного генерирования традиционно используется прямонакальный спиральный катод из торированного вольфрама. Хотя этот катод и обеспечивает основные параметры (плотность тока в постоянном режиме 2-3 А/см , время готовности 3-4 секунды), но при этом обладает и рядом серьезных недостатков.

Катод из торированного вольфрама малоэффективен: для обеспечения выходной мощности магнетрона 500-900 Вт требуется мощность накала 40-50 Вт, что, естественно, снижает полный к.п.д. устройства.

Катод может обеспечить долговечность магнетрона не более 2000 часов. Для промышленной и бытовой аппаратуры это явно недостаточно.

Торированный вольфрам после проведения процесса его карбидирования становится очень хрупким, что существенно снижает выход годных магнетронов (брак по разрушению катода в общем количестве забракованных изделий на уровне 20%), а также ограничивает использование высокочастотных печей в транспортных средствах с высоким уровнем вибрации.

Торированный вольфрам - токсичен, что усложняет работу с ним, поскольку требует выполнения специальных санитарно-гигиенических мер при производстве катодов и магнетронов.

Настоящая работа направлена на преодоление указанных недостатков существующих катодов путем исследования и разработки новых эмиссионных материалов, конструкций катодных узлов и технологии их производства.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Поливникова, Ольга Валентиновна

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

- исследовано взаимодействие расплавленного лантана с иридиевой губкой; показано, что глубина этого взаимодействия составляет 30-50 мкм и основным ограничивающим фактором более глубокого проникновения лантана в глубь иридиевой губки является образование интерметаллического соединения Ir2La, которое препятствует взаимной диффузии иридия и лантана; на основе проведенных исследований предложен процесс нанесения многослойных иридий-лантановых покрытий; разработана технология изготовления таких слоисто-структурированных покрытий, применение которой для изготовления прямонакальных катодов позволило увеличить их долговечность в 2 - 3 раза, обеспечив долговечность магнетрона более 9000 часов;

- исследован процесс насыщения компактного иридия и иридиевой губки лантаном из его газовой фазы; такая технология поверхностного легирования иридиевой проволоки лантаном позволила создать острийные автотермоэлектронные катоды распределительного типа, которые при рабочей температуре 1000К обеспечивают отбор тока 20 -ЗОмА в постоянном режиме; 300 - 400мА в импульсном при долговечности 800 - 1000 часов,

- предложен катод с вакуумным промежутком (КВП), разработана его конструкция, исследованы его эмиссионные и теплофизические свойства с использованием эмиссионных материалов W-Ba, W-La, W-Th, определен диапазон рабочих температур для каждого эмиссионного материала; испытания этих катодов показали, что наибольшую долговечность магнетронов обеспечивает КВП W-Ba (более 9000 часов при сохранении требуемых параметров магнетрона);

- предложен квазипрямонакальный катод (КПК) с вакуумным промежутком, исследованы его свойства в экспериментальных приборах и в магнетронах; изучен механизм быстрого включения магнетронов с КПК; использование трех типов катодов W-Ba, W-La и W-Th с различными термо- и вторично-эмиссионными характеристиками позволило определить количественную связь между этими эмиссионными характеристиками и рабочей температурой катода в магнетроне;

- разработана технология пропитанных W-La и W-Th катодов, обеспечивающая высокую точность изготовления эмиссионного тела при минимальном количестве операций, связанных с механической обработкой эмиссионных катодных втулок; изучен процесс дезактивации (уменьшения у-активности) W-Th заготовок в результате прогрева в вакууме и восстановления их радиоактивности в процессе дальнейшего хранения (процесс приближения к вековому равновесию); на основе этих исследований даны рекомендации по санитарногигиеническим мерам безопасной работы с катодами, содержащими торий;

- исследованы низкотемпературные припои (температура пайки не превышает возможные температуры нагрева катода в приборе) Ni-B; Ir-В; Rh-B; Pd-Si; Pt-B; выяснен механизм взаимодействия материала припоя с материалом паяемых деталей, в результате чего температура распая существенно превышает температуру пайки; использование низкотемпературного припоя позволяет сократить брак по выплавке активного вещества из эмиссионного тела катода, снизить охрупчивание паяемых деталей, проводить пайку не только в среде водорода, но и в вакууме, что необходимо, когда катодный узел содержит такие материалы как тантал, гафний; исследована прочность паяных соединений к циклическим включениям накала и степени влияния материала припоя на эмиссионные характеристики катодов;

- Испытания на долговечность разработанных катодов показали, что нормам ТУ на прибор удовлетворяют в течение 4000 часов магнетроны с КВП W-Th, 5000 часов с КПК W-Ba и КПК W-Th и более 9000 часов магнетроны с КВП W-Ba и ССК Ir-La .

На основе проведенных исследований разработаны технологические процессы, внедренные в производство катодов не только для магнетронов, но и для многолучевых клистронов. Найденные в диссертации конструкционные и технологические решения обеспечили выполнение контрактных работ по катодам с США, КНР и Республикой Корея.

6. Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Поливникова, Ольга Валентиновна, 2006 год

1. Магнетроны сантиметрового диапазона / Перевод с английского под редакцией С.А.Зусмановского // Издательство «Советское радио». Москва. 1959.- Том 1, 2.

2. Морозов О.А., Соколов И.В. Современное состояние и тенденции развития магнетронов для СВЧ-нагрева в промышленности и медицине, Электронная техника, Серия 1, вып.2, стр.3, 2000 г.

3. Шлифер Э.Д., Пипко А.И., Пипко Ю.А., Состояние и тенденции развития бытовых СВЧ-печей. Электронная техника, Серия 1, вып.2, стр.18, 2000г.

4. Бакуменко А.В., Воскобойник М.Ф., Киселев А.Б., Морозов О.А., Соколов И.В., Возможности применения СВЧ-энергии для поиска противопехотных мин, Электронная техника, Серия 1, вып.2, стр.57, 2000 г.

5. Гельвич Э.А., Экспериментальные данные о влиянии эмиссионных свойств катода на работу импульсного магнетрона, Труды НИИ, вып.3(18), стр.64, 1954г.

6. Ривлин Л.А., Анализ влияния эмиссионных свойств катода на электронику многокамерного магнетрона, Технический отчет. № 10-1056, МРТП СССР, 1955г.

7. Горностаева П.Д., Киселев А.Б., Турсунметов К.А. Эмиссионные свойства металлизированных оксидных катодов, Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ., вып.11, стр.66, 1972г.

8. Киселев А.Б., Лобова Э.В., Никонов Б.П. Способ изготовления катода, Авторское свидетельство СССР, №383109, 1971г.

9. Зубов Л.Н., Потапов Ю.А., Смирнов В.А. Технология покрытия губчатых оксидных катодов плазменным методом, Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, вып. 12, стр.128, 1969г.

10. Ю.Каганович М.В., Макарова Р.А., Эмиссионные свойства окислов металлов третьей группы, Вопросы радиоэлектроники, Сер.1, Электроника, 1961, вып.7, стр.72.

11. Кульварская Б.С., Марченко В.Б., Степанов Г.В., Эмиссионные свойства окислов редкоземельных металлов, Радиотехника и электроника, 1958, т.З, вып.8, стр. 1005.

12. Дадли, Лесенский, Металлокерамические катоды на основе окислов редкоземельных элементов, Техника электронных ламп, Издательство иностранной литературы, Москва, 1963г., стр.250.

13. Стародубов И.П., Исследование и разработка метало-керамических и металлических катодов для приборов магнетронного типа., Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Москва, 1968г.

14. Langmuir I., Rogers W. Phys. Rev., v.4, p.544, 1914.

15. Дженкинс P.O., Тродден В.Дж., Испарение тория с карбидированных катодов из торированного вольфрама. Сборник «Эффективные термокатоды», вып.З, Госэнергоиздат, стр.283, 1961.

16. Венема, Применение L-катода, Сборник «Оксидный катод», Изд. Иностранная литература, Москва, стр.327, 1957.

17. Ииен Тьен Ши, Дюссосуа. Спеченный термоэлектронный катод, Сборник «Оксидный катод», Изд. Иностранной литературы, Москва, стр.361,1957.

18. Киселев А.Б. Металлооксидные катоды электронных приборов., Изд. МФТИ, Москва, стр.94, 2001г.

19. Леви, Импрегнированный катод и его свойства по сравнению с L-катодом, Сборник «Оксидный катод», Изд. Иностранная литература, Москва, стр.344, 1957.

20. Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П., Термоэлектронные катоды, Изд. «Энергия», Москва, стр.261,1966.

21. Коржавый А.П., Марин В.П., Федотов А.П., Перспективные направления разработок материалов для вакуумных приборов, Наукоемкие технологии, т.2, №4, стр.13, 2001.

22. Марин В.П., Меныненин Ю.В., Исследование металлопористых катодов с высоким токоотбором в дуговом разряде., Наукоемкие технологии, т.2, №4, стр.33, 2001.

23. Есаулов Н.П., Марин В.П., Разработка сандвич-структур для катодов мощных ЭВП СВЧ, Наукоемкие технологии, т.2, №4, стр.20, 2001.

24. Дюбуа Б.Ч., Ермолаев JI.A., Култашев O.K., Эмиссионные свойства сплавов Pt-Th, Ir-Th, Os-Th, Re-Th, Радиотехника и электроника, т. 11, вып. 11, стр. 1149, 1966.

25. Дюбуа Б.Ч., Ермолаев JI.A., Есаулов Н.П., Стародубов И.П., Электронная эмиссия сплавов Pt-Ba, Pd-Ba, Au-Ba, Радиотехника и электроника., т.12, вып.8, стр.1523, 1967.

26. Васильева Е.В., Дюбуа Б.Ч., Ермолаев Л.А., Култашев O.K., Эмиссионные свойства сплавов Pt-La, Ir-La, Os-La, Радиотехника и электроника, т.11, вып.11, стр. 1150, 1966.

27. Дюбуа Б.Ч., Современные эффективные катоды, Радиотехника, №4, стр.55, 1999.

28. Гнучев Н.М., Каничева И.Р., Кирсанова Т.С., Влияние ионной бомбардировки на эмиссионные свойства сплава палладия сбарием, Электронная техника., Сер.1, Электроника СВЧ, вып. 12, стр.13, 1970.

29. Ильин В.Н., Калинина И.Д., Казаков А.П., Обухов-Денисов В.В., Златоустовская Т.С., Скорость испарения бария и сплавов Pt-Ba, Pd-Ba, Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, вып.5, стр.120, 1971.

30. Дюбуа Б.Ч., Лысенко В.К., Металлосплавной прямонакальный катод спиральной формы, Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, вып. 10, стр.28, 1980.

31. Jepsen R.L., Muller M.W., Enhanced Emission from Magnetron cathodes, J. Appl. Phys, vol.22, №9, p.l 196, 1951.

32. Kopylov M.F., Design and technology features of heating-free magnetrons with autoemission excitation, Proceedings Fifth International Vacuum Microelectronics conference, New York, p.481, 1993.

33. Воген, Газонаполненный магнетрон с холодным катодом, Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями, перевод с английского под редакцией Федорова М.М., Изд. Иностранной литературы, стр.268, 1961.

34. Djubua B.Ch., Ilyin V.N., Polivnikova O.V., Zemchikhin E.M., Spiral cathodes for microwave heating magnetrons, Proceedings of the International Vacuum Electron Sources, p.99, 1996.

35. Култашев O.K., Негирев А.А., Рожков С.Е., Осауленко Н.Ф., Сергиенко А.И., Катодный узел электровакуумного прибора, Патент №2052856, Приоритет 26 апреля 1993.

36. Дюбуа Б.Ч., Земчихин Е.М., Макаров А.П., Култашев O.K., Куранова Е.Д., Поливникова О.В., Эмиссионные свойства и долговечность металлопористых катодов, Радиотехника и электроника, 1991, вып.5, стр.985.

37. Дюбуа Б.Ч., Попов Б.Н., Некоторые эмиссионные и адсорбционные свойства системы барий-титан и барий-вольфрам, Вопросы радиоэлектроники, сер.1, Электроника, 1960, вып.9, стр.96.

38. Рожков С.Е., Изыскание высокоэффективных термоэлектронных катодов на основе сплавов редкоземельных металлов, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, г.Фрязино, 1974г, стр 59.

39. Данфорс, Десорбция тория из монослоя, Сборник «Техника электронных ламп», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, стр.274.

40. Поливникова О.В., Патент на полезную модель № 39223, Прямонакальный катод для электронных приборов магнетронного типа, 2004 г.

41. Г.Н.Шуппе, Электронная эмиссия металлических кристаллов, Издательство САГУ, Ташкент, 1959, с.64.

42. Шредник В.Н., Теория автоэлектронной эмиссии, Сборник статей под ред. Елинсона М.И., Москва, «Советское радио», 1974, стр.171.

43. Marphy E.L., Good R.N., Thermionic emission, field emission and the transition region, "Phys.Rev.", 1956, v. 102, №6, p. 1464-1473.

44. Brodie I., Spindt C.A., Vacuum Microelectronics Advances in Electronics and Electron Physics, vol. 83, p.15, 1992.

45. Ривлин JI.A., О некоторых особенностях магнетрона с вторично-эмиссионным катодом, Радиотехника и электроника, том 4, №9, стр.1505, 1959.

46. Самсонов Д.Е., Температурный режим работы катода в магнетроне, Электронная техника, серия 1, Электроника СВЧ, вып.5, стр.80, 1972.

47. Соединения паяные, применяемые при проектировании изделий электронной техники. Типы и технические требования. РД 11 0125-85, 1985.

48. Поливникова О.В., Авторское Свидетельство на полезную модель №24320, «Катодно-подогревательный узел для многолучевых электронных приборов», 2002 г.

49. Поливникова О.В., Земчихин Е.М., Катоды спиральной формы для магнетронов СВЧ-нагрева, Электронная техника, сер.СВЧ-техника, Вып. 1(467), 1996.

50. Djubua B.Ch., Polivnikova O.V., Effective tungsten-thorium cathodes. Extended Abstracts of the Second International Vacuum Electron Sources Conference, p.145, AIST-Tsukuba, Tsukuba, Japan, July, 7-10, 1998.

51. Поливникова O.B., Вольфрамториевые эффективные катоды, Электронная техника, сер. СВЧ-Техника, вып. 1(473), 1999.

52. Djubua B.Ch., Polivnikova O.V., Quasidirectly heated cathode for magnetrons, 2000 IEE International Vacuum Electron Sources Conference, Orlando, Florida, July 10-13, 2000, p.33.

53. Djubua B.Ch., Polivnikova O.V., Stratum-like structured metal alloy cathode, Appl. Surface Science, v.215, Issues 1-4, June 2003, p.242-248.

54. Ермолаев JI.A., Усвяцова В.Г., Термо- и вторично-эмиссионные свойства сплавов, Обзоры по электронной технике, сер. Технология и организация производства, вып. 9(114), 1973.

55. Поливникова О.В., Автотермоэлектронный катод, Патент РФ на изобретение №2225654,, 2004 г.

56. Масленников О.Ю., Абанович С.А. Многоэмиттерные катодно-подогревательные узлы с металлопористыми катодами,устойчивые к термоциклам, Электронная техника, Сер. СВЧ-техника, вып. 2(466), 1995, с.23-30.

57. Масленников О.Ю. Эффективные активируемые термокатоды, 4.1. Общие закономерности. Учебное пособие/ МФТИ, М.,1999, 128 с.

58. Дюбуа Б.Ч. Электронная эмиссия металлических сплавов и тугоплавких металлоподобных соединений., Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, г.Москва, 1971 г.

59. Металлосплавной катод спиральной формы магнетронов СВЧ-нагрева./Поливникова О.В.//Тез.докл. XXII Конференции по эмиссионной электронике. 1994. - М. - Т 1.

60. Ж.Г.Де-Бур. Электронная эмиссия и явления адсорбции./ НТИ СССР, 1936, с. 104.