Формирование структуры и физических свойств катодов для разработки малогабаритных магнетронов с безнакальным запуском Ли, Илларион Павлович

Введение к работе

Актуальность проблемы. 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, 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.

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.

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 ф_Та « 4,25 эВ до ф_Та-в_а « 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 (а_мах.) 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 а_мах. ~ 3,5, первый критический потенциал Е_Р1 = ~ 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...6⁰% обеспечивается непрерывное и стабильное активирование АЭК.

4. 1. Изучено влияние температуры и длительности термической обработки катодов во время откачки магнетронов на величину тока автоэлектронной эмиссии с АЭК.

   2. 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:

   4. 2. 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.

         4. 3. Для стабильной работы магнетронов с безнакальным запуском необходимо поддерживать постоянный уровень тока автоэлектронной эмиссии с АЭК, величина которой зависит от типа и параметров прибора.

            4. Уровень тока автоэлектронной эмиссии, зависящий от степени активирования рабочей кромки АЭК адсорбированным барием, в прессованных катодах регулируется пористостью и элементным составом ВЭК.

            5. 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 2010г., на ХУШ и ХІХ 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.

            Публикации. Основные материалы диссертационной работы отражены в 18 печатных работах, из которых 6 - 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, 8 таблиц и 4 приложения на 8 страницах. Список цитируемой литературы содержит 60 наименований.

            Похожие диссертации на Формирование структуры и физических свойств катодов для разработки малогабаритных магнетронов с безнакальным запуском

            Формирование структуры и свойств углеродистой стали при электровзрывном боромеднении и электронно-пучковой обработкеВащук, Екатерина Степановна

            Закономерности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали 45, модифицированной методами электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработкиФилимонов, Семен Юрьевич

            Исследование формирования, структуры и свойств поверхностных фаз элементов III и V групп на кремнииРыжков, Сергей Витальевич

            

            Закономерности формирования структуры и свойства композитов титановый сплав - биопокрытиеСагымбаев Ерик Ерлесович

            

            Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электроновГолковский Михаил Гедалиевич

            

            Формирование, структура и свойства тонких пленок силицида магния на Si(111)Ваванова Светлана Владимировна

            

            Закономерности формирования структуры и свойств кальцийфосфатных покрытий на поверхности биоинертных сплавов титана и цирконияЛегостаева Елена Викторовна

            

            Формирование дефектной структуры и свойства арсенида галлия, облученного ионами аргона низких энергий Алалыкин Александр Сергеевич

            

            Закономерности формирования, особенности структуры и свойства сверхтвердых нанокомпозитных покрытийМошков Владимир Юрьевич

            

            Закономерности формирования, особенности структуры и свойства наноструктурных керамических покрытий из оксида алюминияПрозорова Майя Сергеевна