Содержание к диссертации
Введение
1 Конструктивные особенности катодных узлов СВЧ приборов М-типа и основныеспособы их изготовления ... 11
1.1 Катоды, применяемые в СВЧ приборах М-типа 11
1.2 Металлосплавные катоды СВЧ приборов М-типа 13
1.3 Способы изготовления металлосплавных катодов 16
1.4 Особенности сварки металлосплавных катодов миллиметрового диапазона 26
Выводы 29
2 Физико-химические процессы в металлосплавном катоде при изготовлении и эксплуатации магнетрона 31
2.1 Термическая обработка металлосплавного катода при откачке магнетрона 31
2.2 Диффузия бария в металлосплавном катоде 35
2.3 Разрушение металлосплавного катода под воздействием импульсной электронной бомбардировки 40
Выводы 43
3 Экспериментальные исследования технологических процессов изготовления металлосплавных катодов 44
3.1 Исследование режимов термообработки металлосплавного катода при откачке магнетрона на его эмиссионные свойства 44
3.2 Исследование режимов термообработки на структуру сплава палладий-барий 52
3.3 Экспериментальные исследования режимов диффузионной сварки палладий- бариевого катода 55
Выводы 62
4 Внедрение результатов исследований и разработка базовой конструкции металлосплавного катода для магнетрона миллиметрового диапазона 64
4.1 Разработка конструкции металлосплавного катода для магнетронов миллиметрового диапазона с повышенной эрозионной стойкостью 64
4.2 Испытание экспериментальных катодов в макетах магнетронов 72
4.3 Испытания опытного образца магнетрона с металлосплавным катодом,
сваренным диффузионной сваркой, на долговечность 84
Выводы 93
Заключение и основные выводы по работе 95
Список использованных источников 98
- Особенности сварки металлосплавных катодов миллиметрового диапазона
- Разрушение металлосплавного катода под воздействием импульсной электронной бомбардировки
- Экспериментальные исследования режимов диффузионной сварки палладий- бариевого катода
- Разработка конструкции металлосплавного катода для магнетронов миллиметрового диапазона с повышенной эрозионной стойкостью
Введение к работе
Актуальность проблемы. Приборы миллиметрового диапазона длин волн находят все большее применение в радиоаппаратуре. В настоящее время активно ведутся работы по созданию магнетронов миллиметрового диапазона длин волн как в России, так и за рубежом. Проблемам катодной тематики приборов М-типа были посвящены работы Б.Ч. Дюбуа, В.Д. Котова, Н.П. Есаулова, В.П. Марина, И.П. Ли и др. Так как для нормальной работы магнетрона миллиметрового диапазона необходимо обеспечить плотность тока эмиссии с катода в импульсе более 100 А/см2, применяемые ранее горячие катоды приходилось выводить в режим перекала для получения необходимой плотности тока, что значительно снижало долговечность прибора. С середины 90-х годов прошлого столетия в магнетронах миллиметрового диапазона широкое применение нашел холодный вторичноэмиссионный катод из чистой платины. Такой катод способен обеспечить необходимую плотность тока эмиссии при достаточно низких температурах за счет высокого коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ), что позволяет значительно повысить долговечность прибора.
Необходимо отметить, что в настоящее время разработаны вторично-эмиссионные сплавы с более высоким значением КВЭЭ (чистая платина =1,7; сплав палладий-барий (ПдБ 2) =2,7; сплав платина-барий (ПлБ 2) =3,0). Эти сплавы нашли широкое применение в приборах магнетронного типа сантиметрового диапазона, а также длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн.
Однако, несмотря на явные преимущества металлосплавных катодов в части повышения долговечности магнетрона, вплоть до настоящего времени единственным в мире магнетроном 2-миллиметрового диапазона с иридий-лантановым горячим катодом промышленного образца с выходной импульсной мощностью 4 кВт, является разработка ОАО «Плутон». Основным недостатком данного магнетрона является малая долговечность (500 часов).
Основной проблемой применения катодов на основе сплавов ПдБ 2 и ПлБ 2 (металлосплавные катоды) в магнетронах, работающих в коротковолновой части миллиметрового диапазона, является отсутствие технологических процессов и конструкций, позволяющих изготавливать металлосплавные катоды диаметром мене 3 мм.
Известные в настоящее время способы изготовления металлосплавных катодов основаны на получении неразъемного соединения эмиссионного материала с материалом керна в твердой фазе за счет максимального сближения соединяемых поверхностей. Наиболее широко применяемые для изготовления металлосплавных катодов технологические процессы сварки в твердом состоянии: диффузионная сварка, контактная шовная многорядная сварка, магнитно-импульсная сварка (разработке и исследованию данных технологических процессов изготовления металлосплавных катодов посвящены работы Есаулова Н.П., Конюшкова Г.В., Зоркина А.Я. и др.), обеспечивают сближение и соединение двух свариваемых поверхностей за счет приложения давления и нагрева, достаточных для появления пластических деформаций в зоне соединения.
Решением задачи повышения долговечности магнетрона миллиметрового диапазона до 1000 часов может стать применение металлосплавного катода на основе сплавов ПдБ 2 или ПлБ 2. Снижение усилия, прилагаемого для формирования контакта между свариваемыми поверхностями при изготовлении металлосплавного катода, может быть достигнуто за счет появления жидкой фазы в зоне соединения, что позволит обеспечить необходимый тепловой и электрический контакт эмиттера с керном катода.
Обеспечение надежного теплового и электрического контакта по всей поверхности соединения, препятствующего перегреву катода и его разрушению под воздействием средней мощности обратной электронной бомбардировки, недостаточно для повышения долговечности катодного узла. При работе магнетрона в импульсном режиме необходимо также повысить стойкость катода к импульсным нагрузкам.
Современные тенденции в развитии СВЧ приборостроения в направлении уменьшения длин волн до 2 мм и менее требуют разработки новых технологических принципов и процессов изготовления малогабаритных металлосплавных платино-бариевых и палладий-бариевых катодов.
В силу явной недостаточности теоретических и экспериментальных исследований особенностей формирования сварного соединения эмиссионного материала с керном при малых габаритах катодного узла за счет появления жидкой фазы, а также физико-химических процессов, проходящих в эмиссионном сплаве при высоких температурах, была сформулирована цель данной работы.
Цель работы: разработка новых технологических принципов и процессов изготовления металлосплавных катодов повышенной эрозионной стойкости и формоустойчивости для магнетронов миллиметрового диапазона высокой мощности и исследование физических процессов при их изготовлении и эксплуатации.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
разработать базовую конструкцию металлосплавного вторичноэмиссионного катода для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн;
разработать технологический процесс и оснастку для изготовления вторично-эмиссионного катода для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн способом диффузионной сварки в зоне соединения;
определить влияние режимов технологических процессов изготовления и конструкций металлосплавных вторично-эмиссионных катодов на их эмиссионные свойства, эрозионную стойкость и формоустойчивость;
изготовить и испытать макетные образцы магнетронов с металлосплавными катодами;
провести испытания опытного образца магнетрона 2 мм диапазона на долговечность.
Методы и средства исследований. При выполнении данной работы использованы научные основы эмиссионной и СВЧ электроники, основы теории соединения материалов в твердом состоянии. Использованы современные методы экспериментальных исследований и средства компьютерного моделирования.
Достоверность результатов, полученных при проведении теоретических и экспериментальных исследований, подтверждается результатами испытаний разработанных катодных узлов в макетных образцах магнетронов.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Разработанный технологический процесс соединения эмиссионных сплавов платина-барий и палладий-барий с молибденовым керном диаметром 1,5-2,5 мм за счет применения термических систем давления в вакууме 10-2-10-3 Па обеспечивает тепловой и электрический контакт, позволяющий отвести удельную мощность обратной электронной бомбардировки катода до 100 Вт/см2.
-
Разработанная конструкция металлосплавного катода, получаемая путем одновременного соединения в термической системе давления пластин из сплава палладий-барий и МР-47 при температуре 1500 К обладает повышенной в 4-5 раз по сравнению с типовой конструкцией эрозионной стойкостью к электронной бомбардировке.
-
Соединение палладий-бариевой фольги с керном катода при температуре 1520±20 К осуществляется за счет появления жидкой фазы, обеспечивающей при затвердевании тепловой и электрический контакт эмиттера с керном с изменением структуры сплава палладий-барий, приводящим к появлению открытых «каналов» и улучшению доставки по ним на поверхность эмиттера в работающем приборе бария, что позволяет снизить рабочую температуру катода на 80-140 К без ухудшения его эмиссионных свойств.
-
Разработанные технологические принципы и технологические процессы, а также конструкция металлосплавного катода, опробованные на опытном образце магнетрона 2-миллиметрового диапазона, позволяют создавать приборы М-типа в коротковолновой части миллиметрового диапазона с долговечностью до 1000 часов и выходной импульсной мощностью до 5 кВт.
Научная новизна работы:
Впервые предложен технологический принцип изготовления палладий-бариевых катодов диффузионной сваркой при температуре 1500-1540 К за счет появления жидкой фазы в зоне соединения эмиттера с керном.
Экспериментально показано, что разработанный технологический процесс диффузионной сварки палладий-бариевых катодов с термическими системами давления через промежуточные прослои из сплава МР-47 при температуре 1500-1540 К обеспечивает необходимое качество соединения катодного узла (механическую прочность, формоустойчивость, теплопроводность, электропроводность, эмиссионные свойства, стойкость к электронной и ионной эрозии) при изготовлении катодов диаметром 1,5-2,5 мм.
Разработаны технология и оснастка для изготовления металлосплавных катодов диаметром менее 3 мм, обеспечивающие отвод подводимой мощности к катоду до 100 Вт/см2.
Разработана базовая конструкция металлосплавного катода, обладающая повышенной эрозионной стойкостью к мощной импульсной электронной бомбардировке.
Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработаны конструкции и технологические процессы изготовления малогабаритных вторично-эмиссионных катодов. Предложены конструкции вторично-эмиссионных катодов, способные работать при уровне средней мощности обратной электронной бомбардировки до 100 Вт/см2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОКР по разработке магнетрона 2-миллиметрового диапазона, а также могут быть использованы при разработке и изготовлении мощных магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2008, 2009, 2010), на VII Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009), на Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), на научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2009, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 10 статей в научных сборниках).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации результатов экспериментальных исследований. Представленные экспериментальные исследования проводились автором. Обсуждения полученных теоретических и экспериментальных данных проводились вместе с соавторами статей. Автором лично разработан конструкция и технология изготовления катодного узла диаметром эмиттера 2 мм для магнетрона миллиметрового диапазона.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, изложена на 114 листах, содержит 76 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 137 работ.
Особенности сварки металлосплавных катодов миллиметрового диапазона
При повышении рабочей частоты прибора неизбежно уменьшение размеров его электродов. При изменении размеров катода меняется соотношение между площадью стыка фольги и общей площадью эмиттера. Это приводит к увеличению влияния шва на электрические параметры прибора. Кроме того, при уменьшении диаметра катода также возникает ряд технологических трудностей.
Проведем анализ ранее рассмотренных способов изготовления металлосплавных катодов с точки зрения уменьшения диаметра эмитирующей поверхности.
Диффузионная сварка с термическими системами давления по радиальной поверхности. В связи с малыми размерами свариваемого узла возникает необходимость изготовления вкладышей с повышенной точностью. Во время технологического процесса диффузионной сварки размеры вкладышей изменяются, а в связи с высокими требованиями к точности изготовления технологической оснастки дальнейшее их использование исключено. Это препятствует внедрению применительно к малогабаритным металлосплавным катодам данного технологического процесса производства.
Магнитно-импульсная сварка. Данный технологический процесс применяется реже. При данном способе соединения фольги с керном катода необходимо нагреть свариваемые детали до высокой температуры (выше 1300 К), при этом технологический спутник должен остаться относительно холодным (600-700 К). С уменьшением размеров свариваемого узла выдержать вышеуказанный температурный режим достаточно сложно или невозможно, что ограничивает широкое распространение данного технологического процесса в производстве металлосплавных катодов. К тому же с уменьшением диаметра катода необходимо уменьшать диаметр технологической втулки-спутника, а значит и толщины его стенки, чтобы снизить его жесткость. С одной стороны, это приведет к необходимости серьезной переделки оборудования с целью уменьшения длительности импульса разряда и величины скин-слоя, с другой - к резкому снижению механической прочности спутника, а, следовательно, и к значительному снижению сварочного давления.
При контактной роликовой сварке усилие сварки лимитируется механическими свойствами керна катода, которые напрямую зависят от его размеров. Таким образом, при уменьшении до определенных размеров керна (диаметра) реализовать качественное соединение становится затруднительно. На рис. 17 показаны фотографии шлифов вторично эмиссионных катодов магнетрона миллиметрового диапазона длин волн, полученных шовной контактной сваркой (диаметр рабочей поверхности катода 2 мм).
Как видно из рис. 17, технологический процесс шовной контактной сварки в случае изготовления малогабаритных катодов диаметром менее 3 мм не обеспечивает достаточного качества соединения фольги эмиттера с керном катода. В процессе сварки в эмиссионном сплаве появляются трещины, это приводит к ухудшению тепло- и электропроводности, перегреву катода в процессе работы прибора и его разрушению.
Анализ опубликованных работ, посвященных решению проблемы изготовления вторично-эмиссионных катодов, показал, что данная проблема является сложной, зависящей от многочисленных факторов. В результате проведенного анализа было выявлено, что при диффузионной сварке с термическими системами давления в связи с малыми размерами свариваемого узла возникает необходимость изготовления вкладышей с повышенной точностью. Во время технологического процесса диффузионной сварки размеры вкладышей изменяются, а в связи с высокими требованиями к точности изготовления технологической оснастки дальнейшее их использование исключено. Контактная шовная сварка широко применяется при изготовлении металлосплавных катодов. Сварка осуществляется за счет приложения усилия сжатия и пропускания электрического тока. Усилие сварки лимитируется механическими свойствами керна катода, которые напрямую зависят от его размеров. Таким образом, при уменьшении диаметра керна до 3 мм реализовать качественное соединение становится невозможным. При магнитно-импульсной сварке катода необходимо нагреть свариваемые детали до высокой температуры (выше 1300С), при этом технологический спутник должен остаться относительно холодным (600-700С). С уменьшением размеров свариваемого узла выдержать вышеуказанный температурный режим достаточно сложно или невозможно, к тому же уменьшение размеров технологической втулки спутника значительно ограничивает давление сварки и требует значительной переделки оборудования.
Анализ опубликованных работ, посвященных решению проблемы совершенствования технологии изготовления металлосплавных катодов, показал, что данная проблема является сложной, зависящей от многочисленных факторов. В результате анализа было выявлено, что с точки зрения качества соединения наиболее перспективным для изготовления металлосплавных катодов является метод диффузионной сварки с термическими системами давления. Однако к настоящему времени остаётся открытым ряд вопросов, связанных с обеспечением необходимого давления сварки для гарантированного получения надежного теплового и электрического контакта эмиттера с керном, повышения стойкости катода к электронной и ионной бомбардировке, а также исследование влияния физико-химических процессов при изготовлении катода на его эмиссионные свойства. В связи с этим необходимо решить следующие задачи:
Разрушение металлосплавного катода под воздействием импульсной электронной бомбардировки
Для проведения измерений коэффициента вторичной электронной эмиссии была разработана и изготовлена установка, позволяющая измерять коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ). Установка состоит из вакуумной системы, измерительной камеры и электрической части, куда входят: высоковольтный выпрямитель, блок питания накала катода, блок питания электронной пушки, усилитель постоянного тока со стрелочным прибором. Конструкция измерительной камеры представлена на рис.30.
Пучок электронов от пушки 1, проходя через отверстие в диафрагме 7 и аноде-коллекторе 6, попадает на исследуемый образец 5. В цепи катода находится усилитель постоянного тока со стрелочным прибором, с помощью которого регистрируются первичный и разностный токи. Первичный ток измеряется при подаче на анод-коллектор 6 отрицательного потенциала 75 В относительно катода 5 с источника 3. Разностный ток измеряется при подаче на анод-коллектор положительного потенциала 75 В относительно катода с того же источника. КВЭЭ определяется по формуле: После обезгаживания рабочей камеры и установления рабочей температуры образца открывалась заслонка и производился замер. При стабилизации тока эмиссии с образца его температура поднималась до следующей требуемой величины. Исследования влияния термической обработки на вторично-эмиссионные свойства сплава платина-барий проводились на образцах, отожженных в вакууме при температуре 1200 К, имеющих форму диска диаметром 9,5 мм, вырезанных из фольги (толщиной 0,1 мм). Вакуум в процессе измерения был не хуже 2-10 Па. Каждый замер проводился не менее 3 раз на образцах из разной партии сплава.
Предварительная откачка рабочего объема установки осуществлялась форвакуумным насосом 2 НВР - 5Д с использованием азотной ловушки. Прогрев образца до температуры 1100-1150С проводился подогревателем за счет излучения до температуры 1200С с помощью электронной бомбардировки.
В установке был предусмотрен катод, выполненный в виде кольца из вольфрамовой проволоки, с помощью которого можно было подвергать исследуемую поверхность облучению электронным потоком плотностью до 10 мА/см2 с энергией падающих электронов Ер до 500 эВ. Измерение КВЭЭ проводилось после прогрева образцов при различных температурах в течение 20 минут и электронной бомбардировки (i=2 мА/см , Ер=200эВ) в течение 10 мин.
Как отмечалось во второй главе, в процессе изготовления катода на эмитирующую поверхность могут попадать различные загрязнения, связанные с механической обработкой керна катода, сваркой эмиссионной фольги с керном, монтажом катодной ножки, контролем деталей и т. д.
Для удаления посторонних частиц и примесей с поверхности металлических деталей, как правило, используются механическая обработка, обработка деталей в различных растворителях и отжиг (водородный или вакуумный). Механическую зачистку рабочей поверхности металлосплавного катода можно проводить как шкуркой, так и металлической проволокой (обычно используется вольфрамовая проволока), при этом снимается слой металла толщиной 2-3 мкм. Удаление жировых, масляных и др. загрязнений осуществляется с помощью промывки деталей в органических нейтральных растворителях (трихлорэтилене, ацетоне, спирте), растворители не разрушают молекулы загрязнений, а благодаря сорбционной активности вытесняют их с поверхности деталей в раствор. Как отмечалось ранее, любые средства очистки деталей от загрязнений не абсолютны, поэтому на поверхности очищенных деталей всегда остаются в небольших количествах как те вещества, от которых очищалась деталь, так и те вещества, с помощью которых производилась очистка. После очистки деталей от органических загрязнений - остатков масел, жиров, смазок - на деталях всегда остаются эти загрязнения в количествах, соответствующих покрытию поверхности молекул загрязнений от долей до целого монослоя. В таких же количествах могут оставаться и моющие вещества, используемые в технологии очистки. При водородном и вакуумном отжиге очищенных деталей происходят испарение и диссоциация адсорбированных молекул с образованием различных газов. Следует отметить, что отжиг деталей в водородных и вакуумных печах при высоких температурах сглаживает результаты различных химических методов очистки, т. к. по эффективности он значительно превосходит их.
Исследование влияния механической обработки (шкурка, вольфрамовая проволока) сплава платина-барий проводилось на образцах из фольги толщиной 0,1 мм. С поверхности материала снимался слой толщиной 2-3 мкм, затем образец тщательно протирался батистовой салфеткой и ставился в установку для замеров КВЭЭ. На рис. 32 (кривая 1 - образец зачищенный шкуркой, кривая 2 - образец, зачищенный вольфрамовой проволокой) приведены зависимости значения максимального КВЭЭ от температуры прогрева образца. Прогрев при различных температурах проводился в течение 20 мин с последующей электронной бомбардировкой поверхности (і=2мА/см ; Ер=200эВ) в течение 10 мин.
Экспериментальные исследования режимов диффузионной сварки палладий- бариевого катода
При разработке конструкции катодного узла электровакуумного СВЧ прибора необходимо учитывать все особенности работы прибора и условий его эксплуатации.
Обратим внимание на одну важную особенность работы магнетрона. Эта особенность заключается в том, что в магнетроне всегда имеет место обратная электронная бомбардировка катода. Вследствие этого значительная часть подводимой к магнетрону мощности рассеивается на катоде. В импульсных приборах с большим коэффициентом заполнения эта мощность становится сравнимой с мощностью накала катода и даже может превышать ее. Перегрев катода приводит к ухудшению эмиссионных параметров и к сокращению срока службы катода. Срок службы термоэмиссионных катодов магнетронов при уменьшении длины волны заметно сокращается. Это связано с увеличением плотности тока эмиссии отбираемого с катода, для магнетронов, работающих на коротком крае миллиметрового диапазона, плотность тока достигает 150-200А/сьГ. В связи с этим разработка эффективных катодов, обеспечивающих большой срок службы магнетронов миллиметрового диапазона длин волн, была и остается актуальной задачей.
В настоящее время в мощных импульсных СВЧ приборах магнетронного типа сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазона широкое применение нашли холодные вторично-эмиссионные катоды. Для запуска такого катода существует ряд технических решений. К таким решениям можно отнести: применение лезвийных автоэмиттеров, включение входным сигналом и др. Наиболее простым и нашедшим широкое применение в магнетронах миллиметрового диапазона является применение дополнительного термокатода, расположенного напротив торца вторично-эмиссионного катода. Применение такой комбинации катодов позволяет решить проблему отвода мощности обратной электронной бомбардировки с вторично-эмиссионного катода, применив жидкостное охлаждение.
Как отмечалось в первой главе, в качестве вторично-эмиссионных материалов для этих катодов используются сплавы ПдБ 2, ПлБ 2 и др.материалы, имеющие высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии. Катоды из сплавов ПдБ 2 и ПлБ 2 обладают достаточно высокой тепло- и электропроводностью, хорошей формоустойчивостью при высоких температурах и гладкой эмитирующей поверхностью. Вторично-эмиссионные катоды изготавливаются составными. На керн катода закрепляют фольгу-эмиттер из соответствующего металла. Способ закрепления должен обеспечить надежный тепловой и электрический контакт по всей поверхности и не приводить к изменениям эмиссионных свойств материала эмиттера. С целью получения таких катодов были разработаны технологические процессы сварки ленты эмиттера с керном катода в твердой фазе.
В настоящее время при изготовлении вторично-эмиссионных катодов широко применяется диффузионная сварка в вакууме. К наиболее перспективным способам, отвечающим вышеуказанным требованиям, можно отнести способ приварки эмиттера к керну многорядной роликовой сваркой и диффузионную сварку биметаллических пластин с последующим ее сворачиванием в трубку и пайкой с керном катода. Достоинствами этих способов являются производительность и отсутствие дорогостоящей оснастки. Известен еще один способ, который также можно отнести к наиболее прогрессивным: магнитоимпульсная сварка в вакууме. Способ электромагнитного обжатия обеспечивает равномерное усилие на свариваемую поверхность катода. При этом отпадает необходимость в использовании специальных оправок. Однако этот способ не позволяет существенно увеличить производительность.
С увеличением рабочей частоты магнетрона размеры электродов значительно уменьшаются, что вызывает ряд технологических трудностей, в том числе и при изготовлении катода.
Проведенный в первой главе анализ технологических прочесов изготовления металлосплавных катодов показал, что типовая конструкция катода и способы его изготовления не обеспечивают необходимых параметров применительно к приборам миллиметрового диапазона.
Рассмотрим наиболее вероятные причины выхода катода из строя. К таким причинам можно отнести три наиболее значимых процесса. Одним из таких процессов является отравление катода. Отравление катода происходит при попадании на поверхность эмиттера посторонних веществ. Отравление катода может происходить на разных этапах «жизненного цикла» прибора. Наиболее вероятной причиной отравления катода на стадии изготовления прибора является попадание на поверхность эмиттера титана, применяемого в качестве газопоглотителя паров веществ, входящих в состав припоев. В процессе откачки катод может быть запылен титаном при обработке постоянно действующего газопоглотителя или отравлен углеродом при неправильной работе откачного оборудования. Катод также может потерять свои эмиссионные свойства в процессе тренировки прибора или его эксплуатации по причине ухудшения вакуума, увеличения парциального давления кислорода, паров воды и др. В этом случае в роли отравляющего вещества выступает кислород. Все вышеперечисленные причины отравления катода обусловлены технологией изготовления прибора, его сборкой и обработкой при откачке. Наиболее интересной причиной выхода металлосплавного катода из строя с точки зрения технологии его изготовления является его разрушение в зоне соединения эмиттера с керном. Оно выражается в виде вздутий и отслоений эмиттера, его локального оплавления. Причиной такого разрушения катода могут являться некачественное соединение эмиттера с керном и проникновение импульсной температуры (в случае импульсного режима работы магнетрона) до сварной зоны эмиттера с керном, что приведет к возникновению напряжений в зоне соединения из-за разницы коэффициентов термического расширения соединенных материалов.
Экспериментальные исследования режимов диффузионной сварки палладий- бариевого катода
С целью снижения величины паразитной эмиссии с боковой поверхности пушки при дальнейших испытаниях на долговечность накал пушки был снижен до 2,4 А, что соответствует температуре примерно 1180 К.
После снижения тока накала торцевой пушки искрения пропали, испытания на долговечность были продолжены.
На рис. 68 и 69 представлены результаты контроля электрических параметров после 500 часов испытаний магнетрона. В процессе работы прибора при пониженном токе накала торцевой пушки выросла выходная мощность, при этом значительно снизился эмиссионный ток пушки и выросло динамическое сопротивление прибора. Такое изменение электрических параметров прибора можно объяснить следующим. При снижении накала пушки, а следовательно, и ее температуры, скорость поверхностной диффузии бария на боковую поверхность керна пушки снизилась, при этом скорость испарения бария с боковой поверхности керна пушки практически не изменилась (скорость испарения бария с боковой поверхности пушки в большей степени зависит от мощности обратной электронной бомбардировки). Таким образом, баланс между поступлением активного вещества и его испарением был нарушен, что привело к снижению паразитной эмиссии с боковой поверхности пушки, а также к снижению паразитных токов утечки и повышению КПД прибора. На рис. 70 и 71 приведены результаты замеров электрических параметров после 1000 часов испытаний магнетрона. После испытания в течение 1000 часов мощность магнетрона упала на 15%, при этом вольтамперная характеристика сместилась на 0,5 кВ вниз, снизился КПД прибора с 3,3 до 2,85%), что может быть объяснено появлением токов утечки. На рис. 72 приведена зависимость тока эмиссии пушки в течение 1000 часов испытаний. Как видно из рисунка, зависимость тока эмиссии пушки от температуры к концу испытаний на долговечность становится более пологой. Это свидетельствует о снижении эмиссионной способности торцевой пушки. На рис. 73 приведены электрические харратеристики прибора, замеренные в течение испытаний на долговечность. Как видно из рис. 73, с увеличением тока эмиссии пушки выходные параметры прибора заметно ухудшаются: снижаются КПД и выходная мощность, падает динамическое сопротивление прибора, что свидетельствует о появлении токов утечки, к тому же в приборе начинают возникать искрение и пробои. При снижении накала пушки, а следовательно, и ее температуры выходные параметры прибора начинают улучшаться. В целом, при проведении испытания опытного образца магнетрона на долговечность были получены положительные результаты по электрическим параметра магнетрона. Проведенные испытания магнетрона на долговечность доказали, что разработанная конструкция и технологические принципы изготовления малогабаритных металлосплавных катодов диффузионной сваркой с термическими системами давления позволяют создавать приборы М-типа в коротковолновой части миллиметрового диапазона с долговечностью до 1000 часов и выходной импульсной мощностью до 5 кВт. После 1000 тысячи часов испытаний прибор был вскрыт, на рис. 74 показана рабочая поверхность металлосплавного катода. Поверхность катода разрушена неравномерно, основное разрушение происходит напротив вывода энергии. Остальная поверхность эмиттера имела шероховатую поверхность. В месте соединения эмиттера с керном появилось сужение, по-видимому, вызванное возникновением внутренних напряжений в зоне соединения при нагреве и остывании катода из-за разного значения КТР сплава платина-барий и молибдена. Несмотря на возникавшие в зоне соединения напряжения, прочность сварного соединения оказалась достаточной, чтобы выдержать 1000 циклов включения прибора. Таким образом, было доказано, что разработанный металлосплавной катод и технология диффузионной сварки с термическими системами давления обеспечивают стойкость катода к нагреву до 800-900 К в течение 1000 циклов. На торце катода появились наросты (рис. 75), по-видимому, связанные с распылением припоя, которым был припаян эмиттер торцевой пушки к держателю.
