Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Достигнутый уровень развития электронных вакуумных приборов миллиметрового диапазона
1.1 Характер и особенности развития различных классов электронных вакуумных приборов
1.2 Лампы бегущей волны 19
1.3 Лампы обратной волны 21
1.4 Клистроны 23
1.5Гиротроны 25
1.6 Генераторы дифракционного излучения 26
1.7 Магнетроны 29
Выводы к I главе 32
Глава 2. Теоретический анализ и компьютерное моделирование режимов работы магнетрона
2.1 Постановка задачи 34
2.2 Компьютерное моделирование. Выбор оптимальных параметров режима работы магнетрона
2.2.1 Математическая модель и программное обеспечение 36
2.2.2 Анализ выбранной конструкции электронно-оптической системы магнетрона 37
2.2.3 Анализ влияния на характеристики прибора волнового сопротивления резонаторной системы 43
2.2.4 Анализ влияния на характеристики прибора значения индукции магнитного поля
2.2.5 Анализ влияния на характеристики прибора радиуса катода 49
2.2.6 Анализ влияния на характеристики прибора значения максимального коэффициента вторичной эмиссии 51
2.2.7 Анализ влияния на характеристики прибора значения собственной добротности 53
2.2.8 Анализ влияния на характеристики прибора значения внесенной добротности 55
Выводы ко II главе 57
Глава 3. Выбор оптимальных параметров электронно-оптической системы магнетрона, обеспечивающей высокий КПД
3.1 Особенности магнетронов поверхностной волны 60
3.2 Исследование электродинамических характеристик магнетрона 65
3.3 Оптимизация геометрии резонаторной системы магнетронов поверхностной волны
3.4 Средства реализации оптимальных параметров магнетронов поверхностной волны
Выводы к III главе 95
Глава 4. Разработка конструкции магнетрона 2-миллиметрового диапазона с долговечностью более 2000 часов
4.1 Конструкторско-технологические проблемы разработки и проектирования магнетронов миллиметрового диапазона 98
4.2 Обеспечение надежности работы анодного электрода при высоких тепловых нагрузках 103
4.3 Изготовление резонаторных систем магнетронов 112
4.4 Обеспечение надежности работы катодного электрода при высоких тепловых нагрузках
4.5 Реализация охлаждения катодного узла и анодного блока 117
4.6 Разработка вывода энергии повышенной надежности 119
4.7 Результаты испытаний разработанных магнетронов 129
Выводы к IV главе 132
Заключение 134
Список использованной литературы 137
Приложение
Акт о внедрении результатов диссертационной работы 154
- Генераторы дифракционного излучения
- Компьютерное моделирование. Выбор оптимальных параметров режима работы магнетрона
- Исследование электродинамических характеристик магнетрона
- Обеспечение надежности работы анодного электрода при высоких тепловых нагрузках
Введение к работе
Актуальность. Современная техника СВЧ характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Среди электровакуумных приборов заметное место занимает магнетрон - один из старейших типов генераторов, обязанный своим долголетием постоянному совершенствованию конструкции и технологии изготовления, достижению все более высоких параметров.
Обширной областью СВЧ-техники, где используются преимущественно магнетроны, являются компактные радиолокационные станции (РЛС) различного назначения. Принципиальные преимущества и достоинства использования магнетронов миллиметрового диапазона длин волн при создании нового поколения радиолокационных станций обусловлены, в первую очередь, возможностями получения при ограниченной апертуре антенны высокой разрешающей способности по различению объектов и целей в обзорной зоне благодаря более выгодному, чем у других приборов, отношению мощности выходного сигнала к массе прибора. Создание мощных приборов миллиметрового диапазона обеспечивает эффективное наблюдение на дальностях до 5-10 км.
Исследованию миллиметровых магнетронов и улучшению их эксплуатационных характеристик и выходных параметров посвящены работы известных отечественных и зарубежных ученых: М.А. Фурсаева, В.А. Адамовича, В.П. Еремина, А.Я. Усикова, А.А. Гурко, В.Б. Байбурина, В.Д. Науменко, В.Д. Еремки, M.J. Bernstein, N.M. Kroll, Р.Г. Робертшоу, В. Е. Уилшоу и др.
Вопросы дальнейшего увеличения надежности, КПД, улучшения массогабаритных параметров, повышения эксплуатационной эффективности, в том числе экономической (снижение затрат на час эксплуатации) недостаточно изучены. Невозможность строгого аналитического решения основных уравнений приводит к необходимости использования численных методов решения и проведения исследований физических эффектов методами компьютерных и физических экспериментов.
Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных импульсных миллиметровых магнетронов КВЧ с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для работы в современных передатчиках РЛС, является актуальной в настоящее время.
Цель работы: разработка магнетрона миллиметрового диапазона, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Поиск путей увеличения КПД магнетрона 2-миллиметрового диапазона.
2. Увеличение долговечности магнетрона до 2000 часов.
3. Снижение температуры электродов для повышения их надежности.
4. Уменьшение массогабаритных характеристик магнетрона.
5. Повышение воспроизводимости параметров магнетронов в условиях производства.
6. Разработка экспериментальных образцов магнетронов на основе полученных результатов расчетов и исследований.
Методы и средства исследований. При выполнении данной работы использованы основы теории вакуумной СВЧ-электроники, современные методы теоретического и экспериментального исследований и средства компьютерного моделирования. Решения задач оптимизации в условиях малой изученности теории миллиметровых магнетронов поверхностной волны, работающих в режиме синхронизации электронного потока с пространственными гармониками, базируются на экспериментальных данных и известных положениях теории приборов М-типа.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применяемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов взаимодействия электронов с СВЧ- полем; хорошим совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также c результатами измерений созданных магнетронов на поверенной и аттестованной аппаратуре и совпадением с результатами, полученными другими авторами в области разработки магнетронов миллиметрового диапазона, опубликованными как в России, так и за рубежом.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Разработана конструкция магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками. При этом установлено:
- нанесенное на медные ламели вольфрамовое покрытие толщиной 20 мкм повышает надежность резонаторной системы и увеличивает долговечность мощных импульсных магнетронов до 1000 и более часов;
- оптимально подобранные значения толщины (ширины) ламели tл,
шага резонаторной системы L позволяют повысить КПД магнетрона
2-миллиметрового диапазона с 2,2 до 2,8-3,5%;
- корректировка геометрии резонаторной системы методом сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний приводит к повышению КПД, повторяемости выходных характеристик и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона;
- разделение запускающего термокатода и вторично-эмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно, на основной холодный и боковой вспомогательный термокатод в магнетроне 2-миллиметрового диапазона длин волн со средней выходной мощностью 3-5 Вт позволяет снизить тепловые нагрузки на основной катод и тем самым повысить надежность и долговечность устройства.
Научная новизна работы:
1. Установлена зависимость времени разрушения анодной структуры магнетрона 2-миллиметрового диапазона в зависимости от длительности импульса и скважности, позволившая разработать методику ускоренных испытаний таких магнетронов на безотказность.
2. Разработана электронно-оптическая система 2-миллиметрового магнетрона, обеспечивающая более высокую надежность по сравнению с аналогами и долговечность порядка 1000-2000 ч.
3. На основе метода совмещения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний многорезонаторного магнетрона, сущность которого заключается в изменении геометрии выходного резонатора или изменении геометрии других резонаторов, определенных специальным образом, проведена оптимизация резонаторной системы, которая привела к повышению повторяемости выходных характеристик на 20-30% и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона.
4. Впервые предложена адаптированная к серийному производству конструкция 2-миллиметрового магнетрона со средней выходной мощностью 3-5 Вт для передатчиков современных РЛС с металлосплавным вторично-эмиссионным катодом и боковым термокатодом, обеспечивающая долговечность более 1000 часов, с улучшенными массогабаритными характеристиками.
Практическая значимость. На основании проведенных исследований и компьютерного моделирования разработана ЭОС магнетрона, обеспечивающая высокий уровень КПД. Апробирована технология нанесения тугоплавкого материала на теплонагруженные элементы конструкции для их защиты от эрозионного разрушения, не оказывающая значимого влияния на электродинамические характеристики резонаторной системы, позволившая повысить долговечность магнетрона. Увеличение КПД позволило снизить подводимую мощность и уменьшить массогабаритные характеристики источника питания. Использование средств компьютерного моделирования и разработанных конструктивно-технологических решений позволило улучшить массогабаритные характеристики магнетрона.
Результаты исследований и экспериментов использованы при разработке 2-миллиметровых магнетронов и позволили создать опытный образец магнетрона, отвечающего всем современным требованиям, предъявляемым к приборам подобного типа и класса, с характеристиками, превосходящими аналоги. Изложенный научный материал также может быть использован в учебном процессе вузов, ведущих подготовку специалистов по специальности 21010565 «Электронные приборы и устройства», а также по направлениям «Электроника и микроэлектроника» и «Электроника и наноэлектроника» (21010062 и 21010068).
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. и в ОАО «Тантал». Результаты диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2010), XVII координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике (Нижний Новгород, 2011), VII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2012).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 11 печатных работах (статьях, текстах докладов), в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации результатов экспериментальных исследований. Представленные экспериментальные исследования проведены автором. Обсуждения полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с соавторами научных статей. Автору диссертации принадлежит разработка основных направлений конструирования и технологии изготовления экспериментальных макетов и опытно-конструкторских образцов магнетронов. Расчеты и компьютерное моделирование проводились совместно с научным руководителем, а также с В.П. Ереминым и А.В. Ершовым.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 156 страницах, содержит 56 рисунков, 19 таблиц, список использованной литературы включает 169 наименований.
Генераторы дифракционного излучения
Генераторы дифракционного излучения являются сравнительно новыми перспективными источниками электромагнитного излучения миллиметрового (ММ) и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Их работа базируется на физическом явлении когерентного дифракционного излучения электронного пучка, движущегося вблизи периодической структуры, а в качестве резонансной системы используется высоко добротный открытый резонатор (ОР). ГДИ выгодно отличаются от других вакуумных источников О-типа ММ- и субММ-диапазонов волн высокой стабильностью частоты, узким спектром выходного сигнала, низким уровнем шумов, широким диапазоном электромеханической перестройки и сравнительно большим уровнем выходной мощности. В таких генераторах осуществляется распределенное взаимодействие электронных пучков с полями периодических структур с привлечением для энергообмена объемных электромагнитных волн в пространственно-развитых открытых электродинамических системах, что позволяет преодолеть принципиальные затруднения, возникающие в классических генераторах при укорочении длины волны.
В результате систематических исследований генераторы дифракционного излучения, проведенных в ИРЭ АН УССР (1970-1988 гг.) были разработаны две серии пакетированных ГДИ полностью перекрывающих весь миллиметровый диапазон [51]. Для этих приборов была также разработана и унифицированная электронная пушка, формирующая ленточный электронный пучок сечением 3,8x0,1мм с плотностью тока j 30 А/см , а также малогабаритные магнитные фокусирующие системы (МФС) из SmCo5 [52]. Диапазон перестройки каждого прибора составляет 20%. При мощности электронного пучка около 500 Вт (U 4,0 кВ, 1 0,12 А) коэффициент пропорциональности для выходной мощности составляет Рвых [Вт] 0,5 X2 [мм], а общий КПД х\[%] 0,10 X2 [мм]. Двенадцать приборов каждой серии полностью перекрывают весь миллиметровый диапазон длин волн, их параметры приведены в таблице 8.
На протяжении 1990-2004 гг. для некоторых участков ММ-диапазона в ИРЭ ПАН Украины были разработаны более мощные ГДИ [52, 53, 54]. Параметры этих ГДИ приведены в таблице 9. В непрерывном режиме работы при U 6 кВ и 1р 0,15А достигнута выходная мощность Р=100 Вт на X = 8 мм, Р = 30 Вт на X = 5 мм иР=15ВтнаХ, = 3 мм, что соответствует Р [Вт]=1,6А? [мм ] и г [%] = 0,15А- [мм ]. В конструкции этих генераторов предусмотрены меры по рассредоточению мощности электронного пучка на входе в пространство взаимодействия и на коллекторе. Приняты также меры для подавления конкурирующих мод в открытой резонаторной системе (ОРС). В импульсном режиме работы при подводимой мощности 11 кВт (U 14 кВ и I 0,8 А) выходная мощность таких ГДИ составляет Р = 1,2 кВт на X = 8 мм, Р = 0,6 кВт на X = 5 мм и Р=0,3 кВт на X = 3 мм. Выходная мощность таких импульсных ГДИ достигает уровня Р[Вт] 25?i2 [мм2] и КПД г[%] = 0,23Х,2 [мм2]. Длительность импульсов излучения ГДИ составляла 0,1 мкс - 2,0 мс при скважности 30-10000. История развития магнетронов диапазона ММВ начинается с разработки многорезонаторных классических и неклассических импульсных генераторов. В 60-х годах прошлого века классические импульсные магнетроны в длинноволновой области миллиметрового диапазона испытали сильную конкуренцию со стороны коаксиальных и обращенно-коаксиальных магнетронов. Магнетроны традиционной конструкции можно разделить на два подвида. Магнетроны одного из них созданы с применением метода масштабного копирования наиболее удачных конструкций магнетронов сантиметрового диапазона. Магнетроны традиционной конструкции в научной литературе называют классическими. Другая модификация магнетронов традиционной конструкции - это так называемые магнетроны, работающие в режиме слабых магнитных полей. Первые образцы классических магнетронов диапазона ММВ были несовершенными и обеспечивали небольшой срок службы [56], вместе с тем постоянное их совершенствование позволило создать работоспособные конструкции, которые нашли применение на начальном этапе развития радиолокации миллиметрового диапазона волн. Основным параметром, по которому оценивались в тот период времени магнетроны, была выходная мощность. Срок службы в несколько сотен часов считался тогда вполне приемлемым. Несмотря на то, что традиционная конструкция магнетрона диапазона ММВ пригодна для генерирования импульсной мощности величиной в 200 кВт, подавляющее большинство их разработок было посвящено конструкциям для генерирования мощности, не превышающей несколько десятков киловатт. При таких уровнях выходной мощности значительно снижается вероятность искрений, меньше рабочие напряжения, легче решается проблема электрической прочности СВЧ-тракта.
Компьютерное моделирование. Выбор оптимальных параметров режима работы магнетрона
Особенности рассматриваемого прибора потребовали использования численной математической модели магнетронного генератора, учитывающей разрезную структуру анодного блока, наличие пространственных гармоник высокочастотных (ВЧ) колебаний и конкуренцию между разными видами ВЧ колебаний. Программа численного моделирования процессов в магнетроне [90] включает расчетные и интерфейсные программные модули.
В используемой в программе математической модели авторами применялось численное решение основных уравнений модели с помощью метода конечных разностей, метода «сеток», метода последовательных приближений (при решении уравнения Пуассона), метода крупных частиц и метода однородного поля (при решении уравнения движения), Фурье-анализа (при расчете ВЧ полей). Решение проводилось пошагово от задания начального «затравочного» состояния до достижения самосогласованного решения.
Математическая модель магнетрона отличается от ранее известных учетом следующих факторов: влияния разрезной структуры анодного блока, наличия стоячих волн, наличия пространственных гармоник, конкуренции видов колебаний. С помощью программы [90] оказалось возможным анализировать физические эффекты в магнетронах, работающих на высших гармониках, в частности в магнетронах мм-диапазона.
Используемое программное обеспечение, позволяет проводить расчет и оптимизацию магнетронов мм-диапазона длин волн с учетом большего числа конструктивных параметров, чем существующие аналоги, сокращая количество промежуточных экспериментальных макетов.
Достоверность полученных результатов базируется на достаточно строгих и точных методах моделирования, апробированных на протяжении многих лет в численном моделировании магнетронных приборов, хорошо согласующихся с экспериментальными характеристиками. Учитывая предыдущие наработки и известные аналоги, была выбрана и проанализирована следующая конструкция магнетрона. Геометрия: радиус анода Ra = 1.59 мм, радиус катода RK = 1.075 мм, высота анодного блока Н = 2.00 мм, число резонаторов разрезной структуры Npa6 = 32, толщина ламели 0,15 мм (при этом отношение ширины щели к периоду составило 0.520).
Электродинамические характеристики: частота f0=138 ГГц, вид колебаний = 6, собственная добротность Qco6=500, внесенная добротность QBH=2000 (при этом контурный КПД составил 20 %), волновое сопротивление Zo=0.2 Ом. Работа прибора осуществляется на минус первой гармонике шестого вида колебаний, при этом постоянная распространения равна 26. Характеристики катода: плотность тока термоэмиссии J3M=1 А/кв.см (при этом ток термоэмиссии 1эм=0.135 А), максимальный коэффициент вторичной эмиссии 2.70 при энергии удара о катод WM=800 эВ, энергия вылета вторичного электрона WBbmCTa=3.30 эВ Режим: магнитное поле Во=1.030 Тл, анодное напряжение Ua варьировалось в процессе расчетов.
При выбранных параметрах напряжение Хартри UxapT=15584 В, напряжение синхронизма на катоде иси„хр.кат=15537 В, напряжение синхронизма на аноде UCHHxp.aH=33990 В, критическое напряжение UKp=17390 В. Таким образом, рабочая точка по анодному напряжению должна соответствовать 15 кВ. Результаты проведенных расчетов приведены нарис. 3-5.
Из рисунков видно, что выходная мощность 4+8 кВт достигается при анодном напряжении 14.5+15.5 кВ. При этом анодный ток 7+16 А, а КПД 3.4+3.7 %. Таким образом расчеты показали правильность выбранной конструкции. Выходная мощность более 4 кВт достигается при анодном напряжении 15 кВ, а анодный ток не превосходит 15 А. Положительным моментом данной конструкции является то, что рабочая точка находится далеко от режима срыва, что должно обеспечивать устойчивость работы прибора при различных флуктуациях параметров режима питания. Однако анализ выходных характеристик прибора выявил и определенные недостатки. Так, расчетные значения КПД не превышают 4%. Необходимо отметить, что, как правило, экспериментальное значение КПД оказывается значительно меньше расчетного. Следовательно, данная конструкция нуждается в дальнейшей оптимизации. Ниже приводится детальный анализ всех расчетных характеристик прибора при фиксированном анодном напряжении (15.2) В.
Выходные характеристики, усредненные за 400 модельных временных шага оказались следующими. Анодный ток 1а = 14.5 А. Ток бомбардировки катода Ібомб.кат = 1196 А. Ток вторичной эмиссии 1ет. эм = 1206 А. Эффективный коэффициент вторичной эмиссии = 1.009. Плотность тока с катода JKaT =107 А/кв.см. Потребляемая мощность Р = Ua Ia =219 кВт. Выходная мощность Рвых = 7.642 кВт. КПД = 3.5%. Мощность взаимодействия Рвз = 24 кВт. Электронный КПД = 10.8 %. Мощность потерь в резонаторной системе Рзс = 16 кВт ( 7.3 % ). Мощность, выделяющаяся на аноде Ран =105 кВт ( 48.2 % ). Энергия бомбардировки анода WaH = 7200 эВ. Мощность, выделяющаяся на катоде Ркат = 90 кВт ( 41.0 % ). Энергия бомбардировки катода WKaT = 75 эВ. Амплитуда ВЧ потенциала U = 2411 В. Горячая частота генерации freH. = 137.4 ГГц. Наведенные токи: 1нав. = 19.102 А, Інав. реакт = 85.855 А. Анав. полн — 87.955 A, arctgCIpeao/Iarr) = 77.5 град. Дополнительные "модельные характеристики" оказались следующими. Отношение ВЧ амплитуды к анодному напряжению U/Ua = 0.159. Число частиц в пространстве взаимодействия 2778. Среднее время жизни частиц, попадающих с катода на анод 29.3 ВЧ периодов.
Исследование электродинамических характеристик магнетрона
Измерения параметров негенерирующих магнетронов ("холодные" измерения) являются одним из главных звеньев в процессе их конструирования и технологической отработки. "Холодные" измерения позволяют исследовать характеристики магнетрона, которые с трудом поддаются расчету, и сверять расчетные данные с экспериментальными, а их результаты оптимизировать конструктивные параметры разрабатываемого магнетрона. На низком уровне мощности измеряются параметры рабочего вида и соседних видов колебаний, резонансные частоты этих видов колебаний и добротности (#0, 9в„), что позволяет при наличии достаточного опыта изготовления магнетронов прогнозировать их рабочие характеристики (величину кпд, токи начала генерации и токи срыва рабочего вида колебаний).
"Холодные" измерения миллиметровых магнетронов поверхностной волны в чисто техническом плане представляют довольно трудную задачу. В особой степени это относится к измерению дисперсионных характеристик. Частично трудности связаны с недостаточным развитием метрологического оборудования, технологическими вопросами, частично с малыми размерами пространства взаимодействия и резонаторной системы. Последнюю проблему можно решить путем изготовления масштабно увеличенных (в 10-20 раз) макетов резонаторных систем, дисперсионные характеристики которых расположены в сантиметровом диапазоне длин волн.
Измерения дисперсионных характеристик реальных резонаторных систем приборов обычно проводятся резонансным методом. Основная трудность заключается в идентификации резонансов, т. е. в исключении мешающих посторонних резонансов и опознании оставшихся резонансов по номерам (фазовым сдвигам на ячейку р). Идентификация видов колебаний обычно производится по изучению распределения полей стоячих волн путем поочередного внесения пробного тела во все ячейки резонаторной системы [98]. Однако в миллиметровом диапазоне это сделать нелегко, т. к. в резонаторы не проходит даже тонкая иголка. Поэтому проведение "холодных" измерений на увеличенном макете является неотъемлемой частью разработки магнетронов миллиметрового диапазона.
Для исследований был изготовлен макет резонаторной системы магнетрона 2х миллиметрового диапазона с масштабно увеличенными в 16 раз размерами (по сравнению с реальными). Была снята дисперсионная характеристика замедляющей системы, обследовано влияние анодных экранов на дисперсию, а также снята дисперсионная кривая ЗС с катодом, пушкой и экранами.
Попадание в рабочий диапазон частот обеспечивается точностью выполнения заданных размеров анодно-резонаторной системы, а также достигается доводкой с помощью процесса химической полировки (т.е. травлением) резонаторной системы и изменением положения экранов, в зависимости от расстояния от торца ламелей до экранов. При травлении уменьшается толщина ламели, что изменяет резонансную частоту только в коротковолновую сторону. С целью получения требуемой резонансной частоты делается припуск на толщину ламели, который смещает резонансную частоту в длинноволновую сторону, и за счет подбора времени полировки обеспечивается требуемая частота (рис. 37).
Зависимость смещения частоты от времени полировки показывает, что резонансные частоты видов резко возрастают за первые 10 сек. полировки, при дальнейшем увеличении времени травления резонансные частоты видов возрастают все слабее и слабее. Это можно объяснить рыхлостью поверхности ламелей после первичной механической обработки, из-за чего процесс уменьшения толщины ламели идет поначалу быстро и все более замедляется по мере того, как поверхность ламелей становится глаже.
Анодные экраны применяют для того, чтобы уменьшить излучение электромагнитного поля в торцевые полости, которое может привести к увеличению собственных потерь резонаторной системы, а также возникновению нежелательных паразитных резонансов в торцевых полостях. Экраны, как известно, оказывают влияние на резонансную частоту и смещают ее в короткую сторону, в зависимости от расстояния ламель-экран. На реальных магнетронах не удается достичь хороших результатов по повторяемости резонансной частоты рабочего вида колебаний и добротностей. Обусловлено это тем, что необходимая точность изготовления деталей и узлов магнетронов в рассматриваемом диапазоне длин волн должна быть очень высокой и имеющееся технологическое оборудование не всегда обеспечивает такую точность. Знания влияния положения экранов на частоту очень полезны. Результаты таких экспериментов приведены на рис. 38.
Обеспечение надежности работы анодного электрода при высоких тепловых нагрузках
Главным элементом любого магнетрона, определяющим его электрические характеристики, является резонаторная система с выводом энергии. Первые предварительные расчеты и эксперименты показали, что предъявляемые к магнетрону требования близки к предельно возможным, так как наряду с другими заданы жесткие требования по средней мощности по анодному напряжению, по долговечности.
В процессе работы магнетрона существует вероятность разрушения анодной системы из-за бомбардировки электронами поверхности анода и связанных в связи с этим тепловых нагрузок.
Выполненные расчеты, с учетом действующих тепловых нагрузок показали недопустимость использования в качестве материала анода бескислородную медь, которая используется почти во всех магнетронах, так как разрушение анода может произойти уже в первые минуты работы.
Тепловые нагрузки на аноде рассматриваемых магнетронов настолько велики (порядка 2000 Вт/см2 или 2400000 Вт/см2 в импульсе), что заданная долговечность 2000 часов может быть получена только при условии защиты поверхности анода тугоплавкими материалами. Обычно для этих целей применяют покрытие молибденом или вольфрамом. ОАО «Тантал» является одним из немногих предприятий РФ, на котором внедрен процесс напыления вольфрама из парогазовой фазы. Специфика мм магнетронов потребовала при этом модернизации технологии для решения следующих задач. Вольфрамовое покрытие на ламелях должно быть тонким не более 25 мкм, чтобы не ухудшать электродинамику резонаторных систем, но не менее 10 мкм, чтобы обеспечить необходимую термомеханическую прочность. Покрытие должно иметь прочное сцепление с подложкой. Выбор материала подложки имеет огромное значение и потребовал больших усилий. Отработка технологии резания резонаторов проводилась с учетом свойств подложки и вольфрама, также как и вся последующая техно-химическая обработка анодов.
Для защиты резонаторной системы от тепловых перегрузок на рабочую поверхность ламелей наносилось вольфрамовое покрытие толщиной 0,2 ±0,1 мм. Нанесение вольфрамового покрытия осуществлялось методом термического восстановления гексафторида вольфрама по реакции WF6+3H2 -+W + 6HF [129, 130].
По сравнению с другими известными физическими и химическими методами получения вольфрамовых покрытий (плазменное напыление, вакуумная металлизация, термическое разложение вольфрамосодержащих соединений и т. п.) данный метод отличается незначительной энергоемкостью, высокой производительностью и при использовании сравнительно простого оборудования обеспечивает возможность получения вольфрама с плотностью близкой теоретическому значению, неуступающего по химической чистоте вольфраму, получаемому методом порошковой металлургии.
В процессе разработки экспериментально обследовались различные технологические схемы вольфрамирования ламелей с целью выбора схемы, пригодной для серийного производства.
Медная заготовка в виде кольца с наружным диаметром 36 мм, внутренним - 3,2 мм и высотой 20 мм никелируется электролитически в ванне матового никелирования для увеличения прочности сцепления вольфрамового защитного слоя с основой.
Никелированная заготовка в специальной оснастке устанавливается в герметизируемый реактор, нагревается в водороде до Т = 560 - 570С, после чего в реактор через приборы контроля режима подается гексафторид вольфрама из специального контейнера.
Вольфрамированная заготовка затем дорабатывается для получения требуемых размеров. После чего заготовка анода передается на участок электро-искровой обработки, где в соответствии с заданными размерами вырезают ламели в анодном отверстии. В результате получается резонаторная система, защищенная вольфрамом с внутренней стороны.
Установлено что вольфрамовое покрытие без отслаивания и разрушения выдерживает как стадии механической обработки, так и многократные циклические тепловые нагрузки в процессе сборки прибора и в условиях эксплуатации в рабочем режиме.
Данные соответствуют случаю равномерной бомбардировки анода электронами (по азимутальному углу и по высоте). Из практики разработки магнетронов известно, что реализовать такие идеальные условия необычайно трудно. Препятствуют разные факторы: неравномерность распределения амплитуды ВЧ поля в резонаторной системе по азимуту и по высоте, несоосность положения катода в анодном отверстии, неравномерность распределения продольного магнитного поля в магнетроне, конструктивные особенности магнетронов (наличие радиального вывода энергии и т.п.). Коэффициент неравномерности бомбардировки Кн обычно составляет величину от 1,5 до 3. Соответственно расчетные величины долговечности будут тем меньше чем больше коэффициент неравномерности.
На основе полученных расчетных и экспериментальных данных о влиянии неравномерности бомбардировки анода на его стойкость были проведены следующие исследования: - на специально изготовленном масштабно увеличенном макете измерена амплитуда ВЧ поля вдоль высоты анода. Изменение амплитуды не превысило 10 % несмотря на то, что высота анода составляет в наших магнетронах 0,9 длины волны, а в классических магнетронах - лишь 0,2-0,3 длины волны. Это позволяет говорить о правильном выборе вида колебаний в резонаторной системе и правильном выборе её геометрии. Главная задача в дальнейшем заключалась в обеспечении симметричности резонаторной системы при её изготовлении. -в конструкции магнетрона предусмотрена возможность центровки катода в анодном отверстии как при сборке магнетрона перед откачкой, так и непосредственно на технологических динамических испытаниях магнетронов для их настройки на максимальный КПД. Эти действия позволяют уменьшить влияние несоосности катода и анода на азимутальную неравномерность бомбардировки анода (и катода) электронами. - магнитная система магнетронов изначально конструировалась симметричной вдоль оси для достижения хорошей равномерности магнитной индукции Bz в пространстве взаимодействия магнетрона. Полученные в результате расчетной оптимизации величины (изменение Bz вдоль катода менее 1%, изменение Bz вдоль анода менее 2%, является очень хорошим для классических магнетронов. Однако анализ экспериментальных вольтамперных характеристик макетов магнетронов по величине динамического сопротивления и по зависимости анодного напряжения от Bz показали, что такая топология магнитного поля может приводить уже к неравномерности бомбардировки анода вдоль оси Z более чем в 1,3 раза. Была проведена повторная оптимизация геометрии магнитной системы, удалось получить A BZK=0,4% и ABZA=1,1%. Неравномерность бомбардировки анода вдоль оси Z уменьшена до 10%.
Одной из причин появления азимутальной неравномерности бомбардировки анода является неравномерность амплитуды ВЧ поля по азимуту в пространстве взаимодействия. Очевидны причины две: погрешности изготовления резонаторной системы (по толщине ламелей, по зазорам между ламелями) и неоднородность, возникающая из-за наличия вывода энергии, вынужденно нарушающего геометрию одного из резонаторов.
