Введение к работе
Актуальность проблемы.
Наряду с полупроводниковыми приборами СВЧ, магнетронами, клистронами, лампы бегущей волны (ЛБВ) крепко заняли свою нишу в СВЧ электронной аппаратуре. Более 50% объема продаж всех СВЧ - ламп составляют ЛБВ.
Тенденции развития вакуумной электроники в жесткой конкуренции с твердотельными приборами приводят к необходимости улучшения параметров ЛБВ: увеличение мощности до 10 кВт, долговечности до 200000 часов, диапазона частот до 1012 Гц и более, снижение шумности на 10 дБ. Без улучшения параметров металлопористого катода (МПК) данные требования не реализуемы.
Одним из основных преимуществ ЛБВ является низкий уровень шумов, что обеспечивает их долговременную конкурентоспособность с полупроводниковыми СВЧ приборами. Вопросы увеличения мощности, токоотбора с катода, долговечности ЛБВ рассмотрены в литературе достаточно подробно, однако проблемы снижения степени неоднородности эмиссии и снижения флуктуации эмиссионного тока освещены недостаточно. В основном рассматриваются конструктивные изменения электронной пушки для частичного снижения влияния неравномерности эмиссии на параметры прибора. Большой вклад в развитее конструкции и технологий ЛБВ, в том числе в разработку электронных пушек с пропитанными катодами, внесли Дебуа Б.Ч., Набоков Ю.И., Ворожейкин В.Г., Бабанов Ж.Н., J.R. Piers, Tomas J. Grant, G. Miram, W. Muller и др.
Основными источниками шумов являются тепловые и структурные флуктуации эмиссии МПК, а также паразитные ионные токи и токи утечки. На неоднородность эмиссии МПК влияет множество факторов, скрывающихся как в процессах, протекающих при изготовлении приборов, так и в технологических процессах производства МПК: микроокисления, микрогидратация, неравномерное расположение открытых пор, структура эмитирующей поверхности, неоднородность температуры и работы выхода электронов с поверхности МПК. Для качественного улучшения эмиссионных характеристик катодов и параметров ЛБВ необходимо разработать новую технологию и конструкцию МПК.
Поэтому данная работа, посвященная исследованию и созданию новых способов и технологий лазерной модификации МПК, обеспечивающих улучшение эмиссионных характеристик и снижение флуктуаций тока эмиссии, является актуальной.
Цель работы: снижение флуктуаций электронной эмиссии металлопористого катода ЛБВ за счет модификации поверхности лазерной обработкой, снижения неоднородности температуры МПК и улучшения степени обезгаженности прибора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ причин высокой неоднородности электронной эмиссии МПК и способов снижения флуктуации эмиссионного тока, исследовать теоретические модели фазовых реакций в МПК и режимы процесса откачки.
-
Разработать режимы, технологию и оснастку для модификации эмитирующей поверхности МПК способом лазерной обработки;
-
Исследовать влияние режимов лазерной обработки МПК на флуктуацию эмиссии, геометрические характеристики и состав поверхности катода;
-
Разработать технологию изготовления и конструкцию катодно-подогревательного узла, обеспечивающую снижение степени неоднородности распределения температуры по поверхности МПК;
-
Изготовить и испытать макетные образцы МПК, изготовленные по разработанной технологии;
-
Изготовить и испытать опытный образец ЛБВ с разработанным МПК и сравнить его технологические и эксплуатационные параметры с базовыми приборами.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы химической термодинамики, вакуумной электроники и электроники СВЧ. Для исследования характеристик поверхности применялись методы металлографии, сканирующей силовой (ССМ) и туннельной (СТМ) микроскопии, рентгеноструктурного анализа и лазерной эмиссионной и вторично-ионной масс-спектрометрии, а так же метод электронной микроскопии и спектроскопии. Для исследования электронной эмиссии применялись методы кривых Мирама, метод эмиссионных изображений, метод кривых Ридчарсона.
Достоверность, обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается качественным совпадением экспериментальных и расчетных данных, получением воспроизводимых результатов при использовании различной аппаратуры и методов исследования, опытно-промышленной проверкой результатов и выводов работы.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Уменьшение неоднородности распределения плотности тока и снижение флуктуаций эмиссии МПК обеспечивается за счет снижения степени неоднородности распределения и увеличения количества открытых пор, а так же за счет увеличения эмиссионной способности МПК после взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария.
-
Режим испарения поверхности МПК при обработке твердотельным лазером с длиной волны 1,06 мкм обеспечивается при мощности импульсов 2,25…3 Вт, длительности 60 нс и скважности 103 (патент №2459305).
-
При модификации МПК лазерным излучением, обеспечивающим плотность упаковки лунок 2,7104 мм-2 диаметром 15±2 мкм и глубиной 18±5 мкм, достигается снижение флуктуации эмиссионного тока и уровня шума ЛБВ на 4 … 5 дБ за счет выравнивания эмиссионной плотности тока по всей поверхности МПК (патент №2459306).
-
Снижение неоднородности распределения температуры по поверхности МПК на 10% … 15% обеспечивается виброуплотнением заливочного состава подогревательного узла МПК с частотой 475 Гц … 500 Гц и амплитудой 0,4 … 1 мм.
Научная новизна работы заключается в развитии новых подходов для улучшения эмиссионных параметров МПК и шумовых характеристик ЛБВ с использованием методов и технологий лазерной обработки материала катода. В работе впервые:
-
исследован процесс взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария;
-
использован метод лазерной микрогравировки для формирования высокой степени однородного распределения открытых пор на эмиссионной поверхности МПК (патент №2459306);
-
определены параметры лазерной гравировки МПК, обеспечивающие режим испарения материалов приповерхностных слоев (патент №2459305);
-
использован метод виброуплотнения на низких частотах заливочного состава при изготовлении подогревательного узла МПК;
-
Построены термодинамические модели парциального газовыделения при откачке ЛБВ и фазовых превращений в МПК при его обработке.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных и перспективных СВЧ электровакуумных приборов миллиметрового диапазона с пониженным уровнем шумов.
Конструкции электронных пушек на основе изготовленных по предложенной технологии МПК могут быть использованы в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций ЛБВ сантиметрового и миллиметрового диапазона и многолучевых клистронах. На способы изготовления МПК получены 3 патента.
Внедрение результатов работы. Разработанные технологии лазерной обработки МПК и виброуплотнения заливочного состава подогревательного узла внедрены в производство ОАО «НПП «Алмаз» «НПЦ «Электронные системы». Большая часть исследований проведена при выполнении гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, НК-566П/8.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на конференции с международным участием «Вакуумная техника и технология» 2010г. (г. Санкт-Петербург); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ, Москва, 2008, 2009г.); на конференции с международным участием «Вакуумная наука и техника» 2009г. (г. Мацеста); научно-практической конференции, посвященной 55-летию ОАО «НПП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 2012).
Работа удостоена серебряной медали на VI «Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций», 2011г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в научных сборниках), получены 3 патента.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложения. Диссертация изложена на 132 листах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 5 таблиц.
