CC BY
199
УДК 621.385.64
А.А. Захаров, Е.И. Булдаков, В.П. Еремин
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ДВУХМИЛЛИМЕТРОВЫХ МАГНЕТРОНОВ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ
Представлены результаты исследований и экспериментов в области создания мощных импульсных магнетронов коротковолновой части миллиметрового
диапазона. Исследования связаны с поиском путей увеличения срока службы, выходной средней мощности, повышения КПД и эксплуатационной эффективности
Магнетрон, долговечность, вторично-эмиссионный катод, электронная пушка, мощность, КПД
A.A. Zakharov, E.I. Buldakov, V.P. Eremin
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF HIGH POWER PULSED TWO-MILLIMETRIC MAGNETRONS OF UPGRADED RELIABILITY
The results of research and experiments referring creation of high power pulsed magnetrons of a short-wave millimetric band are presented. The research is connected with finding the ways for increasing the lifetime, average capacity, and operational efficiency.
Magnetron, durability, secondary emission cathode, electron gun, capacity, efficiency
Достигнутый уровень по исследованию и разработке магнетронов миллиметрового диапазона достаточно полно изложен в [1]. Наибольшие успехи при укорочении рабочей длины волны и повышении уровня генерируемой мощности достигнуты на магнетронах поверхностной волны (МПВ), работающих на пространственных гармониках. Если зарубежные исследователи, предпочитающие работать на основной пространственной гармонике, не смогли создать магнетроны миллиметрового диапазона с рабочей длиной волны короче 2,5 мм, то на МПВ удалось достигнуть генерации на волне 1,25 мм с мощностью 1 кВт.
Авторами в течение последних 5 лет ведутся исследования по созданию мощных импульсных магнетронов, работающих в двухмиллиметровом диапазоне длин волн. Успешно закончена разработка магнетрона с выходной импульсной мощностью 4,5 кВт и долговечностью 1000 часов. Подводимая импульсная средняя мощность такого магнетрона составляет 5 Вт. На базе этого магнетрона благодаря имеющимся конструктивно технологическим запасам и усовершенствованию конструкции были получены образцы магнетронов с долговечностью более 1000 часов в режиме генерации и 1000 часов в дежурном режиме.
Г лавной задачей при проведении исследований являлось создание образцов миллиметровых магнетронов с заданными высокими характеристиками, удовлетворяющими требованиям со стороны перспективных РЛС: дальнейшее увеличение надежности, уменьшение массы, повышение эксплуатационной эффективности в том числе экономической (снижение затрат на час эксплуатации).
На пути решения этой задачи необходимо было выполнить следующие основные этапы:
- создание на новых современных принципах конструкции резонаторной системы КВЧ магнетрона с высокими электродинамическими, теплорассеивающими и термомеханическими характеристиками и на основе разработанных расчетно-теоретических моделей и программ в формате 2D и 3D проведение оптимизации геометрии элементов резонаторных систем для повышения КПД магнетрона (электронного и контурного);
- разработка нетрадиционных конструкции и технологии изготовления, цельнометаллических вторично-эмиссионных катодов с интенсивным охлаждением;
- разработка интегрированной конструкции жидкостного охлаждения анодного и катодного узлов магнетрона;
- создание измерительно-испытательного комплекса низкого уровня мощности (НУМ) и высокого уровня мощности (ВУМ).
Решение этих вопросов позволило разработать сверхнадежные на сегодняшний день миллиметровые магнетроны с минимальной наработкой на отказ более 1000 часов при прогнозируемой средней долговечности 2000-3000 часов.
Проблема достижения высокой надёжности и долговечности КВЧ магнетрона решена благодаря следующим действиям:
- применение защиты тугоплавким материалом теплонагруженных элементов, подверженных интенсивной электронной бомбардировке и претерпевающих вследствие этого эрозионное разрушение;
- использование жидкостного охлаждения не только анода, но и катодного узла;
- замена слюдяного вакуумного уплотнения вывода энергии на керамическое;
- металлокерамическое исполнение магнетронов (создана технологическая линейка по прецизионному изготовлению деталей для КВЧ магнетронов, по сборке - пайке - откачке узлов (в том числе металлокерамических узлов) и приборов в целом);
- разработка и внедрение технологии изготовления цельнометаллических высокоэффективных вторично-эмиссионных катодов для миллиметровых магнетронов.
При создании высоконадежных мощных импульсных двухмиллиметровых магнетронов использованы идеи, ранее успешно реализованные конструкторами и разработчиками при проектировании магнетронов восьми- и трехмиллиметрового диапазона длин волн [2].
На сегодняшний день известен один промышленно выпускаемый магнетрон 2х миллиметрового диапазона с долговечностью 200 часов, выпускаемый на предприятии «Плутон». Этот магнетрон работает за счет термоэмиссии с основного импрегнированного катода. При этом рабочая температура катода составляет 1400 °С. Такая высокая температура и определяет небольшой срок службы катода и невысокую долговечность магнетрона в целом.
Реализация идеи Джепсена и Мюллера [3] о разделении запускающего термокатода и вторичноэмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно на основной холодный и боковой-вспомогательный термокатод привела к созданию еще 30 лет назад исследователями ИРЭ АН У ССР реальных макетов не п-видных магнетронов с боковым катодом практически во всем миллиметровом диапазоне [4]. Но эти магнетроны до сих пор не вышли за пределы исследовательской лаборатории, поскольку примененная конструкция бокового катода (БК) оказалась пригодной лишь для демонстрации принципа работы магнетрона и не обеспечивала надежной его работоспособности в реальных условиях эксплуатации. И предопределившим низкую надежность фактором по-прежнему оставались малые радиальные размеры анодного отверстия.
Благодаря накопленному опыту за 20 лет разработки миллиметровых магнетронов с «холодными» вторично-эмиссионными катодами и боковыми термокатодами эта идея была реализована и в двухмиллиметровом диапазоне без уменьшения надежности конструкции, что позволило увеличить долговечность магнетронов.
Разработанные магнетроны работают с холодным вторично-эмиссионным РВа катодом. Для запуска вторично-эмиссионного катода используется боковой катод (инжектор), изготовленный в виде импрегнированной шайбы и расположенный в торце пространства взаимодействия. Оба катода крепятся соосно резонаторной системе. Такое крепление и наличие юстировочного устройства позволяют производить центровку катода в пространстве взаимодействия на динамических испытаниях и добиваться максимальных выходных параметров. В качестве вторично-эмиссионного катода используется эмиттер, изготовленный по специально разработанной технологии методом термодиффузионной сварки пакета пластин из сплава Р1:Ва с молибденовым держателем. Такая конструкция, как показали испытания, оказалась более эффективной по сравнению с ленточным эмиттером, наваренным на керн, так как весь объем катода заполнен эмиссионно-активным материалом, что немаловажно при возможной эрозии поверхности эмиттера. Одновременно исключается перегрев эмиттера, как это возможно при некачественной сварке ленточного эмиттера с керном, а значит, и уменьшается вероятность разрушения, тем самым обеспечивая высокую долговечность.
Боковой катод представляет собой катод паяльникового типа. Передача тепла от спиралевидного подогревателя к импрегнированной шайбе катода осуществляется через молибденовый керн (рис. 1). Такое крепление реализует хорошую теплопередачу и позволяет работать с низкой подводимой мощностью накала и температурой подогревателя не более 1000 °С, температура эмиттера при этом составляет 900-950 °С. Малые размеры бокового термоэлектронного катода и небольшая мощность его накала способствуют повышению общего КПД магнетрона, уменьшению времени готовности его к работе, а также уменьшению веса и габаритов накального трансформатора. Надежный запуск магнетрона обеспечивается при токе 50-100 мА, инжектированном с дополнительного бокового катода, что составляет 0,5-1% от рабочего тока магнетрона. Такой термокатод имеет высокую надежность и используется в восьмимиллиметровом магнетроне с наработкой более 10000 часов [2].
Рис. 1. Конструкция бокового термокатода
В коротковолновом диапазоне при высоком уровне выходной средней мощности и стремлении к повышению надежности узлов конструкции магнетрона неизбежно приходится сталкиваться с трудностями стабильного и достаточного теплоотвода от теплонагруженных элементов. Основная мощность рассеивается на ламелях анода и согласно результатам проведенных экспериментов до 1520% подводимой мощности рассеивается на катоде. Для эффективного теплоотвода была предложена конструкция магнетрона, позволяющая охлаждать анод и катод жидкостью. Подвод и отвод жидкости осуществляется через два штуцера, расположенных на анодном блоке, при этом катод и анод охлаждаются через параллельные каналы.
Для повышения эффективности охлаждения катода охлаждающая жидкость подводится на максимально близкое к рабочей поверхности расстояние (рис. 2). Благодаря этому удается максимально снизить температуру катода, уменьшить эрозионное разрушение катода и увеличить долговечность. При проведении экспериментов на различных конструкциях охлаждения катода удалось снизить температуру катода с 900 до 450 °С, при этом расчетная долговечность в рабочем режиме катодов (по эрозионной стойкости) составила от 700 до 10000 часов.
Рис. 2. Конструкция жидкостного охлаждения катода
Проблема одновременного жидкостного охлаждения высокопотенциальных электродов решена беззатратным для потребителей способом: магнетрон имеет интегрированные в его конструкцию гидроизоляторы, решающие проблему электрической развязки (рис. 3) и позволяет потребителю для подключения жидкостного охлаждения использовать по-прежнему всего два штуцера, а суммарный расход жидкости увеличивается всего на 20-30% (катод и анод охлаждаются параллельно).
_____________и
Рис. 3. Внешний вид прибора, армированного с гидроизоляторами
Разработанные магнетроны имеют пакетированную металлокерамическую частично магнитоэкранированную конструкцию. Внешний вид магнетрона представлен на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид магнетрона
Масса магнетронов, залитых герметиком, составляет не более 1,6 кг. Несмотря на наличие жидкостного охлаждения, магнетрон может работать в любом положении.
В магнетронах подобного класса тепловые нагрузки на анод достигают 2 кВт/см2. Температура электронно-бомбардируемых поверхностей электродов достигает при этом 600°С в импульсе. Такие режимы являются недопустимыми при использовании в качестве материала электродов меди М0б и МВМ, для которой рабочая температура не должна превышать 300-350°С [5]. Для защиты теплонагруженных элементов магнетрона разработана технология нанесения защитного покрытия из вольфрама [6, 7]. Метод получения вольфрамового покрытия - термохимический, основан на восстановлении пара гексафторида вольфрама водородом на поверхности подложки нагретой до температуры 560-570°С. Метод обеспечивает получение вольфрамового покрытия практически неограниченной толщины с плотностью, близкой к теоретическому значению.
Для определения достаточности мер по защите резонаторной системы от разрушения, а также для определения конструктивных запасов, были проведены технологические прогоны магнетронов в течение 100-500 часов при различных значениях длительности импульса (75-135 нс). После снижения мощности в процессе прогона более чем на 1 кВт приборы вскрывались и проводился анализ степени разрушения анодной системы и катода. Анализ проводился путем предварительного визуального контроля состояния ламелей анодов после вскрытия приборов с использованием микроскопа МВС при 16-кратном увеличении с последующим металлографическим анализом фрагментов анодов, ламели на которых имели наиболее ярко выраженное эрозионное разрушение. Было установлено, что не все ламели подвергаются одинаковому эрозионному разрушению, причем наибольшему эрозионному воздействию подвержены ламели находящиеся вблизи выходного резонатора. Это объясняется большими тепловыми нагрузками и уменьшенным теплоотводом по сравнению с остальными ламелями, обусловленным конструктивными особенностями анодного блока. Коэффициент неоднородности тепловой нагрузки на поверхности ламелей находится в пределах от 1,5 до 1,7 и рассчитывается по формуле
* * 2 о
где X $л - суммарная площадь поверхностей ламелей на исследуемом фрагменте анода, мм2; X -суммарная площадь поверхности с эрозионным разрушением на исследованном фрагменте анода, мм2.
Неоднородность разрушения наблюдается как по длине каждой ламели, так и в азимутальном направлении при рассмотрении всей резонаторной системы. Такую неравномерность можно объяснить имеющимися неоднородностями резонаторной системы, которая получается при вырезке ее на электроискровом станке (разная толщина ламелей, несимметричность), а также несоосным расположением катода относительно анодной системы. Так как толщина защитного вольфрамового покрытия соответствует заданным значениям при удовлетворительном качестве адгезии его с медной основой, то наиболее вероятная причина разрушения связана с локальной тепловой перегрузкой поверхности ламелей. Благодаря проведенным технологическим прогонам были получены данные по тепловым режимам анодной системы и сделаны выводы о необходимой толщине защитного вольфрамового покрытия и режиме охлаждения анодного блока для различных рабочих режимов магнетронов. Используемая технология сварки эмиттера катода с керном позволила достичь оптимальных условий для отвода тепла с эмиттера, тем самым даже при самом жестком рабочем режиме магнетрона перегрев катода не происходил. А эрозионное разрушение носит равномерный характер и не превышает значений ведущих к выходу из строя катода.
Для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн, в которых типичные размеры резо-наторных систем составляют 0,08-0,15 мм, разработана специальная технология покрытий с толщиной вольфрама от 10 до 20 мкм, что позволило минимизировать отрицательное влияние вольфрамового покрытия на электродинамические характеристики резонаторных систем. Внедрение этой технологии в магнетронах двухмиллиметрового диапазона длин волн позволило создать магнетроны с выходной импульсной мощностью 5-8-12 кВт, работоспособных при скважности от 3000 до 500 ед. При этом благодаря защите анода и специальной конструкции катода с жидкостным охлаждением получена долговечность в режиме генерации от 500 до 1000 ч.
Учитывая миниатюрные размеры пространства взаимодействия и ее многочастотность, необходимо было выбрать (рассчитать) конструкцию и размеры колебательной системы, параметры которой создадут приоритетные условия возбуждения наперед выбранного вида колебаний и обеспечат достаточное разделение по частоте между ближайшими соседними конкурирующими видами. Изначально было решено, что создание коротковолновых магнетронов будет реализовано на идее взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой высокочастотного по-
ля одного из дублетных видов колебаний резонаторной системы. Таким образом, для разрабатываемых магнетронов была выбрана равнорезонаторная система лопаточного типа с 32 резонаторами, обеспечивающая разделение по частоте между ближайшими соседними видами в длинную сторону - 8 ГГц, а в короткую - 9 ГГц, тем самым создавая благоприятные условия для рабочего вида колебаний.
Для отвода СВЧ-энергии был использован волноводный вывод энергии. В задней стенке выходного резонатора была прорезана щель связи. Дальше следовал трехступенчатый трансформатор, а затем регулярный круглый волновод диаметром 3,2 мм, заканчивающийся вакуумным уплотнением. При этом величины собственной добротности и внесенной добротности находятся в пределах Рэ=300-400; рвн =900-1200.
На рис. 5 приведены рабочие характеристики магнетрона в номинальных рабочих режимах: длительность импульса 75 нс, скважность 1100, жидкостное охлаждение с суммарным расходом 1,5л/мин. При анодном напряжении 13,5-15 кВ и анодном токе 8-17 А реализуется выходная мощность 1-6 кВт.
Рис. 5. Рабочие характеристики в номинальном режиме работы магнетронов
Разработаны и исследованы варианты конструкции магнетронов для нескольких других режимов эксплуатации. Были получены характеристики, аналогичные рис. 5, но с длительностью импульса до 130-180 нс с сохранением скважности. Проведены предварительные испытания таких магнетронов на долговечность. В другом варианте исполнения и с увеличенным расходом охлаждающей жидкости выходная средняя мощность увеличена с 5 до 10 Вт, что можно считать рекордным результатом для двухмиллиметровых магнетронов. В другом варианте магнетрона была поставлена и реализована задача увеличения импульсной мощности до 8-12 кВт без значительного увеличения анодного напряжения. Такая мощность была получена при анодных токах 17-20 А и анодных напряжениях до 16 кВ (рис. 6).
/■
у у
ю
1а, А
Рис. 6. Рабочие характеристика разработанных образцов магнетронов
При этом наибольшие неприятности были связаны с появлением на отдельных участках ВАХ нестабильностей, обусловленных возникновением перескока частоты описанных в [8]. В настоящее время проводится анализ влияния на появление этих нестабильностей КстИ ВЧ нагрузки магнетрона и геометрии пространства взаимодействия. Используя механизм центровки катода при динамических испытаниях, удается получить зону стабильной работы -20% + 20% от номинального режима.
ЛИТЕРАТУРА
1. Еремка В. Д. Исследование и разработка магнетронов миллиметрового диапазона / В. Д. Еремка,
B.Д. Науменко // Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника, 2008. Вып. 4.
C. 23-58.
2. Еремин В.П. Разработка миллиметровых магнетронов в ОКБ «Тантал» / В.П. Еремин // Доклад на секции КНТС «Электроника СВЧ». Саратов, ОАО «Тантал», 2003.
3. Jepsen R.L., Muller M.W. // Appl. Phys. 1951. V. 22. № 9. P. 1196.
4. Науменко В.Д. Особенности работы магнетронов миллиметрового диапазона с вторичноэмиссионными катодами: дис. ... канд. физ.-мат. наук / В.Д. Науменко. Харьков, 1985.
5. Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов / Д.Е. Самсонов. М.: Сов. радио, 1966.
6. Защита резонаторных систем электровакуумных приборов вольфрамом, осажденным из парогазовой фазы / А.Х. Турнер, В.С. Плешаков, А.И. Красновский, Э.А. Дьяченко, Ю.Н. Голованов // Электронная техника. Сер. Технология и организация производства. 1971. Вып. 7. С. 41-52.
7. А.с. №1109473 Устройство для получения покрытий из парогазовой фазы / Ю.С. Касаткин,
В.С. Плешаков, А.Х. Турнер. 1984.
8. Гурко А. А. Пути и средства совершенствования миллиметровых магнетронов на пространственных гармониках: дис. ... д-ра техн. наук / А.А. Гурко. М., 2003.
Захаров Александр Александрович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Булдаков Евгений Ильич -
аспирант кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Еремин Валерий Павлович -
заместитель директора по науке
ООО «ОКБ Приборостроения», г. Саратов
Aleksandr A. Zaharov -
Dr. Sc., Professor,
Head: Department of Electronic Instruments and Devices Gagarin Saratov State Technical University
Evgeniy I. Buldakov -
Postgraduate
Department of Electronic Instruments and Devices
Gagarin Saratov State Technical University
Valeriy P. Eremin -
Deputy Director for Research:
Design Office «Instrument Engineering», Saratov
Статья поступила в редакцию 25.10.11, принята к опубликованию 01.12.11
